Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Tom_1.pdf
Скачиваний:
113
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
5.13 Mб
Скачать

Електромагнетизм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

R

=

1

,

(56.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

nq

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

де q заряд;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

n концентрація носіїв заряду.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

Вимірювання сталої Холла були виконані

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у дуже широкому інтервалі температур. Вияви-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лося, що в металах стала Холла не залежить

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

від температури, отже, і концентрація вільних

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

електронів не залежить від температури.

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

Це означає, що тепловий рух не грає ніякої ролі

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в утворенні вільних електронів в металах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значно складніші явища спостерігаються

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

під час проведення досліду Холла з напівпрові-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_

+

 

 

 

 

дниками: селеном, силіцієм, германієм, окси-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uн

дами ряду металів і т.п. Стала Холла для них

 

 

 

 

 

 

Рисунок 56.1

приблизно в 105 разів більше; електропровід-

 

 

 

 

 

 

ність в 105 разів менше, приблизно в стільки ж

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

разів менше і концентрація вільних електронів.

Стала Холла напівпровідників із зростанням температури різко падає,

отже,

концентрація вільних електронів зростає під час збільшення температури напівпровідника. Другою характерною особливістю напівпровідників є те, що у деяких з них ефект Холла має протилежний знак при таких же напрямах струму і індукції магнітного поля, як на рис. 56.1, нижня грань пластини заряджає позитивно. Це означає, що провідність здійснюється за рахунок руху позитивних зарядів.

Таким чином, ефект Холла є одним з ефективних методів дослідження носіїв заряду, особливо в напівпровідниках. Він дозволяє оцінювати концентрацію носіїв і визначати їх знак, судити про кількість домішок в напівпровідниках і характер хімічних зв’язків. Окрім цього ефект Холла застосовується для вимірювання величини магнітної індукції (датчики Холла), визначення величини сильних розрядних струмів.

Розділ 14. Магнітне поле в речовині

§57 Магнітне поле в речовині

57.1 Намагнічування магнетика

Магнетик – термін, який використовується до всіх речовин при розгляді їх магнітних властивостей. Різноманітність типів магнетиків обумовлена відмінністю магнітних властивостей мікрочастинок, які створюють речовину, а також характером взаємодії між ними.

Експерименти показують, що всі речовини є магнетиками, тобто здатні під дією магнітного поля намагнічуватися. Для пояснення намагнічування тіл

190

Електромагнетизм

А. Ампер висунув гіпотезу, згідно з якою в молекулах речовини циркулюють кругові (молекулярні) струми. Кожний такий струм має магнітний момент pm і

створює в навколишньому просторі магнітне поле. Магнітне поле намагніченого тіла складається з магнітних полів цих кругових струмів.

У ненамагнічуваному тілі всі елементарні струми розташовані хаотично

 

 

(рис. 57.1 а), тому в зовнішньому прос-

B0=0

B0=0

торі не спостерігається ніякого магніт-

ного поля. Процес намагнічування тіла

 

 

полягає в тому, що під впливом зовніш-

а)

б)

нього магнітного поля його елементарні

струми в більшому або меншому ступе-

Рисунок 57.1

 

ні встановлюються паралельно один до

 

 

одного (рис. 57.1 б). Сумарний магніт-

ний момент магнетика стає відмінним від нуля.

У речовині розрізняють два види струмів, що створюють магнітне поле – макроструми і мікроструми. Макрострумами називаються струми провідності. Мікрострумами (молекулярними) називаються струми, які обумовлені рухом електронів в атомах, молекулах і іонах. Магнітне поле в речовині є векторною сумою двох полів: зовнішнього магнітного поля, яке створюване макрострумами, і внутрішнього або власного магнітного поля, яке створюється мікрострумами.

Вектор магнітної індукції B магнітного поля в речовині характеризує ре-

зультуюче магнітне поле і дорівнює геометричній сумі магнітних індукцій зов-

нішнього Br0 і внутрішнього Bмагнітних полів:

 

B = B′+ B0 .

(57.1)

Первинним джерелом магнітного поля в магнетиках є макроструми. Їх магнітні поля є причиною намагнічування речовини, яка вміщена в зовнішнє магнітне поле.

Кількісно намагнічуванняr характеризується векторомнамагніченості.

Намагніченість ( J ) векторна фізична величина, яка чисельно дорівнює сумарному магнітному моменту одиниці об’єму магнетика:

r

 

1

N

r

 

 

J

=

 

pmi

,

(57.2)

V

 

 

i =1

 

 

 

де V фізичнонескінченномалийоб’єм, узятийпоблизуданоїточки; prmi магнітний момент однієї молекули.

[J ]= Aмм3 2 = Ам .

Одиниця вимірювання намагніченості співпадає з одиницею вимірювання напруженості магнітного поля.

191

Електромагнетизм

57.2 Класифікація магнетиків

За характером залежності намагніченості J від напруженості магнітного поля H магнетики поділяються на три групи:

діамагнетики;

парамагнетики;

феромагнетики.

Намагніченість ізотропних парамагнетиків і діамагнетиків, що знаходяться в слабих магнітних полях, прямо пропорційна напруженості магнітного поля:

J = χH ,

(57.3)

де χ − магнітна сприйнятливість. Магнітна сприйнятливість залежить від фізико-хімічних властивостей середовища. Для вакууму χ=0.

Безрозмірна величина

μ =1+ χ

(57.4)

називається магнітною проникністю речовини. Вона є характеристикою магнітних властивостей речовини. Для вакууму μ=1.

57.3 Діамагнетики. Парамагнетики

1. Діамагнетики речовини, у яких магнітна сприйнятливість χ від’ємна: χ<0. Чисельне значення χ знаходиться в межах 104 ÷ 105. Вектор намагніченості Jr діамагнетиків спрямований протилежно напряму напруже-

ності H поля, що намагнічує. Якщо діамагнетик помістити в неоднорідне магнітне поле, то він виштовхується з поля.

Магнітна проникність діамагнетиків μ<1, але відмінність від одиниці невелика. До діамагнетиків відносяться інертні гази, водень, силіцій, вісмут, олово, мідь, цинк, вода, кварц і багато органічних сполук.

2. Парамагнетики речовини, у яких магнітна сприйнятливість позити-

вна: χ>0. Чисельне значення χ знаходиться в межах 103 ÷ 104. Напрям нама-

гніченості Jr парамагнетиків співпадає з напрямом напруженості

H поля, що

намагнічує. Парамагнетики втягуються в неоднорідне магнітне поле.

Магнітна сприйнятливість парамагнетиків залежить від температури і

підпорядковується закону Кюрі:

 

χ = C ,

(57.5)

T

 

де С – стала Кюрі; Т – абсолютна температура.

192

Електромагнетизм

Магнітна проникність парамагнетиків μ>1, але відмінність від одиниці дуже невелика. До парамагнетиків відносяться алюміній, манган, паладій, платина, розчини залізних і нікелевих солей, кисень, повітря та ін.

Потрібно особливо підкреслити, що для парамагнітних і діамагнітних речовин магнітна проникність μ не залежить від напруженості зовнішнього поля, що намагнічує, тобто є сталою величиною, що характеризує дану речовину.

57.4 Феромагнетики

Феромагнетики речовини, які здатні мати намагніченість у відсутність зовнішнього магнітного поля. Свою назву вони отримали за найпоширенішим представником залізом.

До феромагнетиків окрім заліза, належать нікель, кобальт, гадоліній, їх сплави і сполуки, деякі сплави і сполуки мангану і хрому з неферомагнітними елементами (наприклад, сплав, що містить 61% Cu, 24% Mn, 15% Al), а також сплави системи неодим-залізо-бор. Феромагнетики є сильномагнітними речовинами. Їх намагніченість у величезне число разів (до 1010) перевершує намагніченість діа- і парамагнетиків, що належать до категорії слабомагнітних речо-

J

 

 

вин.

Феромагнетики мають наступні характерні влас-

JH

 

 

 

 

 

тивості.

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

 

1. Мають дуже великі значення μ і χ (μ досягає зна-

 

 

чень 104 ÷ 105). Це означає, що феромагнетики створю-

 

 

 

0

HH

H

ють сильне додаткове магнітне поле.

 

2. Величини μ і χ не залишаються сталими, а є фу-

 

 

 

B

 

 

нкціями напруженості зовнішнього поля. Тому намагні-

 

 

 

ченість J і магнітна індукція B також не пропорційні на-

 

 

 

пруженості H магнітного поля, а залежать від неї склад-

 

б)

 

ним чином (рис. 57.2).

 

 

 

 

 

Залежність намагніченості J від напруженості H

 

 

 

зовнішнього магнітного поля характеризується наявніс-

0

HH

H

тю магнітного насичення Jн, яке наступає за умов H > Hн

 

 

 

(рис. 57.2 а). Hн – напруженість насичення.

 

 

 

 

поля

Магнітна індукція B збільшується із зростанням

max

 

 

Н і при

H = Hн крива переходить

у пряму

 

 

 

 

 

 

 

в)

 

(рис. 57.2 б).

 

 

 

 

 

Залежність магнітної проникності μ від H має

 

 

 

 

a

 

 

складний характер. μа – початкова магнітна проникність.

 

 

При прагненні напруженості H до нескінченності магні-

1

 

 

0

HH

H

тна

проникність

μ асимптотичне прагне

одиниці

 

Рисунок 57.2

 

(рис. 57.2 в).

 

 

 

 

 

 

 

 

193

Електромагнетизм

3. Феромагнетикам властиве явище магнітного гістерезису. Гістерезис – явище відставання зміни B індукції магнітного поля від зміни напруженості Н змінного за величиною і напрямом зовнішнього магнітного поля.

 

 

B

1

На рис. 57.3 крива 0–1 відповідає основній

 

 

 

 

кривій намагнічування. Якщо довести намагнічу-

 

2

 

 

вання до насичення (точка 1), а потім зменшувати

 

 

 

напруженість поля, що намагнічує, то індукція B

 

Br 3

 

 

 

змінюється не за первинною кривою 0–1, а за кри-

 

0

 

H

вою 1–2. При H = 0 зберігається залишкова намаг-

 

5

ніченість, яка характеризується залишковою інду-

 

 

кцією Br .

 

 

 

Hc

 

 

4

 

 

Індукція перетворюється в нуль лише під ді-

 

 

 

 

єю поля Hc ,

що має напрям, протилежний полю,

 

 

 

 

 

 

Рисунок 57.3

 

що викликав

намагнічування. Напруженість Hc

називається коерцитивною силою. Збільшуючи зворотне поле, потім зменшуючи його і накладаючи знов позитивне поле, отримуємо, що індукція змінюється відповідно до кривої 1–2–3–4–5–1, яка називається петлею гістерезису. Перемагнічування феромагнетика пов’язано із зміною орієнтації областей спонтанної намагніченості (див. п. 6) і вимагає здійснення роботи за рахунок енергії зовнішнього магнітного поля. Кількість теплоти, що виділилася під час перемагнічуванні, пропорційно площі петлі гістерезису. Залежно від форми і площі петлі феромагнетики поділяють на:

магнітном’яки (вузька петля гістерезису Hc ~ 1÷100 А/м);

магнітножорсткі (широка петля гістерезису Hc ~ 103÷105 А/м).

Для виготовлення постійних магнітів використовують магнітножорсткі феромагнетики, для осердя трансформаторів – магнітном’яки.

4. При намагнічуванні феромагнетиків відбувається зміна їх лінійних розмірів і об’єму. Це явище називається магнітострикцією. Відносне подовження феромагнетиків досягає величини 10–5–10–2. Магнітострикція використовується в гідроакустиці, в ультразвукових технологіях, акустоелектроніці і інших галузях техніки.

5. Перераховані вище властивості феромагнітних речовин виявляються при температурах менших точки Кюрі. Точка Кюрі (Тс) температура, при якій феромагнетик втрачає свої феромагнітні властивості і стає парамагнетиком. Магнітна сприйнятливість при температурах Т>Тс підпорядковується закону Кюрі – Вейса:

χ =

C

,

(57.6)

T T

 

 

 

 

c

 

 

де С стала Кюрі.

Точка Кюрі для заліза 1063 С, для нікелю 623 С, для кобальту 1423 С, для сплаву пермалою – 823 С. За умов зниження температури нижче за точку Кюрі феромагнітні властивості відновлюються.

194

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]