Landsberg-1985-T2

моментом. Koгд~ вещество не намагничено, магнитные

моменты отдельных молекулярных токов ориентированы

хаотически (беспорядочно), вследствkе чего их векторная

сумма равна иулю, вещество в целом магнитным моментом

не обладает.

Под действием внешнего магнитного поля магнитные

моменты молекулярных TOI<OB приобретают в большей или

меньшей степени преимущественную ориентацию в на­

правлении поля (в случае ферро- и парамагнетиков) либо

возникают индукционные молекулярные токи, магнитные,

моменты которых ориентированы против поля (в случае , диамагнетиков, § 147). В результате суммарный магнит­ ный момент молекулярных токов становится отличным

от нуля, и тело оказывается нама~ниченным. Естественно

вкачестве меры намагниченности вещества принять СУМ­

марный магнитный момент МОllекулярн.ых токов, заклю­

ченных в единице объема веШ!ства. В соответствии с этим вводится векторная величина " называемая намагничен­

ностью вещества и определяемая выражением

по едииице

объема

где Рт - магнитный момент отдельного молекулярного

тока.

,Можно показать, что намагниченность J связана с

магнитной индукцией В в веществе и напряженностью магнитного поля Н соотношением, которое и~еет вид

'с учетом того, что В=!1!10Н' получается формула

J=(~-l)Q. (149.3)

Заменим в формуле (149.2) векторы их модулями и

напишем получившееся соотношение в виде

В = !10Н+ ~oJ = !10НО+ !1oJ = Во +~oJ

(напомним, что в рассматриваемом случае Н=НО, а !10НО=

=80 - магнитной индукции поля соленоида в отсутст­ вие вещества). Теперь умножим это соотношение на пло­

щадь поперечного сечения соленоида S:

BS --:- BoS +~oJS.

Произведение BS' равно Ф - магниtному ПОтОку через

сечеllие 'соленоида; 'BoS равно' Фо' ..:- ма'ГН:FпНОМУ потоку в

354

ее возрастание. Зависимость между J и Н. в этом случае изображается ветвью кривой аЬ на рис. 284. Мы видим, таким образом, 'Что одному и тому же значению Н могу1

соответствовать различные значения намагниченности (точ­

ки х, х' и х" на рис. 284) в зависимости от того, подходим

ли мы к .этому значению со стороны малых или со сто­

роны больших значений Н. Намагниченность железа за­

висит, стало бы'IЪ, не только от того, в каком поле данный

кусок находится, но и от предыдущей истории этого куска.

Это явление получило название магнитного гистерезиса.

Когда внешнее магнитное поле становится равным

нулю, железо продолжает сохранять некоторую остаточ­

НУЮ намагниченность (§ 112), которая характеризуется

отрезком ОЬ графика. В этом и заключается причина

того, что из железа или стали можно изготовлять постоян­

ные магниты.

Для дальнейшего размагничивания железа нужно при­

ложить внешнее магнитное поле, направлецное в проти­

воположную сторону. Ход изменения намагниченности J

при возрастании напряженности Н этого противоположно

направленного поля изображается ветвью КРИВОЙ bcd. Лишь когда наriряженность этого поля достигнет опреде­ ленного значения (в нашем опыте значения, изображаемого

отрезком Ос), железо будет полностью размагничено (точ­ !(а с). Таким образом, напряженность размагничивающего поля (отрезок Ос) является мерой того, насколько прочно

удерживается· состояние намагничивания железа. Ее на­

зывают коэрцити8НОЙ силой. При уменьшении напряжен­

нОсти поля Qбратного направления и затем при возраста­

нии напряженности поля первоначального направления

ход изменения намагниченности железа изображается вет­

ВЬЮ кривой db' а.

При новом повторении всег{) цикла размагничивания,

перемагничивания и повторного намагничивания железа

в первоначальном направлении форма этой кривой повто­

ряется *). Из рис. 284 видно, что эта кривая, изобража­

ющая ход зависимости намагниченности железа J от на­

пряженности внешнего поля Н, имеет вид петли. Ее на­

зывают петлей гистерезиса для данного сорта железа или

стали. Форма петли гистерезиса является важнейшей

*). Ветвь Ой изображает ход намагничивания исходного ненамаг.

ниченноrо материала и не повторяется при повторных циклах. Для того

чтобы вновь воспроизвести веть Ой, необходимо привести материал в

первоначальное ненаМ~~Нllченное состояние. Для Э,того достаточно, на·

пример, сильно нагреть его.

356

характеристикой магнитных свойств того или иного фер­ ромагнитного материала. В частности, зная ее, мы моЖем·

определить такие важные характеристики этого матери-ала,

как его магнитное насыщение, остаточную намагничен­

ность и коэрцитивную силу.

Процесс намагничивания вещества можно характери­ зовать не только кривой зависимости J от Н (рис. 284),

но и кривой зависимости В от Н. Обе зависимости зако­

номерно связаны друг с другом. Первая из них имеет

сталь

оказывается, меньше всего

нагреваются при перемаг-

ничивании *); для некоторых специальных приборов важ­

ны материалы, магнитное насыщение которых достигается

при малых полях, и т. д.

В отличие от парамагнетиков и диамагнетиков (§ 145) У ферромагнетиков магнитная проницаемость /t не оста­

ется постоянной, а зависит от напряженности внешнего

намагничивающего поля Н. Эта зависимость для мапщт-

*) Речь идет ие о том нагревании под действием вихревых токов Фуко, Которое испытывают все металлы, помещенные в переменное маг­ нитное поле, а о нагревании ферромагнитных тел, обусловленном их перемагничиванием и связанном со I:воеобразным внутренним трением в перемагничивающемся веществе. .

357

ного сплава (пермаллоя) и для мягкого железа показана

на рис. 286. Как мы видим, магнитная проницаемость fJ. имеет малые начальные значения в слабых полях, затем нарастает до максимального значения и при дальнейшем

Важно отметить, что при достижении определенной

температуры магнитная проницаемость ферромагнитных

50000

тел резко падает до значения, близкого к единице. Эта

температура, характерная для каждого ферромагнитного вещества, носит название точки Кюри по имени француз­

ского физика Пьера Кюри (1859-1906). При температурах выше точки Кюри все ферромагнитные тела становятся

торых ферромагнитных сплавов точка Кюри лежит вблизи

100 Ос.

?149.1. Какой из ферромагнитных материалов, приведенных на

•рис. 285, наиболее пригоден дЛЯ ПОСТОЯНIIЫХ магнитов? Какой

из них наиболее пригоден для электромагнитов с ~ыстрой регу.

лировкой подъемной силы? ' 149.2. Можно ли электромагнитным краном переносить раска. ленные ст~ш.ные болванки?

§ 150. OCHO':lbI, теории ферромагнетизма. В отличие от

диамагнеrиgма, и ларамагнетизма, которые ,являются: свой­

ствами отдельных атомов или молекул вещества, ферро­

магнитные СВОЙства вещества Рб1>~СЦЯЮТСЯ. осQбелнсх;тями

З~8

его кристаллической структуры. Атомы железа, если взять

их, нiшример, в парообразном состоянии, сами по себе диамагнитны или лишь слабо парамагнитны. Ферромаг­

нетизм· есть свойство железа в твердом сосmoянии,

т. е. свойство-Кристаллов железа.

В этом нас убеждает ряд фактов. Прежде всего на это

указывает зависимость магнитных свойств железа и дру­ гих ферромагнитных материалов от обработки, изменяющей их кристаллическое строение (закалка, отжиг). далее

оказывается, что из парамагнитных и диамагнитных ме­

таллов можно изготовить сплавы, обладающие высокими

ферромагнитными свойствами. Таков, например, спла~ Гейслера, почти не уступающий по своим магнитным

свойствам железу, хотя он состоит из таких слабомагнИ'г­

ных металлов, как медь (60 %), марганец (25 %) и алюми­ ний (15 %). С другой стороны, некоторые сплавы из фер­ ромагнитных материалов, например· сплав из 75 % железа

и 25 % никеля, почти не магнитны. Наконец, самым ве:"

ским подтверждением является то, что при достижении

определенной температуры (точки Кюри) все ферромагнит­

ные вещества теряют свои ферромагнитные свойства.

Ферромагнитные вещecrва отличаlQТСЯ от парамагнитны!( не только весьма большим значением магиитной проницаемости J.L и ее зависимо­ стью от напряженности поля, но и весьма своеобразной связью между

намагниченностью и напряженностью иамагtIичивающего поля. Эта

особенность находит свое выражение в явлении гистерезиса со всеми его следствиями: !lаличием остаточиой намагниченности и коэрцитивной

силы.

В чем причииа гистерезиса? Вид кривых на рис. 284 и 285 - разли­

чие между !(одом нарастания намагничивания ферромагнетика при уве­ личении Н и ходом его размагничивания при уr.tеньшении Н - пока­ зывает. что при изменении иамагниченности ферромагнетика, т. е. при

увеличении или уменьшении иапряженности внешнего поля, ориента­

ция и дезориентация элементарных магнитов не сразу следует за полем, а

Подробное изучение процессов иамагничивания и размагничивания. железа и других ферромагнитных веществ показало, что ферромагнит­

ные свойства вещества определяются не магнитными свойствами от­ дельных атомов или молекул, которые сами 00 себе парамагнитны, а на­ магничиванием целых областей, иазываемых доменами *),- небольших участков вещества, содержащих очень большое число атомов. Взаимо­

действие магнитных моментов отдельных атомов ферромагнетика при­ водит к' созданию чрезвычайно сильных внутренних магнитных полей. действующих в пределах каждой такой области и выстраивающих в пределах этой области все атомные магнитики параллельно друг другу. как показано на рис. 287. Таким образом, даже в отсутствие внешнего

поля ферромагнитное вещество состоит из ряда отдельных областей,

каждая из которых самопроизвольно иамагиичена до насыщения. Но

*) -Поэтому вся теория часто называется «доменной••

3s9

направлеиие намагниченности для разных областей различно, так что вследствие хаотичности распределения этих областей 'тело в целом ока­

зывается в отсутствие внешиего поля ненамагниченным.

Под. влиянием внешнего поля происходит перестроАка и переrруп­

пировка таких областей самопроизвольного намагничивания, в резуль- , тате которой получают преимуще-

областей, т. е. размагничивание тела.

Ввиду больших по сравнению с атомами размеров областей само­ произвольного намагничивания как процесс ориеитации их, так и об­

ратный процесс дезориентации происходят с гораздо большими затруд­

нениямн, чем установление ориентации или дезориентации отдельных

молекул или атомов, имеющее место в парамагнитных и диамагнитных­

телах. Этим и объясняется отставание намагничивания и размагничива­

ния от изменения внеш'!его поля, т. е. гистерезис ферромагнитных тел.

Г л а в а XVII. ПЕРЕМЕННЫй ТОК

§ 151. Постоянная и переменная электродвижущая сила. В генераторах электрического тока, с ю:rrорыми мы зна­

комились до сих пор - электростатических машинах,

гальванических элементах (§ 75), аккумуляторах (§ 79)

и термоэл~ментах (§ 83),- э. д. с. с течением времени не

меняла своего направления: положительный электрод всегда оставался положительным, отрицательный - отри­

цательным, и ток во внешней цепи постоянно шел в одном

итом же направлении: от положительного электрода к

отрицательному. Такой ток называют nРЯМblАt или nостоян­

ным. до тех пор, пока не происходило никаких внутренних изменений в самом генераторе, т. е. пока не сказЬ!вались,

например, явления поляризации электродов в гальваниче­ ских элементах, или не менялась скорость вращения

электростатической машины, или не менялась темпt;'ратура

между спаями термоэлемента, оставалась постоянной и

э. Д. с., а стало быть, и напряжение на зажимах генера­

тора и сила тока в цепи.

Напротив, в генераторах, установленных на элект­

ростанциях и дающих то!<, которым мы пользуемся для

освещения, приведения в действие электродвигателей (мо­

торов) и для других целей, всегда возникает nереАtенная

Э. д. 'С.' непрерывно изменяющая свое значение 11 много

раз в секунду меняющая свое направление. С некоторыми

деталями устройства этих генераторов мы познакомимся

сейчас выяснить основной принцип их устройства.

Всовременной тухнике применяются почти исключи­

тельно индукционные генераторы, т. е. машины, в кото­

рых э. д. с. возникает в результате процесса электромаг­

нитной индукции. Основная схема устройства такоГо г~ нератора, на которой видны все принципиально важные

его детали, показана на рис. 288: Между полюсами силь-

361

ного магнита 1, т; е. в магнитном поле, вращается прово­

лочная рамка ~ концы которой припаяны к кольцам 3 и 4,

вращающимся вместе с рамкой; к 'этим кольцам прижи­

маются пружинящие пластинки 5 и 6 (так называемые щетки), от которых идут провода к внешней цепи. При

вращении рамки в магнитном поле пронизывающий ее

Рис. Модель индукционного генератора

магнитный поток все время изменяется и, следовательно,

в рамке возникает индуцированная э. д. с. Таким образом,

.процесс, происходящий во всех промышлеиных генераторах тока, это - повторение в гигантских масштабах основного индукционного опыта Фарадея, который мы рассмотрели

Рассмотрим теперь подробнее, какова будет ВОЗникаю­

щая в рамке индуцированная э. д. с. Для простоты будем

считать магнитное поле, в котором вращается рамка,

рамки и на синус угла <р между плоскостью рамки и на­ правлением поля:

ф= BS sin ер.

Если рамка вращается равномерно и совершает полный оборот за время Т, то за единицу времени рамка повора­ чивается на угол 2n/Т. Поэтому, если время отсчитывать

от того момента, когда рамка стояла параллельно линиям

поля, то значение угла <р в некоторый момент времени t

будет равно ср= (2n/T)t. ?ООзначая частоту вращеция

362

рамки, т. е. число ее оборотов в единицу времени. буквой ". а угловую скорость (см. том 1) букв?й ro. можно написать:

. Подставив это выражение в формулу для магнитного

потока, мы увидим, что закон его изменения с течением

График, изображающий зависимость магнитного потока

через рамку от времени, представляет собой синусоиду

ф

,&1 ====- 1 j

~11

I I

I1

1 1

t

Рис. 289. График изменения с течением времени мгновенных значений:

а) магнитного потока Ф; б) ИНДУЦllрованноЙ·э. д. С. i}i в опыте, изоб­

раженном на рис. 288

(рис. 289, а). Магнитный поток меняет свой знак два раза

за каждый оборот рамки, обращаясь в нуль В те моменты,

когда она параллельна направлению поля, и достигая

максимЗльных значений (того или иното знака) в моменты,

когда она nерпендикулярна к полю.