- •4. Линии напряжонности (силовые линии) электрического поля. Поток вектора напряжонности. Густота силовых линий.
- •Свойства силовых линий электрического поля
- •9.5. Поток вектора напряженности электрического поля. Теорема Гаусса
- •5. Теорема Гаусса для электрического поля в вакууме
- •6. Применение теоремы Гаусса к расчету электростатического поля равномерно заряженной длинной нити (цилиндра)
- •7. Применение теоремы Гаусса к расчету электростатического поля равномерно заряженной плоскости
- •8. Применение теоремы Гаусса к расчету электростатического поля равномерно заряженной сферы и объемно заряженного шара.
- •9. Работа сил электрического поля при перемещении заряда. Теорема о циркуляции напряженности электрического поля.
- •10. Потенциал электрического поля. Связь между потенциалом и напряжонностью.
- •11. Энергия системы неподвижных точечных электрических зарядов.
- •12. Диполь в электрическом поле. Полярные и неполярные молекулы. Поляризация диэлектриков. Поляризованность. Сегнетоэлектрики.
- •13. Напряженность электрического поля в диэлектрики. Электрическое смещение. Теорема Гаусса для поля в диэлектрики.
- •14. Электрическая емкость. Конденсаторы (плоский, сферический, цилиндрический), их емкости.
- •15. Соединение конденсаторов (параллельное и последовательное)
- •16. Энергия электрического поля и её объёмная плотность.
- •18. Электрическое сопротивление проводников. Электрическая проводимость. Последовательное и параллельное соединение проводников.
- •Параллельное соединение
- •Резистор
- •19. Эдс, разность потенциалов и напряжение.
- •20. Закон Джоуля-Ленца (интегральная и дифференциальная формы).
- •21. Закон Ома для неоднородного участка цепи (обобщенный закон Ома). Закон Ома для замкнутой цепи.
- •22. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей постоянного тока
- •23. Работа и мощность постоянного электрического тока. Кпд источника тока.
- •24. Вывод закона Ома из классической теории электропроводимости металлов.
- •27. Магнитное поле, Магнитная индукция. Принцип суперпозиции магнитных полей. Закон Ампера.
- •Принцип суперпозиции
- •28. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитом поле.
- •29. Эффект Холла и его применение.
- •Аномальный эффект Холла
- •Квантовый эффект Холла
- •Спиновый эффект Холла
- •Применение:
- •30. Закон Био-Савара-Лапласа
- •31. Закон Био-Савара-Лапласа и применение его к расчёту магнитного поля прямолинейного проводника стоком.
- •32. Закон Био-Савара-Лапласа и применение его к расчёту магнитного поля оси кругового витка с током
- •33. Магнитное поле движущегося заряда. Взаимодействие параллельных проводников с током.
- •34. Закон полного тока и применение его к расчёту магнитных полей длинного соленоида и тороида
- •Ток смещения
- •35. Поток вектора магнитной индукции, его единица си. Теорема Гаусса для магнитного поля.
- •Теорема Гаусса для магнитной индукции
- •36. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.
- •37. Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея). Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца
- •38. Вывод эдс индукции из закона сохранения энергии. Механизм возникновения эдс индукции. Вихревые токи (Токи Фуко)
- •39. Вращение проводящей рамки в магнитном поле. Баллистический способ измерения магнитной индукции.
- •40. Явление самоиндукции. Эдс самоиндукции.
- •Эдс индукции
- •41. Индуктивность, ее единица си. Индуктивность длинного соленоида.
- •Обозначение и единицы измерения
- •42. Ток при размыкании и замыкании цепи.
- •43. Явление взаимной индукции. Трансформатор.
- •Закон Фарадея
- •44. Энергия магнитного поля, её плотность.
- •45. Магнитное поле в веществе. Намагниченность. Магнитная проницаемость. Напряженность магнитного поля, её связь с магнитной индукцией.
- •Напряженность магнитного поля. Закон полного тока
- •46. Магнитные моменты электронов и атомов. Гиромагнитное отношение.
- •47. Диамагнетизм и парамагнетизм.
- •48. Ферромагнетики и их свойства. Магнитный гистерезис. Домены. Применение ферромагнетиков.
- •49. Основы теории Максвелла для электромагнитного поля. Ток смещения.
- •50. Уравнение Максвелла для электромагнитного поля в интегральной форме.
48. Ферромагнетики и их свойства. Магнитный гистерезис. Домены. Применение ферромагнетиков.
Ферромагнетики — вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, ферромагнетик — такое вещество, которое, при температуре ниже точки Кюри, способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Последние исследования в области физики показали, что некоторые ферромагнетики, при создании определенных условий, могут приобретать парамагнетическиесвойства при температурах, которые существенно выше точки Кюри. Поэтому ферромагнетики, наряду со многими другими магнетическими веществами, остаются, как оказалось, плохо изученными веществами до сих пор.
Ферромагнетики имеют наибольшее практическое применение, хотя их и не так много в природе. Железный или стальной сердечник в катушке во много раз усиливает создаваемое этой катушкой поле, не увеличивая силу тока в катушке. Это экономит электроэнергию. Сердечники трансформаторов, генераторов, электродвигателей и других устройств изготавливают из ферромагнетиков. При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остаётся намагниченным, то есть создаёт магнитное поле в окружающем его пространстве. Упорядоченная ориентация элементарных токов не исчезает при выключении внешнего магнитного поля. Благодаря этому существуют постоянные магниты. Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительных приборах, громкоговорителях, телефонах, в устройствах звукозаписи, магнитных компасах и т.д. Большое распространение получили ферриты - ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока. Они представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. Первый из известных человеку ферромагнитных материалов - магнитный железняк - является феррито
Магнитный гистерезис — явление зависимости вектора намагничивания и вектора напряженности магнитного поля в веществе не только от приложенного внешнего поля, но и от предыстории данного образца. Магнитный гистерезис обычно проявляется вферромагнетиках — Fe, Co, Ni и сплавах на их основе. Именно магнитным гистерезисом объясняется существованиепостоянных магнитов.
Явление магнитного гистерезиса наблюдается не только при изменении поля H по величине и знаку, но также и при его вращении (гистерезис магнитного вращения), что соответствует отставанию (задержке) в изменении направления M с изменением направления H. Гистерезис магнитного вращения возникает также при вращении образца относительно фиксированного направления H.
Домен — макроскопическая область в магнитном кристалле, в которой ориентация вектора спонтанной однороднойнамагниченности[1] или вектора антиферромагнетизма[2] (при температуре ниже точки Кюри или Нееля соответственно) определенным образом повернута или сдвинута относительно направлений соответствующего вектора в соседних доменах. Домены существуют в ферро- и антиферромагнитных, сегнетоэлектрических кристаллах и других веществах, обладающих спонтанным дальним порядком.
Помимо рассмотренных двух классов веществ — диа- и парамагнетиков, называемых слабомагнитными веществами, существуют еще сильномагнитные вещества — ферромагнетики — вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т. е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам кроме основного их представителя — железа (от него и идет название «ферромагнетизм») — относятся, например, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения.
Ферромагнетики помимо способности сильно намагничиваться обладают еще и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагнетиков. Если для слабомагнитных веществ зависимость J от Н линейна (см. (133.6) и рис. 192), то для ферромагнетиков эта зависимость, впервые изученная в 1878 г. методом баллистического гальванометра для железа русским физиком А.Г. Столетовым (1839—1896), является довольно сложной. По мере возрастания Ннамагниченность J сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается так называемое магнитное насыщение Jнас, уже не зависящее от напряженности поля. Подобный характер зависимости J от Н можно объяснить тем, что по мере увеличения намагничивающего поля увеличивается степень ориентации молекулярных магнитных моментов по полю, однако этот процесс начнет замедляться, когда остается все меньше и меньше неориентированных моментов, и, наконец, когда все моменты будут ориентированы по полю, дальнейшее увеличение J прекращается и наступает магнитное насыщение.
Магнитная индукция B= 0 (H+J) (см. (133.4)) в слабых полях растет быстро с ростом H вследствие увеличения J, а в сильных полях, поскольку второе слагаемое постоянно (J=Jнас), В растет с увеличением Н по линейному закону (рис. 193).
Существенная особенность ферромагнетиков — не только большие значения (например, для железа — 5000, для сплава супермаллоя — 800 000!), но и зависимость от Н (рис. 194). Вначале растет с увеличением Н, затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 ( =B/(0H) = 1 + J/H, поэтому при J = Jнас = const с ростом Н отношение J/H 0, 1).
Характерная особенность ферромагнетиков состоит также в том, что для них зависимость J от H (а следовательно, и В от Н) определяется предысторией намагничения ферромагнетика. Это явление получило название магнитного гистерезиса. Если намагнитить ферромагнетик до насыщения (точка 1, рис. 195), а затем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то, как показывает опыт, уменьшение J описывается кривой 1—2, лежащей выше кривой 1—0. При Н = 0 J отличается от нуля, т. е. в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничение Jос. С наличием остаточного намагничения связано существование постоянных магнитов. Намагничение обращается в нуль под действием поля Нс, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение. Напряженность Нс называется коэрцитивной силой.
При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3—4), и при Н = –Hнас достигается насыщение (точка 4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4—5—6) и вновь перемагнитить до насыщения (кривая 6—7).
Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля намагниченность J изменяется в соответствии с кривой 1—2—3—4—5—6—1,которая называется петлей гистерезиса (от греч. «запаздывание»). Гистерезис приводит к тому, что намагничение ферромагнетика не является однозначной функцией Н, т.е. одному и тому же значению Н соответствует несколько значений J.
Различные ферромагнетики дают разные гистерезисные петли. Ферромагнетики с малой (в пределах от нескольких тысячных до 1—2 А/см) коэрцитивной силойНс (с узкой петлей гистерезиса) называются мягкими, с большой (от нескольких десятков до нескольких тысяч ампер на сантиметр) коэрцитивной силой (с широкой петлей гистерезиса) — жесткими. Величины Нс, Jос и max определяют применимость ферромагнетиков для тех или иных практических целей. Taк, жесткие ферромагнетики (например, углеродистые и вольфрамовые стали) применяются для изготовления постоянных магнитов, а мягкие (например, мягкое железо, сплав железа с никелем) — для изготовления сердечников трансформаторов.
Ферромагнетики обладают еще одной существенной особенностью: для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, называемая точкой Кюри, при которой он теряет свои магнитные свойства. При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное, происходящий в точке Кюри, не сопровождается поглощением или выделением теплоты, т.е. в точке Кюри происходит фазовый переход II рода.
Наконец, процесс намагничения ферромагнетиков сопровождается изменением его линейных размеров и объема. Это явление получило названиемагнитострикции. Величина и знак эффекта зависят от напряженности Н намагничивающего поля, от природы ферромагнетика и ориентации кристаллографических осей по отношению к полю.