19.5.3. Антиферомагнетики

Антиферомагнетики, як і феромагнетики, мають доменну структуру, однак спіни електронів усередині домену орієнтовані антипаралельно один одному. Така орієнтація охоплює попарно сусідні атоми. У результаті магнітна сприйнятливість антиферомагнетика близька до нуля – вони поводяться як украй слабкі парамагнетики. У антиферомагнетиків також існує температурна точка, вище якої відбувається руйнування доменів. Ця температура називається точкою Неєля.

Приклади антиферомагнетиків: MnO, MnS, MnF₂, FeF₂, FeCl₂, FeO, CrSb, Cr₂O₃; деякі рідкоземельні елементи тощо. Число відомих антиферомагнетиків наближається до тисячі.

19.5.4. Магнітні матеріали

Магнітні матеріали – речовини, магнітні властивості яких обумовлюють їхнє широке застосування в електротехніці, автоматиці, телемеханіці, приладобудуванні (постійні магніти, статори й ротори електричних генераторів, датчики, магнітні запам'ятовувальні пристрої).

Рис. 19.8

За здатністю намагнічування і перемагнічування магнітні матеріали підрозділяють на магнітотверді та магнітом’які матеріали. Відповідні петлі гістерезису показані на рис. 19.8, а й б.

До магнітотвердих матеріалів відносяться феро- і ферімагнетики, які намагнічуються до насичення й перемагнічуються в порівняно сильних магнітних полях напруженістю H~10³-10⁴ А/м. Ці матеріали характеризуються високими значеннями коерцитивної сили і застосовуються як постійні магніти.

До магнітом’яких матеріалів відносяться феромагнетики, які намагнічуються до насичення й перемагнічуються у відносно слабких магнітних полях напруженістю H~8–800 А/м. Ці матеріали характеризуються великими значеннями магнітної проникності _max~10³-10⁶ і малими значеннями коерцитивної сили H_c~0,8–8 А/м. Втрати енергії на перемагнічування малі, тому ці матеріали застосовують як сердечники котушок і трансформаторів.

Особливий клас представляють магнітострикційні матеріали, які застосовують для виготовлення магнітострикційних перетворювачів електромагнітної енергії в механічну, і навпаки. Магнітострикційні перетворювачі застосовуються як випромінювачі акустичних і ультразвукових хвиль, датчики тиску, фільтри, резонатори, стабілізатори частоти тощо.

20. Теорія Максвелла

20.1. Струм зміщення

В §18.3. була описана ідея Максвелла про можливість перетворення змінного магнітного поля у вихрове електричне поле. Розвиваючи цю ідею, Максвелл задався метою з'ясувати можливість зворотного перетворення, тобто перетворення змінного за часом електричного поля в магнітне.

Складемо замкнутий провідний контур (рис. 20.1, а), що складається з металевого провідника, електролітичної ванни й газорозрядної трубки. При протіканні постійного струму по цьому ланцюзі на різних її ділянках будуть відбуватися різні явища: у металевому провіднику енергія струму буде перетворюватися в джоулеву теплоту, в електролітичній ванні – у хімічну енергію, а в розрядній трубці – у світлову енергію. Загальним явищем для всіх цих ділянок кола (видів струму) буде утворення магнітного поля.

Зберемо тепер таке ж коло, включивши в нього додатково конденсатор (рис. 20.1, б). Постійний струм по такому колу протікати не може. При пропусканні змінного струму на обкладках конденсатора виникнуть заряди, які створять між його обкладками змінне електричне поле. Навколо провідників, по яких тече струм провідності, буде створюватися магнітне поле. Щоб це поле виникало навколо всього кола (не було розірвано на конденсаторі), Максвелл припустив, що навколо конденсатора також буде створюватися магнітне поле, породжене особливим видом струму – струмом зміщення. Між обкладками конденсатора струму провідності немає, зате є змінне за часом електричне поле, яке і являє собою струм зміщення.

Рис. 20.1

Знайдемо вираз для густини струму зміщення. Струм провідності в колі визначається виразом

.

Змінний у часі заряд на обкладках конденсатора

.

де  — поверхнева густина заряду; S — площа пластин конденсатора. Згідно (11.15) =_E=D, тому

.

Оскільки для послідовного з’єднання струми всіх її ділянок однакові, то I_зм=I_пр, тобто .

Таким чином, густина струму зміщення

.

Лінії струму провідності обриваються на обкладках конденсатора і переходять далі в лінії струму зміщення.

Струм провідності й струм зміщення мають одну загальну властивість – кожний з них створює навколо себе магнітне поле. Інакше кажучи, магнітне поле створюється не тільки рухомими зарядами (струмом провідності), але й змінним за часом електричним полем (струмом зміщення).

Розходження між ними наступні.

1. Струм провідності супроводжується переносом заряду, а струм зміщення – ні.

2. Струм провідності приводить до виділення джоулевої теплоти, а струм зміщення – ні.

3. Струм провідності може виникати тільки в провідних тілах (метали, напівпровідники тощо); струм зміщення виникає в будь-яких середовищах, у тому числі в діелектриках і вакуумі.

У природі існують тільки замкнені струми: там, де закінчується струм провідності, починається струм зміщення, і навпаки.

Струм провідності й пов'язане з ним магнітне поле поєднуються законом повного струму (див. (17.29)), який ми перепишемо у вигляді

.

(20.2)

де dS — площа, охоплювана замкнутим контуром l.

Максвелл узагальнив (20.2), додавши в праву частину струм зміщення:

.

(20.3)

У виразі (20.3) уведена частинна похідна , оскільки струм зміщення залежить лише від швидкості зміни потоку вектора електричного зміщення від часу й не залежить від зміни площі, охоплюваної замкнутим контуром.

Фізичний зміст рівняння (20.3) (другого рівняння Максвелла) полягає в тому, що магнітне поле створюється як струмом провідності, так і струмом зміщення.