6. МАГНЕТНИ МАТЕРИЈАЛИ

Сите супстанции се магнетни и се магнетизираат во надворешно магнетно поле.

Врз основа на нивните магнетни својства, материјалите се поделени на слабо магнетни ( дијамагнетни материјалиИ парамагнети) и високо магнетна ( феромагнетиИ феримагнети).

Дијамагнетиμ r < 1, значение которой не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Диамагнетиками являются вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие намагничивающего поля имеют магнитный момент равный нулю: водород, инертные газы, большинство органических соединений и некоторые металлы ( Cu, Zn, Ag, Au, Hg), како и ВО јас, Га, Сб.

Парамагнети– супстанции со магнетна пропустливостμ r> 1, што во слабите полиња не зависи од јачината на надворешното магнетно поле. Парамагнетните супстанции вклучуваат супстанции чии атоми (молекули) во отсуство на магнетизирачко поле имаат магнетен момент различен од нула: кислород, азотен оксид, соли на железо, кобалт, никел и елементи од ретки земји, алкални метали, алуминиум, платина.

Дијамагнетните и парамагнетните материјали имаат магнетна пропустливостμ rе блиску до единство. Примената во технологијата како магнетни материјали е ограничена.

Кај високомагнетните материјали, магнетната пропустливост е значително поголема од единството (μ r >> 1) и зависи од јачината на магнетното поле. Тие вклучуваат: железо, никел, кобалт и нивни легури, како и легури на хром и манган, гадолиниум, ферити од различен состав.

6.1. Магнетни карактеристики на материјалите

Магнетните својства на материјалите се проценуваат со физички количества наречени магнетни карактеристики.

Магнетна пропустливост

Разликувајте роднинаИ апсолутна магнетни пропустисупстанции (материјали) кои се меѓусебно поврзани со врската

μa = μ o ·μ, Gn/m

μ o- магнетна константа,μ o = 4π ·10 -7 H/m;

μ – релативна магнетна пропустливост (бездимензионална количина).

Релативната магнетна пропустливост се користи за да се опишат својствата на магнетните материјали.μ (почесто се нарекува магнетна пропустливост), а за практични пресметки се користи апсолутна магнетна пропустливостμa, пресметано со равенката

μa = ВО /Н,Гн/м

Н– интензитет на магнетизирачкото (надворешно) магнетно поле, A/m

ВО – индукција на магнетно поле во магнет.

Голема вредностμ покажува дека материјалот лесно се магнетизира во слаби и силни магнетни полиња. Магнетната пропустливост на повеќето магнети зависи од јачината на магнетното магнетно поле.

За да се карактеризираат магнетните својства, се нарекува бездимензионална количина магнетна подложност χ .

μ = 1 + χ

Температурен коефициент на магнетна пропустливост

Магнетните својства на супстанцијата зависат од температуратаμ = μ (Т) .

Да се ​​опише природата на променатамагнетни својства со температуракористете го температурниот коефициент на магнетна пропустливост.

Зависност на магнетната подложност на парамагнетните материјали од температуратаТопишан со законот на Кири

Каде В - Кири константа .

Магнетни карактеристики на феромагнети

Зависноста на магнетните својства на феромагнетите има покомплексен карактер, прикажана на сликата, и достигнува максимум на температура блиска доП До.

Температурата при која магнетната подложност нагло се намалува, речиси на нула, се нарекува температура Кири -П До. На повисоки температуриПДо процесот на магнетизација на феромагнет е нарушен поради интензивното термичко движење на атомите и молекулите и материјалот престанува да биде феромагнетен и станува парамагнетен.

За железо П k = 768 ° C, за никел П k = 358 ° В, за кобалт П k = 1131 ° В.

Над температурата на Кири, зависноста на магнетната подложност на феромагнет од температуратаТопишан со законот Кири-Вајс

Процесот на магнетизација на високомагнетни материјали (феромагнети) има хистереза. Ако демагнетизираниот феромагнет се магнетизира во надворешно поле, тој станува магнетизиран според крива на магнетизација Б = Б(Х) . Ако тогаш, почнувајќи од некоја вредностХпочнуваат да ја намалуваат јачината на полето, потоа индукцијатаБќе се намали со одредено задоцнување ( хистереза) во однос на кривата на магнетизација. Како што полето во спротивна насока се зголемува, тогаш феромагнетот се демагнетизира повторно се магнетизира, а со нова промена на правецот на магнетното поле може да се врати на почетната точка од каде што започнал процесот на демагнетизација. Резултирачката јамка прикажана на сликата се нарекува хистереза ​​јамка.

На одредена максимална напнатостНм магнетизирачко поле, супстанцијата се магнетизира до состојба на сатурација, во која индукцијата ја достигнува вредностаВО N, кој се нарекуваиндукција на сатурација.

Резидуална магнетна индукција ВОЗА – забележано во феромагнетен материјал, магнетизиран до сатурација, за време на неговата демагнетизација, кога јачината на магнетното поле е нула. За да се демагнетизира примерок од материјал, јачината на магнетното поле мора да ја промени својата насока во спротивна насока (-Н). Јачина на полетоНДО , при што индукцијата е еднаква на нула, се нарекува присилна сила(држи сила) .

Свртувањето на магнетизацијата на феромагнет во наизменичните магнетни полиња е секогаш придружено со загуби на топлинска енергија, кои се предизвикани од загуби од хистерезаИ динамични загуби. Динамичките загуби се поврзани со вртложни струи индуцирани во волуменот на материјалот и зависат од електричниот отпор на материјалот, кој се намалува како што се зголемува отпорот. Загуби од хистерезисВ во еден циклус на враќање на магнетизацијата одредено од областа на јамката на хистерезис

и може да се пресмета за единица волумен на супстанција користејќи ја емпириската формула

J/m 3

Каде η - коефициент во зависност од материјалот,Б Н – максимална индукција постигната во текот на циклусот,n– експонент еднаков на 1,6 во зависност од материјалот¸ 2.

Специфични загуби на енергија поради хистереза РГ – загубите потрошени за магнетизирање пресврт на единица маса по единица волумен на материјал во секунда.

Каде ѓ - AC фреквенција,Т– период на осцилација.

Магнетострикција

Магнетострикција – феноменот на промени во геометриските димензии и обликот на феромагнет кога се менува големината на магнетното поле, т.е. кога се магнетизираат. Релативна промена во димензиите на материјалотΔ л/ лможе да биде позитивен и негативен. За никел, магнетострикцијата е помала од нула и достигнува вредност од 0,004%.

Во согласност со принципот на Ле Шателје за отпорност на системот на влијанието на надворешните фактори кои сакаат да ја променат оваа состојба, механичката деформација на феромагнетот, што доведува до промена на неговата големина, треба да влијае на магнетизацијата на овие материјали.

Ако, за време на магнетизацијата, телото доживее намалување на неговата големина во дадена насока, тогаш примената на механички притисок на притисок во оваа насока промовира магнетизација, а истегнувањето ја отежнува магнетизацијата.

6.2. Класификација на феромагнетни материјали

Сите феромагнетни материјали се поделени во две групи врз основа на нивното однесување во магнетно поле.

Мека магнетна – со висока магнетна пропустливостμ и ниска присилна силаНДО< 10А/м. Тие лесно се магнетизираат и демагнетизираат. Имаат ниски загуби на хистерезис, т.е. тесен циклус на хистерезис.

Магнетните карактеристики зависат од хемиската чистота и степенот на искривување на кристалната структура. Колку помалку нечистотии(СО, Р, S, O, N) , колку е повисоко нивото на карактеристики на материјалот, затоа е неопходно да се отстранат тие и оксидите при производството на феромагнет и да се обиде да не ја наруши кристалната структура на материјалот.

Тврди магнетни материјали - имаат одличноНК > 0,5 MA/m и резидуална индукција (ВОЗА ≥ 0,1 Т). Тие одговараат на широка јамка на хистерезис. Тие се магнетизираат со голема тешкотија, но можат да ја задржат магнетната енергија неколку години, т.е. служат како извор на постојано магнетно поле. Затоа, од нив се прават постојани магнети.

Според нивниот состав, сите магнетни материјали се поделени на:

· метал;

· неметални;

· магнетодиелектрика.

Метални магнетни материјали - тоа се чисти метали (железо, кобалт, никел) и магнетни легури на некои метали.

До неметални материјали вклучуваат ферити,добиени од прашоци од железни оксиди и други метали. Се притискаат и се палат на 1300 - 1500 °C и се претвораат во цврсти монолитни магнетни делови. Феритите, како металните магнетни материјали, можат да бидат меки магнетни или тврдо магнетни.

Магнетодиелектрика – ова се композитни материјали од 60–80% прашкаст магнетен материјал и 40–20% органски диелектрик. Ферити и магнетодиелектрикаимаат висока електрична отпорност (ρ = 10 ÷ 10 8 Ohm m), високата отпорност на овие материјали обезбедува ниски динамички загуби на енергија во наизменичните електромагнетни полиња и им овозможува широка употреба во технологијата со висока фреквенција.

6.3. Метални магнетни материјали

6.3.1. Метал мека магнетна материјали

Металните меки магнетни материјали вклучуваат карбонилно железо, пермалој, алсифер и нискојаглероден силициум челик.

Карбонилно железо – добиени со термичко разложување на железна пентакарбонилна течностФ д( CO) 5 да се добијат честички од чисто железо во прав:

Ф д( CO ) 5 → Fe+ 5 СО,

на температура од околу 200°Cи притисок 15 MPa. Железните честички имаат сферична форма со големина од 1 – 10 микрони. За да се отстранат честичките од јаглерод, железото во прав се подложува на термичка обработка во срединаН 2 .

Магнетната пропустливост на карбонилното железо достигнува 20000, силата на принуда е 4,5¸ 6,2А/м. Железниот прав се користи за производство на висока фреквенција магнетодиелектричнијадра, како полнење во магнетни ленти.

Пермали -дуктилни легури на железо-никел. За да ги подобрите својствата, додадетеМо, СО р, Cu, производство на допирани пермалоли. Имаат висока еластичност и лесно се тркалаат во листови и ленти до 1 микрон.

Ако содржината на никел во пермали е 40 - 50%, тогаш се нарекува ниско-никел, ако 60 - 80% - високо-никел.

Постојаните легури имаат високо ниво на магнетни карактеристики, што е обезбедено не само со составот и високата хемиска чистота на легурата, туку и со посебен термички вакуумски третман. Трајните легури имаат многу високо ниво на почетна магнетна пропустливост од 2000 до 30000 (во зависност од составот) во областа на слабите полиња, што се должи на малата големина на магнетострикција и изотропија на магнетните својства. Supermalloy има особено високи карактеристики, чија почетна магнетна пропустливост е 100.000, а максималната достигнува 1,5· 10 6 во Б= 0,3 Т.

Permalloy се испорачува во форма на ленти, листови и прачки. Постојаните легури со ниска содржина на никел се користат за производство на индукторски јадра, трансформатори со мала големина и магнетни засилувачи, високо-никелпермали – за делови за опрема кои работат на звучни и суперсонични фреквенции. Магнетните карактеристики на вечните легури се стабилни на –60 +60°С.

Алсифера – неиздржлива кревкалегури со состав Ал - Си– Фе , кој се состои од 5,5 – 13%Ал, 9 – 10 % Си, останатото е железо. Алсифер е сличен по својства на пермалоли, но е поевтин. Од него се направени лиени јадра, се леат магнетни екрани и други шупливи делови со дебелина на ѕидот од најмалку 2 - 3 mm. Кршливоста на алсиферот ги ограничува неговите области на примена. Искористувајќи ја кревкоста на алсиферот, тој се меле во прав, кој се користи како феромагнетно полнење при пресување со висока фреквенција. магнетодиелектрика(јадра, прстени).

Силиконски нискојаглероден челик (електричен челик) -легура на железо и силициум (0,8 - 4,8%Си). Главниот мек магнетен материјал за масовна употреба. Лесно се витка во листови и ленти од 0,05 - 1 мм и е евтин материјал. Силиконот, кој се наоѓа во челик во растворена состојба, врши две функции.

· Со зголемување на отпорноста на челикот, силиконот предизвикува намалување на динамичките загуби поврзани со вртложни струи. Отпорот се зголемува порадиформирање силициум диоксид SiO 2 како резултат на реакцијата

2 FeO + С и→ 2Fe+ SiO 2 .

· Присуството на силициум растворен во челик го промовира распаѓањето на цементитот Fe 3 C – штетни нечистотии кои ги намалуваат магнетните карактеристики и ослободување на јаглерод во форма на графит. Во овој случај, се формира чисто железо, чиј раст на кристали го зголемува нивото на магнетни карактеристики на челикот.

Не се препорачува внесување силициум во челик во количина поголема од 4,8%, бидејќи, додека помага да се подобрат магнетните карактеристики, силиконот нагло ја зголемува кршливоста на челикот и ги намалува неговите механички својства.

6.3.2. Метални тврди магнетни материјали

Цврсти магнетни материјали - ова се феромагнети со висока принудна сила (повеќе од 1 kA/m) и голема вредност на резидуална магнетна индукцијаВОЗА. Се користи за производство на постојани магнети.

Во зависност од составот, состојбата и начинот на производство, тие се поделени на:

· легирани мартензитни челици;

· леани тврди магнетни легури.

Легирани мартензитни челици – се работи за јаглеродни челици и легирани челициКр, W, Co, Mo . Јаглерод челикот брзо старееи ги менуваат нивните својства, па затоа ретко се користат за производство на постојани магнети. За производство на постојани магнети, се користат легирани челици - волфрам и хром (Н C ≈ 4800 A/m,ВОО ≈ 1 Т), кои се произведени во форма на прачки со различни форми на пресек. Кобалтниот челик има поголема принудност (Н C ≈ 12000 A/m,ВОО ≈ 1 Т) во споредба со волфрам и хром. Присилна сила НСО кобалтниот челик се зголемува со зголемување на содржината СОО .

Леани тврди магнетни легури. Подобрените магнетни својства на легурите се должат на специјално избраниот состав и посебен третман - ладење на магнетите по леење во силно магнетно поле, како и посебна повеќестепена термичка обработка во форма на гаснење и калење во комбинација со магнетно третман, наречен дисперзивен стврднување.

За производство на постојани магнети се користат три главни групи на легури:

· Легура на железо-кобалт-молибден тип ремалојсо присилна силаН K = 12 – 18 kA/m.

· Група легура:

§ бакар - никел - железо;

§ бакар – никел – кобалт;

§ железо - манган, легираниалуминиум или титаниум;

§ железо – кобалт – ванадиум (Фд– Ко – V).

Легурата бакар - никел - железо се нарекува куниф (СО u– Ни - Fe). Легура Фд– Ко – В (железо - кобалт - ванадиум) се нарекува викала . Легурите од оваа група имаат принудна сила НДО = 24 – 40 kA/m. Достапен во форма на жица и лим.

· Систем за легури железо – никел – алуминиум(Фд – Ни– Ал), претходно познат како легура ални. Легурата содржи 20 - 33% Ni + 11 – 17% Al, останатото е железо. Додавањето на кобалт, бакар, титаниум, силициум и ниобиум во легурите ги подобрува нивните магнетни својства, ја олеснува технологијата на производство, обезбедува повторливост на параметрите и ги подобрува механичките својства. Модерното обележување на брендот содржи букви што ги означуваат додадените метали (Y - алуминиум, N - никел, D - бакар, K - кобалт, T - титаниум, B - ниобиум, C - силикон), броеви - содржината на елементот, чија буква се појавува пред бројот, на пример, UNDC15.

Легурите имаат висока вредност на принуда НДО = 40 – 140 kA/m и голема складирана магнетна енергија.

6.4. Неметални магнетни материјали. Ферити

Феритите се керамички феромагнетни материјали со ниска електронска спроводливост. Ниската електрична спроводливост во комбинација со високите магнетни карактеристики овозможува феритите да бидат широко користени на високи фреквенции.

Феритите се направени од прашкаста смеса која се состои од железен оксид и специјално избрани оксиди на други метали. Тие се пресуваат и потоа се синтеруваат на високи температури. Општата хемиска формула е:

MeO Fe 2 O 3 или MeFe 2 O 4,

Каде Мехсимбол на двовалентен метал.

На пример,

ZnO Fe 2 O 3 или

NiO Fe 2 O 3 или NiFe 2 О 4

Феритите имаат кубна решетка од типот на спинелMgOAl 2 О 3 - магнезиум алуминат.Не сите ферити се магнетни. Присуството на магнетни својства е поврзано со распоредот на металните јони во кубната спинелска решетка. Значи системотZnFe 2 О 4 нема феромагнетни својства.

Феритите се произведуваат со употреба на керамичка технологија. Оригиналните метални оксиди во прав се мелат во топчести мелници, се пресуваат и се палат во печки. Синтеруваните брикети се мелат во ситен прашок и се додава пластификатор, на пример раствор од поливинил алкохол. Од добиената маса, се притискаат феритни производи - јадра, прстени, кои се отпуштаат во воздух на 1000 - 1400 ° C. Добиените тврди, кршливи, главно црни производи може да се обработат само со мелење и полирање.

Мека магнетна ферити

Мека магнетнаФеритите се широко користени во областа на високофреквентната електроника и изработката на инструменти за производство на филтри, трансформатори за ниски и високи фреквентни засилувачи, антени за радио преносни и приемни уреди, импулсни трансформатори и магнетни модулатори. Индустријата ги произведува следниве видови меки магнетни ферити со широк спектар на магнетни и електрични својства: никел - цинк, манган - цинк и литиум - цинк. Горната гранична фреквенција на употреба на ферити зависи од нивниот состав и варира за различни типови ферити од 100 kHz до 600 MHz, присилната сила е околу 16 A / m.

Предноста на феритите е стабилноста на магнетните карактеристики и релативната леснотија на производство на радио компоненти. Како и сите феромагнетни материјали, феритите ги задржуваат своите магнетни својства само до температурата на Кири, која зависи од составот на феритите и се движи од 45 ° до 950 ° C.

Цврсти магнетни ферити

За производство на постојани магнети, се користат тврди магнетни ферити; бариумските ферити се најшироко користени (VaO 6 Fe 2 O 3 ). Тие имаат хексагонална кристална структура со големиНДО . Бариумските ферити се поликристален материјал. Тие можат да бидат изотропни - истите својства на феритот во сите правци се должат на фактот што кристалните честички се ориентирани произволно. Ако при процесот на притискање на магнети прашкастата маса биде изложена на надворешно магнетно поле со висок интензитет, тогаш кристалните феритни честички ќе бидат ориентирани во една насока, а магнетот ќе биде анизотропен.

Бариумските ферити се карактеризираат со добра стабилност на нивните карактеристики, но се чувствителни на температурни промени и механички стрес. Магнетите со бариум феритни се евтини.

6.5. Магнетодиелектрика

Магнетодиелектрика - ова се композитни материјали што се состојат од фини честички на мек магнетен материјал врзани меѓу себе со органски или неоргански диелектрик. Како меки магнетни материјали се користат карбонилното железо, алсиферот и некои видови пермалоли, згмечени до состојба на прав.

Како диелектрици се користат полистирен, бакелитни смоли, течно стакло и др.

Целта на диелектрикот не е само да ги поврзе честичките од магнетниот материјал, туку и да ги изолира едни од други и, следствено, нагло да ја зголеми вредноста на електричната отпорност. магнетодиелектрични. Електрична отпорнострмагнетодиелектрикае 10 3 – 10 4 Ом× м

Магнетодиелектрикасе користи за производство на јадра за компоненти на високофреквентна радио опрема. Процесот на производство на производи е поедноставен отколку од ферити, бидејќи тие не бараат високотемпературна термичка обработка. Производи од магнетодиелектрикаТие се карактеризираат со висока стабилност на магнетните својства, висока класа на чистота на површината и прецизност на димензиите.

Магнетодиелектриците исполнети со молибден пермалоли или карбонил железо имаат највисоки магнетни карактеристики.

Магнетиката

Сите супстанции во магнетното поле се магнетизираат (во нив се појавува внатрешно магнетно поле). Во зависност од големината и насоката на внатрешното поле, супстанциите се поделени на:

1) дијамагнетни материјали,

2) парамагнетни материјали,

3) феромагнети.

Магнетизацијата на супстанцијата се карактеризира со магнетна пропустливост,

Магнетна индукција во материјата,

Магнетна индукција во вакуум.

Секој атом може да се карактеризира со магнетен момент .

Јачината на струјата во колото, - областа на колото, - нормалниот вектор на површината на колото.

Микрострујата на атомот се создава со движење на негативни електрони во орбитата и околу сопствената оска, како и со ротација на позитивното јадро околу сопствената оска.

1. Дијамагнети.

Кога нема надворешно поле, во атомите дијамагнетни материјалисе компензираат струите на електроните и јадрата. Вкупната микроструја на атомот и неговиот магнетен момент се еднакви на нула.

Во надворешно магнетно поле, елементарните струи кои не се нула се индуцирани (индуцирани) во атомите. Магнетните моменти на атомите се ориентирани во спротивна насока.

Се создава мало свое поле, насочено спротивно на надворешното, слабеејќи го.

Во дијамагнетни материјали.

Бидејќи< , то для диамагнетиков 1.

2. Парамагнети

ВО парамагнетимикроструи на атомите и нивните магнетни моменти не се еднакви на нула.

Без надворешно поле, овие микроструи се наоѓаат хаотично.

Во надворешното магнетно поле, микроструи на парамагнетни атоми се ориентирани долж полето, зголемувајќи го.

Во парамагнетниот материјал, магнетната индукција = + малку го надминува .

За парамагнети, 1. За дија- и парамагнети, можеме да претпоставиме 1.

Табела 1. Магнетна пропустливост на пара- и дијамагнетни материјали.

Магнетизацијата на парамагнетните материјали зависи од температурата, бидејќи Термичкото движење на атомите го спречува нарачаното распоредување на микроструи.

Повеќето супстанции во природата се парамагнетни.

Внатрешното магнетно поле кај дија- и парамагнетите е незначително и се уништува ако супстанцијата се отстрани од надворешното поле (атомите се враќаат во првобитната состојба, супстанцијата се демагнетизира).

3. Феромагнети

Магнетна пропустливост феромагнетидостигнува стотици илјади и зависи од големината на магнетизирачкото поле ( високо магнетни супстанции).

Феромагнети: железо, челик, никел, кобалт, нивни легури и соединенија.

Во феромагнетите, постојат региони на спонтана магнетизација („домени“) во кои сите атомски микроструи се ориентирани на ист начин. Големината на доменот достигнува 0,1 мм.

Во отсуство на надворешно поле, магнетните моменти на поединечните домени се случајно ориентирани и компензирани. Во надворешно поле, оние домени во кои микроструите го подобруваат надворешното поле ја зголемуваат нивната големина на сметка на соседните. Добиеното магнетно поле = + кај феромагнетите е многу посилно во споредба со пара- и дијамагнетните материјали.

Домените што содржат милијарди атоми имаат инерција и не се враќаат брзо во првобитната неуредна состојба. Затоа, ако феромагнет се отстрани од надворешното поле, тогаш неговото сопствено поле останува долго време.

Магнетот се демагнетизира при долгорочно складирање (со текот на времето, домените се враќаат во хаотична состојба).

Друг метод на демагнетизација е загревањето. За секој феромагнет постои температура (тоа се нарекува „точка на Кири“) на која се уништуваат врските помеѓу атомите во домените. Во овој случај, феромагнетот се претвора во парамагнет и доаѓа до демагнетизација. На пример, точката Кири за железо е 770°C.

Магнетна пропустливост. Магнетни својства на супстанциите

Магнетни својства на супстанциите

Како што електричните својства на супстанцијата се карактеризираат со диелектрична константа, магнетните својства на супстанцијата се карактеризираат со магнетна пропустливост.

Поради фактот што сите супстанции лоцирани во магнетно поле создаваат сопствено магнетно поле, векторот на магнетна индукција во хомогена средина се разликува од векторот во истата точка во просторот во отсуство на медиум, т.е. во вакуум.

Врската се вика магнетна пропустливост на медиумот.

Значи, во хомогена средина, магнетната индукција е еднаква на:

Вредноста на m за железо е многу голема. Ова може да се потврди со искуство. Ако вметнете железно јадро во долг калем, тогаш магнетната индукција, според формулата (12.1), ќе се зголеми m пати. Следствено, флуксот на магнетна индукција ќе се зголеми за иста количина. Кога ќе се отвори колото што ја напојува магнетизирачката калем со директна струја, се појавува индукциона струја во втората, мала намотка намотана на врвот на главната, која се снима со галванометар (сл. 12.1).

Ако во серпентина се вметне железно јадро, тогаш отклонувањето на иглата на галванометарот кога ќе се отвори колото ќе биде m пати поголемо. Мерењата покажуваат дека магнетниот тек кога железото јадро се внесува во серпентина може да се зголеми илјадници пати. Следствено, магнетната пропустливост на железото е огромна.

Постојат три главни класи на супстанции со остро различни магнетни својства: феромагнети, парамагнети и дијамагнетни материјали.

Феромагнети

Супстанциите за кои, како железото, m >> 1, се нарекуваат феромагнети. Покрај железото, кобалтот и никелот се феромагнетни, како и голем број на ретки земјени елементи и многу легури. Најважното својство на феромагнетите е постоењето на резидуален магнетизам. Феромагнетната супстанција може да биде во магнетизирана состојба без надворешно магнетизирачко поле.

Железен предмет (на пример, прачка), како што е познато, се вовлекува во магнетно поле, односно се движи во област каде што магнетната индукција е поголема. Соодветно на тоа, тој е привлечен од магнет или електромагнет. Ова се случува затоа што елементарните струи во железото се ориентирани така што насоката на магнетната индукција на нивното поле се совпаѓа со насоката на индукцијата на полето за магнетизирање. Како резултат на тоа, железната прачка се претвора во магнет, чиј најблизок пол е спротивен на полот на електромагнетот. Спротивните полови на магнети се привлекуваат (сл. 12.2).

Ориз. 12.2

СТОП! Одлучете сами: А1–А3, Б1, Б3.

Парамагнети

Постојат супстанции кои се однесуваат како железо, односно се вовлекуваат во магнетно поле. Овие супстанции се нарекуваат парамагнетни. Тие вклучуваат некои метали (алуминиум, натриум, калиум, манган, платина, итн.), кислород и многу други елементи, како и разни раствори на електролити.

Бидејќи парамагнетите се вовлекуваат во полето, индукциските линии на сопственото магнетно поле што го создаваат и полето за магнетизирање се насочени на ист начин, така што полето се зголемува. Така, тие имаат m > 1. Но, m се разликува од единството исклучително малку, само за износ од редот од 10 –5 ...10 –6. Затоа, потребни се моќни магнетни полиња за набљудување на парамагнетните феномени.

Дијамагнети

Посебна класа на супстанции се дијамагнетни материјали, откриен од Фарадеј. Тие се истиснати од магнетното поле. Ако закачите дијамагнетна прачка во близина на столбот на силен електромагнет, таа ќе биде одбиена од неа. Следствено, индукциските линии на полето создадено од него се насочени спротивно на индукционите линии на магнетизирачкото поле, односно полето е ослабено (сл. 12.3). Според тоа, за дијамагнетни материјали м< 1, причем отличается от единицы на вели­чину порядка 10 –6 . Магнитные свойства у диамагнетиков вы­ражены слабее, чем у парамагнетиков.

Магнетна пропустливост- физичка количина, коефициент (во зависност од својствата на медиумот) што ја карактеризира врската помеѓу магнетната индукција Б (\стил на приказ (Б))и јачината на магнетното поле H (\displaystyle (H))во материјата. Овој коефициент е различен за различни медиуми, така што тие зборуваат за магнетна пропустливост на одреден медиум (се мисли на неговиот состав, состојба, температура итн.).

Прво најдено во делото на Вернер-Сименс од 1881 година „Beiträge zur Theorie des Elektromagnetismus“ („Придонес кон теоријата на електромагнетизмот“).

Обично се означува со грчко писмо μ (\displaystyle \mu). Може да биде или скалар (за изотропни супстанции) или тензор (за анизотропни супстанции).

Генерално, односот помеѓу магнетната индукција и јачината на магнетното поле преку магнетна пропустливост е воведен како

B → = μ H → , (\приказ (\vec (B))=\mu (\vec (H)),)

И μ (\displaystyle \mu)во општ случај, ова треба да се разбере како тензор, кој во нотацијата на компонентата одговара на:

B i = μ i j H j (\приказ на стил \B_(i)=\mu _(ij)H_(j))

За изотропни супстанции односот:

B → = μ H → (\приказ (\vec (B))=\mu (\vec (H)))

може да се разбере во смисла на множење на вектор со скалар (магнетната пропустливост во овој случај е намалена на скалар).

Често ознаката μ (\displaystyle \mu)се користи поинаку отколку овде, имено за релативна магнетна пропустливост (во овој случај μ (\displaystyle \mu)се совпаѓа со тоа во GHS).

Димензијата на апсолутната магнетна пропустливост во SI е иста како и димензијата на магнетната константа, односно Gn / или / 2.

Релативната магнетна пропустливост во SI е поврзана со магнетната подложност χ со релацијата

μ r = 1 + χ , (\приказ стил \mu _(r)=1+\chi ,)

Енциклопедиски YouTube

• 1 / 5

  Огромното мнозинство на супстанции припаѓаат или на класата на дијамагнети ( μ ⪅ 1 (\стил на приказ \mu \неприближно 1)), или во класата на парамагнети ( μ ⪆ 1 (\displaystyle \mu \gtrapprox 1)). Но, голем број супстанции (феромагнети), на пример железото, имаат поизразени магнетни својства.

  Кај феромагнетите, поради хистереза, концептот на магнетна пропустливост, строго кажано, не е применлив. Меѓутоа, во одреден опсег на промени во полето за магнетизирање (така што може да се занемари преостанатата магнетизација, но пред заситеноста), сè уште е можно, со подобра или полоша апроксимација, оваа зависност да се прикаже како линеарна (и за мека магнетна материјалите долната граница може да не е премногу значајна во пракса), и во оваа смисла, за нив може да се измери и вредноста на магнетната пропустливост.

  Магнетна пропустливост на некои супстанции и материјали

  Магнетна подложност на некои супстанции

  Магнетна подложност и магнетна пропустливост на некои материјали

  Средно	Подложност χ m (волумен, SI)	Пропустливост μ [H/m]	Релативна пропустливост μ/μ 0	Магнетно поле	Максимална фреквенција
  Метглас (англиски) Метглас)		1,25	1 000 000	во 0,5 Т	100 kHz
  Наноперм Наноперм)		10 × 10 -2	80 000	во 0,5 Т	10 kHz
  Му метал		2,5 × 10 -2	20 000	во 0,002 Т
  Му метал			50 000
  Пермалој		1,0 × 10 -2	70 000	во 0,002 Т
  Електричен челик		5,0 × 10 -3	4000	во 0,002 Т
  Ферит (никел-цинк)		2,0 × 10 -5 - 8,0 × 10 -4	16-640		100 kHz ~ 1 MHz [ ]
  Ферит (манган-цинк)		>8,0 × 10 -4	640 (или повеќе)		100 kHz ~ 1 MHz
  Челик		8,75×10 -4	100	во 0,002 Т
  Никел		1,25×10 -4	100 - 600	во 0,002 Т
  Неодимиумски магнет			1.05	до 1,2-1,4 Т
  Платина		1,2569701 × 10 -6	1,000265
  Алуминиум	2,22×10 -5	1,2566650 × 10 -6	1,000022
  Дрво			1,00000043
  Воздух			1,00000037
  Бетон			1
  Вакуум	0	1,2566371 × 10 -6 (μ 0)	1
  Водород	-2,2 × 10 -9	1,2566371 × 10 -6	1,0000000
  Тефлон		1,2567 × 10 -6	1,0000
  Сафир	-2,1 × 10 -7	1,2566368 × 10 -6	0,99999976
  Бакар	-6,4 × 10 -6 или -9,2 × 10 -6	1,2566290 × 10 -6	0,999994

  Бројни експерименти покажуваат дека сите супстанции сместени во магнетно поле се магнетизирани и создаваат сопствено магнетно поле, чие дејство се додава на дејството на надворешното магнетно поле:

  $$\boldsymbol(\vec(B)=(\vec(B))_(0)+(\vec(B))_(1))$$

  каде $\boldsymbol(\vec(B))$ е индукција на магнетното поле во супстанцијата; $\boldsymbol((\vec(B))_(0))$ - магнетна индукција на полето во вакуум, $\boldsymbol((\vec(B))_(1))$ - магнетна индукција на полето што произлегува поради магнетизацијата на материјата . Во овој случај, супстанцијата може или да го зајакне или ослабне магнетното поле. Влијанието на супстанцијата врз надворешното магнетно поле се карактеризира со големината μ , кој се нарекува магнетна пропустливост на супстанција

  $$ \boldsymbol(\mu =\frac(B)((B)_(0)))$$

  • Магнетна пропустливост е физичка скаларна големина која покажува колку пати индукцијата на магнетното поле во дадена супстанција се разликува од индукцијата на магнетното поле во вакуум.

  Сите супстанции се составени од молекули, молекулите се составени од атоми. Електронските обвивки на атомите може конвенционално да се смета дека се состојат од кружни електрични струи формирани од подвижни електрони. Кружните електрични струи во атомите мора да создадат свои магнетни полиња. Електричните струи мора да бидат под влијание на надворешно магнетно поле, како резултат на што може да се очекува или зголемување на магнетното поле кога атомските магнетни полиња се усогласени со надворешното магнетно поле, или слабеење кога се во спротивна насока.
  Хипотеза за постоење на магнетни полиња во атомитеа можноста за промена на магнетното поле во материјата е сосема вистинита. Сите супстанции со дејство на надворешно магнетно поле врз нивможе да се подели во три главни групи: дијамагнетни, парамагнетни и феромагнетни.

  Дијамагнетисе нарекуваат супстанции кај кои надворешното магнетно поле е ослабено. Ова значи дека магнетните полиња на атомите на таквите супстанции во надворешното магнетно поле се насочени спротивно од надворешното магнетно поле (µ< 1). Изменение магнитного поля даже в самых сильных диамагнетиках составляет лишь сотые доли процента. Например, висмут обладает магнетна пропустливост µ = 0,999826.

  Да се ​​разбере природата на дијамагнетизмотразгледајте го движењето на електронот што лета со брзина v во еднообразно магнетно поле нормално на векторот ВО магнетно поле.

  Под влијание Силите на Лоренцелектронот ќе се движи во круг, насоката на неговата ротација се одредува со насоката на векторот на силата Лоренц. Резултирачката кружна струја создава сопствено магнетно поле ВО" . Ова е магнетно поле ВО" насочен спротивно на магнетното поле ВО. Следствено, секоја супстанција што содржи наелектризирани честички што се движат слободно мора да има дијамагнетни својства.
  Иако електроните во атомите на супстанцијата не се слободни, промената во нивното движење внатре во атомите под влијание на надворешното магнетно поле излегува дека е еквивалентно на кружното движење на слободните електрони. Затоа, секоја супстанција во магнетно поле нужно има дијамагнетни својства.
  Меѓутоа, дијамагнетните ефекти се многу слаби и се наоѓаат само во супстанции чии атоми или молекули немаат свое магнетно поле. Примери на дијамагнетни материјали се олово, цинк, бизмут (μ = 0,9998).

  Првото објаснување за причините зошто телата имаат магнетни својства е дадено од Анри Ампер (1820). Според неговата хипотеза, елементарните електрични струи циркулираат во молекулите и атомите, кои ги одредуваат магнетните својства на секоја супстанција.

  Да ги разгледаме причините за магнетизмот на атомите подетално:

  Ајде да земеме цврста супстанција. Неговата магнетизација е поврзана со магнетните својства на честичките (молекули и атоми) од кои е составен. Ајде да размислиме кои струјни кола се можни на микро ниво. Магнетизмот на атомите се должи на две главни причини:

  1) движењето на електроните околу јадрото во затворени орбити ( орбитален магнетен момент) (сл. 1);

  

  

  Ориз. 2

  2) внатрешната ротација (спин) на електроните ( спин магнетен момент) (сл. 2).

  За љубопитните. Магнетниот момент на колото е еднаков на производот на струјата во колото и областа покриена со колото. Нејзината насока се совпаѓа со насоката на векторот на индукција на магнетното поле во средината на струјното коло.

  Бидејќи орбиталните рамнини на различни електрони во атомот не се совпаѓаат, векторите на индукција на магнетното поле создадени од нив (орбитални и спин магнетни моменти) се насочени под различни агли еден кон друг. Резултирачкиот индукциски вектор на атом на повеќе електрони е еднаков на векторскиот збир на векторите на полето на индукција создадени од поединечни електрони. Атомите со делумно пополнети електронски обвивки имаат некомпензирани полиња. Во атомите со пополнети електронски обвивки, добиениот индукциски вектор е 0.

  Во сите случаи, промената на магнетното поле е предизвикана од појавата на струи на магнетизација (се забележува феномен на електромагнетна индукција). Со други зборови, принципот на суперпозиција за магнетното поле останува валиден: полето во магнетот е суперпозиција на надворешното поле $\boldsymbol((\vec(B))_(0))$ и полето $\boldsymbol (\vec(B"))$ на магнетизирачки струи јас" , кои произлегуваат под влијание на надворешно поле. Ако полето на струите на магнетизација е насочено на ист начин како надворешното поле, тогаш индукцијата на вкупното поле ќе биде поголема од надворешното поле (слика 3, а) - во овој случај велиме дека супстанцијата го засилува полето ; ако полето на магнетизирачките струи е насочено спротивно на надворешното поле, тогаш вкупното поле ќе биде помало од надворешното поле (слика 3, б) - токму во оваа смисла велиме дека супстанцијата го ослабува магнетното поле.

  

  Ориз. 3

  ВО дијамагнетни материјалимолекулите немаат свое магнетно поле. Под влијание на надворешно магнетно поле во атомите и молекулите, полето на струите на магнетизација е насочено спротивно на надворешното поле, затоа модулот на векторот на магнетната индукција $ \boldsymbol(\vec(B))$ на добиеното поле ќе да биде помал од модулот на векторот на магнетна индукција $ \boldsymbol((\vec(B ))_(0)) $ надворешно поле.

  Супстанциите во кои надворешното магнетно поле е засилено како резултат на додавање на електронските обвивки на атомите на супстанцијата во магнетните полиња поради ориентацијата на атомските магнетни полиња во насока на надворешното магнетно поле се нарекуваат парамагнетни(µ > 1).

  Парамагнетимногу слабо го подобрува надворешното магнетно поле. Магнетната пропустливост на парамагнетните материјали се разликува од единството само за дел од процентот. На пример, магнетната пропустливост на платината е 1,00036. Поради многу малите вредности на магнетната пропустливост на парамагнетните и дијамагнетните материјали, нивното влијание врз надворешното поле или ефектот на надворешното поле на парамагнетни или дијамагнетни тела е многу тешко да се открие. Затоа, во обичната секојдневна практика, во технологијата, парамагнетните и дијамагнетните супстанции се сметаат за немагнетни, односно супстанции кои не го менуваат магнетното поле и не се под влијание на магнетното поле. Примери на парамагнетни материјали се натриум, кислород, алуминиум (μ = 1,00023).

  ВО парамагнетимолекулите имаат свое магнетно поле. Во отсуство на надворешно магнетно поле, поради термичко движење, индукциските вектори на магнетните полиња на атомите и молекулите се случајно ориентирани, па нивната просечна магнетизација е нула (сл. 4, а). Кога надворешното магнетно поле се применува на атомите и молекулите, моментот на сила почнува да дејствува, со тенденција да ги ротира така што нивните полиња се ориентирани паралелно со надворешното поле. Ориентацијата на парамагнетните молекули води до фактот дека супстанцијата е магнетизирана (слика 4, б).

  

  Ориз. 4

  Целосната ориентација на молекулите во магнетно поле е спречена со нивното термичко движење, па затоа магнетната пропустливост на парамагнетните материјали зависи од температурата. Очигледно е дека со зголемување на температурата магнетната пропустливост на парамагнетните материјали се намалува.

  Феромагнети

  Супстанциите кои значително го подобруваат надворешното магнетно поле се нарекуваат феромагнети(никел, железо, кобалт, итн.). Примери за феромагнети се кобалт, никел, железо (μ достигнува вредност од 8·10 3).

  Самото име на оваа класа на магнетни материјали доаѓа од латинското име за железо - Ferrum. Главната карактеристика на овие супстанции е способноста да се одржи магнетизација во отсуство на надворешно магнетно поле; сите постојани магнети припаѓаат на класата на феромагнети. Покрај железото, неговите „соседи“ на периодниот систем - кобалт и никел - имаат феромагнетни својства. Феромагнетните материјали наоѓаат широка практична примена во науката и технологијата, па затоа, развиен е значителен број легури кои имаат различни феромагнетни својства.

  Сите дадени примери на феромагнети се однесуваат на метали од преодната група, чија електронска обвивка содржи неколку неспарени електрони, што доведува до фактот дека овие атоми имаат свое значајно магнетно поле. Во кристална состојба, поради интеракцијата помеѓу атомите во кристалите, се јавуваат области на спонтана магнетизација - домени. Димензиите на овие области се десетти и стотинки од милиметар (10 -4 − 10 -5 m), што значително ја надминува големината на поединечен атом (10 -9 m). Во еден домен, магнетните полиња на атомите се ориентирани строго паралелно; ориентацијата на магнетните полиња на другите домени во отсуство на надворешно магнетно поле произволно се менува (сл. 5).

  

  Ориз. 5

  Така, дури и во немагнетизирана состојба, постојат силни магнетни полиња во феромагнет, чија ориентација се менува на случаен, хаотичен начин за време на преминот од еден домен во друг. Ако димензиите на телото значително ги надминуваат димензиите на поединечните домени, тогаш просечното магнетно поле создадено од домените на ова тело е практично отсутно.

  Ако поставите феромагнет во надворешно магнетно поле Б 0 , тогаш магнетните моменти на домените почнуваат да се преуредуваат. Сепак, механичка просторна ротација на делови од супстанцијата не се јавува. Процесот на враќање на магнетизацијата е поврзан со промена на движењето на електроните, но не и со промена на положбата на атомите во јазлите на кристалната решетка. Домените кои имаат најповолна ориентација во однос на насоката на полето ја зголемуваат својата големина на сметка на соседните „погрешно ориентирани“ домени, апсорбирајќи ги. Во овој случај, полето во супстанцијата значително се зголемува.

  Својства на феромагнетите

  1) феромагнетните својства на супстанцијата се појавуваат само кога се наоѓа соодветната супстанција В кристална состојба ;

  2) магнетните својства на феромагнетите силно зависат од температурата, бидејќи ориентацијата на магнетните полиња на домените е спречена со термичко движење. За секој феромагнет постои одредена температура на која структурата на доменот е целосно уништена и феромагнетот се претвора во парамагнет. Оваа температурна вредност се нарекува Кјури точка . Така, за чисто железо, температурата на Кири е приближно 900°C;

  3) феромагнетите се магнетизираат до заситувањево слаби магнетни полиња. Слика 6 покажува како се менува модулот на индукција на магнетното поле Б во челик со промена на надворешното поле Б 0 :

  

  Ориз. 6

  4) магнетната пропустливост на феромагнет зависи од надворешното магнетно поле (сл. 7).

  

  Ориз. 7

  Ова се објаснува со фактот дека првично, со зголемување Б 0 магнетна индукција Б расте посилно, и затоа μ ќе се зголеми. Потоа, на вредноста на магнетната индукција Б" 0 се јавува заситеност (μ во овој момент е максимална) и со дополнително зголемување Б 0 магнетна индукција Б 1 во супстанцијата престанува да се менува, а магнетната пропустливост се намалува (се стреми кон 1):

  $$\boldsymbol(\mu = \frac B(B_0) = \frac (B_0 + B_1)(B_0) = 1 + \frac (B_1)(B_0);) $$

  5) феромагнетите покажуваат преостаната магнетизација. Ако, на пример, феромагнетна прачка се стави во соленоид низ кој поминува струја и се магнетизира до заситување (точка А) (сл. 8), а потоа намалете ја струјата во соленоидот, а со неа Б 0 , тогаш можете да забележите дека индукцијата на полето во прачката за време на процесот на нејзина демагнетизација останува секогаш поголема отколку за време на процесот на магнетизација. Кога Б 0 = 0 (струјата во соленоидот е исклучена), индукцијата ќе биде еднаква на Б р (резидуална индукција). Прачката може да се извади од електромагнет и да се користи како постојан магнет. За конечно да ја демагнетизирате прачката, треба да поминете струја во спротивна насока низ соленоидот, т.е. примени надворешно магнетно поле со спротивна насока од векторот на индукција. Сега се зголемува модулот на индукција на ова поле до B oc , демагнетизирајте ја прачката ( Б = 0).

  • Модул B oc се нарекува индукција на магнетно поле кое демагнетизира магнетизиран феромагнет присилна сила .

  

  Ориз. 8

  Со дополнително зголемување Б 0 можете да ја магнетизирате прачката до заситување (точка А" ).

  Намалување сега Б 0 на нула, повторно добиваме постојан магнет, но со индукција –Б р (спротивна насока). За повторно демагнетизирање на шипката, струјата во првобитната насока мора повторно да се вклучи во електромагнетниот систем, а шипката ќе се демагнетизира кога индукцијата Б 0 ќе станат еднакви B oc . Продолжувајќи да го зголемувам I Б 0 , повторно магнетизирајте ја шипката до заситување (точка А ).

  Така, при магнетизирање и демагнетизирање на феромагнет, индукцијата Бзаостанува Б 0. Ова заостанување се нарекува феноменот на хистереза . Се нарекува кривата прикажана на слика 8 хистереза ​​јамка .

  Хистереза (грчки ὑστέρησις - „заостануваат“) - својство на системи кои не ги следат веднаш применетите сили.

  Обликот на кривата на магнетизација (јамка хистерезис) значително варира за различни феромагнетни материјали, кои нашле многу широка употреба во научни и технички апликации. Некои магнетни материјали имаат широка јамка со високи вредности на задржување и принуда, овие се нарекуваат магнетно тешкои се користат за правење постојани магнети. Другите феромагнетни легури се карактеризираат со ниски вредности на принудна сила; таквите материјали лесно се магнетизираат и повторно се магнетизираат дури и во слаби полиња. Таквите материјали се нарекуваат магнетски мекии се користат во различни електрични уреди - релеи, трансформатори, магнетни кола итн.

  Литература

  1. Аксенович Л.А. Физика во средно училиште: Теорија. Задачи. Тестови: Учебник. додаток за установи кои обезбедуваат општо образование. животна средина, образование / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ед. К.С. Фарино. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - P.330-335.
  2. Жилко, В.В. Физика: учебник. додаток за 11 одделение. општо образование училиште од руски јазик обука / В.В.Жилко, А.В. Лавриненко, Л.Г. Маркович. - Мн.: Нар. Асвета, 2002. - стр 291-297.
  3. Слободањук А.И. Физика 10. §13 Заемно дејство на магнетно поле со материјата

  Белешки

  1. Ние ја разгледуваме насоката на векторот на индукција на магнетното поле само во средината на колото.