Материал презентаций по физике / Часть 2 / Лекция 11 / Лекция 11

6

Лекция 11

Магнитное поле в веществе

Вопросы

1. Магнитные свойства веществ. Магнитные моменты электронов и атомов.

2. Диамагнетизм и парамагнетизм.

3. Намагниченность. Магнитное поле в веществе.

4. Ферромагнетики и их свойства. Явление гистерезиса.

1. Магнитные свойства веществ.

Магнитные моменты электронов и атомов

Опыты показывают, что индукция магнитного поля, создаваемого электрическими токами в веществе , отличается от индукции магнитного поля, создаваемого теми же токами в вакууме . Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция  магнитного поля в веществе отличается по модулю от индукции магнитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью:

(1)

Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами атомов или элементарных частиц (электронов, протонов и нейтронов), входящих в состав атомов. В настоящее время установлено, что магнитные свойства протонов и нейтронов почти в 1000 раз слабее магнитных свойств электронов. Поэтому магнитные свойства веществ в основном определяются электронами, входящими в состав атомов.

Электрон, двигаясь по круговой орбите, экви­ва­лен­тен круговому току и обладает:

механическим моментом импульса

, (1)

собственным механическим моментом импульса L_es, называемым спином (spin – вращение),

орбитальным магнитным моментом

(2)

и спиновым магнитным моментом P_ms .

Таким образом, магнитный момент атома складывается из суммы магнитных моментов электронов:

. (3)

Спиновые поля электронов и магнитные поля, обусловленные их орби­тальными движениями, и определяют широкий спектр магнитных свойств веществ.

2. Диамагнетизм и парамагнетизм

Всякое вещество является магнетиком, т.е. способно намагничиваться во внешнем поле.

У большинства веществ свойства намагничивания выражены слабо. Слабо-магнитные вещества делятся на две большие группы – парамагнетики и диамагнетики. Пара- и диамагнетизм объясняется поведением электронных орбит во внешнем магнитном поле.

Эффект образования собственного магнитного поля ве­щества, ослабляющего внешнее поле, называется диа­маг­нит­ным эффектом, а вещества, намагничивающиеся во вне­шнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками ( < 1).

Примерами диамагнетиков являются вода (), золото (), висмут () и др.

Эффект усиления внешнего поля за счет собственного магнитного поля вещества называется парамагнитным эффектом, а вещества, намагничивающиеся во внешнем поле по направлению поля, т.е. усиливая его, называются парамагнетиками ( > 1).

Парамагнитными свойствами обладают воздух (), алюминий (), платина ( и др.

Образцы из пара- и диамагнетика, помещенные в неоднородное магнитное поле между полюсами электромагнита, ведут себя по-разному – парамагнетики втягиваются в область сильного поля, диамагнетики – выталкиваются.

3. Намагниченность. Магнитное поле в веществе

Вещество, в котором магнитные моменты атомов упорядочены по направлению, называется намагниченным.

Намагниченностью вещества называется магнитный момент единицы объема вещества:

, (4)

где - полный магнитный момент вещества.

На рис. 3 схематически показан на­магниченный сердечник катушки с то­ком. Внешнее магнит­ное поле со­з­дается током, те­ку­щим по намотке сер­деч­ника. Под действием внешнего поля от­дельные атомы ориентируются так, что их маг­нит­ные моменты парал­лель­ны внешнему полю. Молекулярные то­ки соседних атомов в местах их со­при­косновения текут в разных на­пра­вле­ниях и взаимно компенсируют друг дру­га. Молекулярные токи, выходящие на наружную боковую поверхность сер­деч­ника остаются некомпенсирован­ны­ми. Они складываются и дают неко­то­рый суммарный ток (ток намагничивания).

Ток намагничивания создает магнитное поле , параллельное внешнему полю , поэтому суммарное поле в сердечнике

. (5)

С другой стороны, наличие сердечника усиливает внешнее поле в раз:

. (6)

Приравнивая правые части уравнений (5,6) , получим:

. (7)

В целях ясности изложения материала будем рассматривать только изотропные среды, свойства которых не зависят от направления.

Полный магнитный момент сердечника, обусловленный током намагничивания: , где - площадь поперечного сечения сердечника. Тогда величина вектора намагниченности

, (8)

где - длина сердечника, - его объём. Таким образом, величина вектора намагниченности сердечника равна линейной плотности тока намагничивания. Заметим, что и размерность вектора намагниченности такая же, как и размерность линейной плотности тока - .

Ранее для соленоида было получено

; _{в (7):}

₍₉₎

_{С другой стороны, для несильных полей намагниченность пропорциональна напряженности магнитного поля}

, (10)

где  магнитная восприимчивость среды. В парамагнетиках , в диамагнетиках . Из сравнения (9, 10) получаем связь магнитной проницаемости с магнитной восприимчивостью вещества

. (11)

4. Ферромагнетики и их свойства. Явление гистерезиса

Ферромагнетиками называют вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, сохраняющейся даже при отсутствии внешнего поля, и имеющие высокие значения магнитной проницаемости.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков по порядку величины лежит в пределах 10²–10⁵. Например, у стали μ ≈ 8000, у сплава железа с никелем магнитная проницаемость достигает значений 250000.

К группе ферромагнетиков относятся четыре химических элемента: железо, никель, кобальт, гадолиний. Из них наибольшей магнитной проницаемостью обладает железо. Поэтому вся эта группа получила название ферромагнетиков. Ферромагнетиками могут быть различные сплавы, содержащие ферромагнитные элементы. Широкое применение в технике получили керамические ферромагнитные материалы – ферриты.

Для каждого ферромагнетика существует определенная температура (так называемая температура или точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком. У железа, например, температура Кюри равна 770 °C, у кобальта  1130 °C, у никеля  360 °C.

Ферромагнитные материалы делятся на две большие группы – на магнитомягкие и магнитожесткие материалы. Магнитомягкие ферромагнитные материалы почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю (чистое железо, электротехническая сталь). Эти материалы применяются в приборах переменного тока, в которых происходит непрерывное перемагничивание (трансформаторах, электродвигателях и т. п.). Магнитожесткие материалы сохраняют свою намагниченность после удаления их из магнитного поля, их используют для изготовления постоянных магнитов.

 намагни­чен­ность насыщения;

 остаточная намагниченность

 коэрцитивная сила.

Для того чтобы размагнитить ферромагнетик, недостаточно просто выключить внешнее поле – образец при этом останется намагниченным. Недостаточно и приложить обратное по­ле – образец размагнитится, но при попытке вынуть его из поля он на­ма­г­ни­тится вновь. Для размагничивания образца его помещают в катушку с переменным током, плавно уменьшая его амплитуду и переходя к более узким петлям гистерезиса.

У магнитомягких материалов значения коэрцитивной силы невелико (= 1…2 А/см) – петля гистерезиса таких материалов достаточно «узкая». Материалы с большим значением коэрцитивной силы, то есть имеющие «широкую» петлю гистерезиса, относятся к магнитожестким (= 10²…10³ А/см).

Рис. 5. Намагничивание ферромагнитного образца.

(1) B₀ = 0; (2) B₀ = B₀₁; (3) B₀ = B₀₂ > B₀₁.

Ферромагнетизм невозможно объяснить, рассматривая отдельные атомы ферромагнетиков, которые сами по себе обладают парамагнитными свойствами. В ферромагнетиках существуют макроскопические (размером 10^-4 – 10^-5 м) области спонтанной намагниченности – домены. В пределах каждого домена спиновые магнитные моменты атомов ориентированы параллельно друг другу, и все вместе создают магнитное поле, во много раз превышающее поле одного атома.