Магнітна проникність та магнітна сприйнятливість речовини. Магнітна проникність

6. МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ

Усі речовини є магнетиками та намагнічуються у зовнішньому магнітному полі.

За магнітними властивостями матеріали поділяються на слабомагнітні ( діамагнетикиі парамагнетики) та сильномагнітні ( феромагнетикиі феримагнетики).

Діамагнетикиμ 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 ), а також У i, Gа, Sb.

Парамагнетики– речовини з магнітною проникністюμ r> 1, що у слабких полях залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля. До парамагнетиків відносяться речовини, атоми (молекули) яких без намагнічуючого поля мають магнітний момент відмінний від нуля: кисень, оксид азоту, солі заліза, кобальту, нікелю і рідкісноземельних елементів, лужні метали, алюміній, платина.

У діамагнетиків та парамагнетиків магнітна проникністьμ rблизька до одиниці. Застосування в техніці як магнітні матеріали носить обмежений характер.

У сильномагнітних матеріалів магнітна проникність значно більша за одиницю (μ r >> 1) і залежить від напруженості магнітного поля. До них відносяться: залізо, нікель, кобальт та їх сплави, а також сплави хрому та марганцю, гадоліній, ферити різного складу.

6.1. Магнітні характеристики матеріалів

Магнітні властивості матеріалів оцінюють фізичними величинами, які називаються магнітними характеристиками.

Магнітна проникність

Розрізняють відноснуі абсолютну магнітні проникностіречовини (матеріалу), які між собою пов'язані співвідношенням

μ a = μ o ·μ, Гн/м

μ o- магнітна постійна,μ o = 4π ·10 -7 Гн/м;

μ - Відносна магнітна проникність (безрозмірна величина).

Для опису властивостей магнітних матеріалів застосовують відносну магнітну проникністьμ (Найчастіше звану магнітна проникність), а для практичних розрахунків використовують абсолютну магнітну проникністьμ a, що обчислюється за рівнянням

μ a = У /Н,Гн/м

Н- Напруженість магнітного поля, що намагнічує (зовнішнього), А/м

У – магнітна індукція поля у магнетиці.

Велика величинаμ показує, що матеріал легко намагнічується у слабких та сильних магнітних полях. Магнітна проникність у більшості магнетиків залежить від напруженості магнітного поля, що намагнічує.

Для характеристики магнітних властивостей широко використовується безрозмірна величина, що називається магнітною сприйнятливістю χ .

μ = 1 + χ

Температурний коефіцієнт магнітної проникності

Магнітні властивості речовини залежать від температуриμ = μ (T) .

Для опису характеру змінимагнітних властивостей із температуроювикористовують температурний коефіцієнт магнітної проникності.

Залежність магнітної сприйнятливості парамагнетиків від температуриTописується законом Кюрі

де C - постійна Кюрі .

Магнітні характеристики феромагнетиків

Залежність магнітних властивостей феромагнетиків має більш складний характер, показаний на малюнку, і досягає максимуму при температурі близької доQ до.

Температура, при якій магнітна сприйнятливість різко знижується, майже до нуля, має назву температури Кюрі.Q до. При температурах вищеQдо процес намагнічування феромагнетика порушується через інтенсивний тепловий рух атомів і молекул і матеріал перестає бути феромагнітним і стає парамагнетиком.

Для заліза Qдо = 768 ° C для нікелю Qдо = 358 ° C для кобальту Qдо = 1131 ° C.

Вище температури Кюрі залежність магнітної сприйнятливості феромагнетика від температуриTописується законом Кюрі-Вейса

Процес намагнічування сильномагнітних матеріалів (феромагнетиків) має гістерезисом. Якщо проводити намагнічування розмагніченого феромагнетика у зовнішньому полі, то він намагнічується по кривою намагнічування B = B(H) . Якщо потім, починаючи з деякого значенняHпочати зменшувати напруженість поля, то індукціяBбуде зменшуватися з деяким запізненням ( гістерезисом) По відношенню до кривої намагнічування. При збільшенні поля протилежного напрямку феромагнетик розмагнічується, потім перемагнічується, і за нової зміні напрями магнітного поля може повернутися вихідну точку, звідки починався процес розмагнічування. Петля, що вийшла, зображена на малюнку, називається петлею гістерезису.

При певній максимальній напруженостіНм намагнічує поля речовина намагнічується до стану насичення, індукція в якому досягає значенняУН, яке називаєтьсяіндукцією насичення.

Залишкова магнітна індукція УПро – спостерігається у феромагнітному матеріалі, намагніченому до насичення, при його розмагнічуванні, коли напруженість магнітного поля дорівнює нулю. Для розмагнічування зразка матеріалу треба, щоб напруженість магнітного поля змінила свій напрямок на зворотний (-Н). Напруженість поляНДо , при якій індукція дорівнює нулю, називається коерцитивною силою(Утримуюча сила) .

Перемагнічування феромагнетика у змінних магнітних полях завжди супроводжується тепловими втратами енергії, які обумовлені втратами на гістерезисі динамічними втратами. Динамічні втрати пов'язані з вихровими струмами, індукованими обсягом матеріалу, і залежить від електричного опору матеріалу, зменшуючись зі зростанням опору. Втрати на гістерезисW в одному циклі перемагнічування визначаються площею петлі гістерезису

і можуть бути обчислені для одиниці об'єму речовини за емпіричною формулою

Дж/м 3

де η - Коефіцієнт залежить від матеріалу,B Н - максимальна індукція, що досягається протягом циклу,n– показник ступеня, що дорівнює залежно від матеріалу 1,6¸ 2.

Питомі втрати енергії на гістерезис РГ – втрати, витрачені на перемагнічування одиниці маси одиниці обсягу матеріалу за секунду.

де f - Частота змінного струму,T- Період коливань.

Магнітострикція

Магнітострикція – явище зміни геометричних розмірів та форми феромагнетика за зміни величини магнітного поля, тобто. при намагнічуванні. Відносна зміна розмірів матеріалуΔ l/ lможе бути позитивним та негативним. У нікелю магнітострикція менша за нуль і досягає величини 0,004 %.

Відповідно до принципу Ле Шательє про протидію системи впливу зовнішніх факторів, що прагнуть змінити цей стан, механічна деформація феромагнетика, що призводить до зміни його розміру, має впливати на намагнічування цих матеріалів.

Якщо при намагнічуванні тіло відчуває у цьому напрямі скорочення своїх розмірів, то додаток механічної напруги стиснення у цьому напрямі сприяє намагнічування, а розтягування – утрудняє намагнічування.

6.2. Класифікація феромагнітних матеріалів

Усі феромагнітні матеріали щодо поведінки у магнітному полі діляться на дві групи.

Магнітом'які – з великою магнітною проникністюμ та малою величиною коерцитивної силиНДо< 10А/м. Вони легко намагнічуються та розмагнічуються. Мають малими втратами гістерезис, тобто. вузькою петлею гістерези.

Магнітні характеристики залежать від хімічної чистоти та ступеня спотворення кристалічної структури. Чим менше домішок(С, Р, S, Про, N ) , тим вище рівень характеристик матеріалу, тому необхідно при виробництві феромагнетика їх і видаляти оксиди, і намагатися не спотворювати кристалічну структуру матеріалу.

Магнітотверді матеріали – мають великийНДо > 0,5 · МА/м та залишковою індукцією (УПро ≥ 0,1 Т). Їм відповідає широка петля гістерези. Вони насилу намагнічуються, зате можуть кілька років зберігати магнітну енергію, тобто. бути джерелом постійного магнітного поля. Тому їх виготовляються постійні магніти.

За складом усі магнітні матеріали діляться на:

· металеві;

· неметалеві;

· магнітодіелектрики.

Металеві магнітні матеріали - це чисті метали (залізо, кобальт, нікель) та магнітні сплави деяких металів.

До неметалевих матеріалам відносяться ферити,одержувані із порошків оксидів заліза та інших металів. Їх пресують і обпалюють при 1300 – 1500 °З перетворюються на тверді монолітні магнітні деталі. Феріти, як і металеві магнітні матеріали, можуть бути магнітом'якими та магнітотвердими.

Магнітодіелектрики – це композиційні матеріали з 60 - 80% порошку магнітного матеріалу та 40 - 20% органічного діелектрика. Феріти та магнітодіелектрикимають велике значення питомого електричного опору (ρ = 10 ÷ 10 8 Ом·м) Високий опір цих матеріалів забезпечує низькі динамічні втрати енергії в змінних електромагнітних полях і дозволяє широко використовувати їх у високочастотній техніці.

6.3. Металеві магнітні матеріали

6.3.1. Металеві магнітом'які матеріали

До металевих магнітом'яких матеріалів відносяться карбонільне залізо, пермалої, альсифери і низьковуглецеві крем'янисті сталі.

Карбонільне залізо – одержують термічним розкладанням рідини пентакарбонілу залізаF е( СО ) 5 з отриманням частинок чистого порошкоподібного заліза:

F е( СО ) 5 → Fе+ 5 СО,

при температурі близько 200°Ста тиску 15 МПа. Частинки заліза мають сферичну форму розміром 1 – 10 мкм. Для звільнення від частинок вуглецю порошок заліза піддають термічній обробці в середовищіН 2 .

Магнітна проникність карбонільного заліза досягає 20000, коерцитивна сила становить 4,5¸ 6,2А/м. Застосовують порошок заліза для виготовлення високочастотних магнітодиелектричнихсердечників, як наповнювач у магнітних стрічках.

Пермаллої –пластичні залізонікелеві сплави. Для покращення властивостей вводятьМо, З r, Су, отримуючи леговані пермаллої. Мають високу пластичність, легко прокочуються в листи та стрічки до 1 мкм.

Якщо вміст нікелю в пермале 40 – 50 %, він називається низконикелевым, якщо 60 – 80 % – високонікелевим.

Пермалої мають високий рівень магнітних характеристик, який забезпечується не тільки складом та високою хімічною чистотою сплаву, а й спеціальною тепловою вакуумною обробкою. Пермалої мають дуже високий рівень початкової магнітної проникності від 2000 до 30000 (залежно від складу) в області слабких полів, який обумовлений низькою величиною магнітострикції та ізотропністю магнітних властивостей. Особливо високі характеристики має супермалу, початкова магнітна проникність якого має значення 100000, а максимальна досягає 1,5· 10 6 при B= 0,3 Тл.

Пермалої постачають у вигляді стрічок, листів та прутків. Низьконікелеві пермалої застосовують для виготовлення сердечників дроселів, малогабаритних трансформаторів та магнітних підсилювачів, високонікелевіпермалої – для деталей апаратури, що працюють на звукових та надзвукових частотах. Магнітні характеристики пермалої стабільні при -60 +60 ° С.

Альсифери – нековкі тендітнісплави складу Al - Si- Fe , Що складаються з 5,5 - 13%Аl, 9 – 10 % Si, інше – залізо. Альсифер близький за властивостями пермалою, але дешевше. З нього виготовляють литі сердечники, відливають магнітні екрани та інші порожнисті деталі з товщиною стін не менше 2 – 3 мм. Крихкість альсиферу обмежує сфери його застосування. Використовуючи крихкість альсиферу, його розмелюють у порошок, який використовується як феромагнітний наповнювач у пресованих високочастотних. магнітодиелектриках(Сердечники, кільця).

Кремниста низьковуглецева сталь (електротехнічна сталь) -сплав заліза та кремнію (0,8 – 4,8 %Si). Основний магнітом'який матеріал масового застосування. Вона легко прокочується в листи та стрічки 0,05 – 1 мм та є дешевим матеріалом. Кремній, що знаходиться у сталі в розчиненому стані, виконує дві функції.

· Підвищуючи питомий опір сталі, кремній викликає зниження динамічних втрат, пов'язаних із вихровими струмами. Опір підвищується за рахунокутворення кремнезему SiO 2 в результаті протікання реакції

2 FeO + S i→ 2 Fe + SiO 2 .

· Наявність кремнію, розчиненого в сталі, сприяє розпаду цементиту. Fе 3 С – шкідливої ​​домішки, що знижує магнітні характеристики, та виділення вуглецю у вигляді графіту. При цьому утворюється чисте залізо, зростання кристалів якого підвищує рівень магнітних характеристик сталі.

Введення кремнію в сталь у кількості, що перевищує 4,8%, не рекомендується, оскільки, сприяючи покращенню магнітних характеристик, кремній різко підвищує крихкість сталі та знижує її механічні властивості.

6.3.2. Металеві магнітотверді матеріали

Магнітотверді матеріали - це феромагнетики з високою коерцитивною силою (більше 1 кА/м) та великою величиною залишкової магнітної індукціїУПро. Застосовуються виготовлення постійних магнітів.

Поділяються в залежності від складу, стану та способу отримання на:

· леговані мартенситні сталі;

· литі магнітотверді сплави.

Леговані мартенситні сталі – це вуглецеві сталі та сталі, легованіСr, W, Со, Мо . Вуглецеві стали швидко старіютьі змінюють свої властивості, тому рідко застосовуються виготовлення постійних магнітів. Для виготовлення постійних магнітів використовують леговані сталі – вольфрамову та хромисту (Н≈ 4800 А/м,УПро ≈ 1 Т), які виготовляються у вигляді прутків з різною формою перерізу. Кобальтова сталь має більш високу коерцитивну силу (НЗ ≈ 12000 А/м,УПро ≈ 1 Т) порівняно з вольфрамовою та хромистою. Коерцитивна сила НЗ кобальтової сталі зростає зі збільшенням вмісту Зо.

Литі магнітотверді сплави. Покращені магнітні властивості сплавів обумовлені спеціально підібраним складом та спеціальною обробкою – охолодженням магнітів після виливки у сильному магнітному полі, а також спеціальною багатоступеневою тепловою обробкою у вигляді загартування та відпустки у поєднанні з магнітною обробкою, яка називається дисперсійним твердінням.

Для виготовлення постійних магнітів знаходять застосування три основні групи сплавів:

· Залізо – кобальт – молібденовий метал типу ремалоюз коерцитивною силоюНК = 12 - 18 кА/м.

· Група сплавів:

§ мідь – нікель – залізо;

§ мідь – нікель – кобальт;

§ залізо – марганець, легованіалюмінієм чи титаном;

§ залізо – кобальт – ванадій (Fе- З - V).

Сплав мідь – нікель – залізо називається куніфе (З u– Ni - Fе). Сплав Fе- З - V (залізо - кобальт - ванадій) називається вікалою . Сплави цієї групи мають коерцитивну силу НДо = 24 - 40 кА/м. Випускаються у вигляді дроту та у листах.

· Сплави системи залізо – нікель – алюміній(Fе – Ni– Аl), відомі раніше під назвою сплав альні. Сплав містить 20 - 33% Ni + 11 - 17% Al, інше залізо. Додавання до сплавів кобальту, міді, титану, кремнію, ніобію покращує їх магнітні властивості, полегшує технологію виготовлення, забезпечує повторюваність параметрів, покращує механічні властивості. Сучасне маркування марки містить літери, що позначають метали, що додаються (Ю - алюміній, Н - нікель, Д - мідь, К - кобальт, Т - титан, Б - ніобій, С - кремній), цифри - вміст елемента, буква якого стоїть перед цифрою, наприклад, ЮНДК15.

Сплави мають високе значення коерцитивної сили НДо = 40 – 140 кА/м і великий запасеної магнітної енергією.

6.4. Неметалеві магнітні матеріали. Феріти

Феріти є керамічні феромагнітні матеріали з малою електронною електропровідністю. Низька електропровідність у поєднанні з високими магнітними характеристиками дозволяє широко використовувати ферити на високих частотах.

Виготовляють ферити з порошкоподібної суміші, що складається з окису заліза та спеціально підібраних оксидів інших металів. Їх пресують, а потім спікають за високих температур. Загальна хімічна формула має вигляд:

МеО·Fе 2 Про 3 або МеFе 2 Про 4 ,

де Месимвол двовалентного металу.

Наприклад,

ZnO· Fe 2 O 3 або

NiO· Fe 2 O 3 або NiFe 2 O 4

Феріти мають кубічні грати типу шпінеліMgOAl 2 O 3 - Алюмінату магнію.Не всі ферити мають магнітні властивості. Наявність магнітних властивостей пов'язана з розташуванням іонів металів у кубічних решітках шпинелі. Так системаZnFe 2 O 4 не має феромагнітних властивостей.

Феріти виготовляють за керамічною технологією. Вихідні порошкоподібні оксиди металів подрібнюють у кульових млинах, пресують та обпалюють у печах. Спеклі брикети розмелюють у тонкодисперсний порошок, вводять пластифікатор, наприклад, розчин полівінілового спирту. З одержаної маси пресують феритові вироби – сердечники, кільця, які випалюють повітря при 1000 – 1400 °З. Отримані тверді крихкі вироби переважно чорного кольору можна обробляти тільки шліфуванням і поліруванням.

Магнітом'які ферити

Магнітом'якіферити широко застосовують у галузі високих частот електронної техніки та приладобудуванні для виготовлення фільтрів, трансформаторів підсилювачів низьких та високих частот, антен радіопередаючих та радіоприймальних пристроїв, імпульсних трансформаторів, магнітних модуляторів. Промисловістю випускаються такі види магнітом'яких феритів з широким спектром магнітних та електричних властивостей: нікель – цинкові, марганець – цинкові та літій – цинкові. Верхня гранична частота застосування фериту залежить від їх складу та змінюється у різних марок феритів від 100 кГц до 600 МГц, коерцитивна сила становить близько 16 А/м.

Перевагою феритів є стабільність магнітних характеристик, відносна простота виготовлення радіодеталей. Як усі феромагнітні матеріали, ферити зберігають свої магнітні властивості лише до температури Кюрі, яка залежить від складу феритів і коливається в межах від 45° до 950°С.

Магнітотверді ферити

Для виготовлення постійних магнітів використовують магнітотверді ферити, найбільше застосування мають ферити барію (ОО·6 Fе 2 Про 3 ). Вони мають гексагональну кристалічну структуру з великоюНДо . Феріти барію є полікристалічний матеріал. Можуть бути ізотропними - однаковість властивостей фериту у всіх напрямках обумовлена ​​тим, що кристалічні частки довільно орієнтовані. Якщо в процесі пресування магнітів порошкоподібну масу піддати впливу зовнішнього магнітного поля великої напруженості, кристалічні частинки фериту будуть орієнтовані в одному напрямку, і магніт буде анізотропним.

Барієві ферити відрізняються гарною стабільністю своїх характеристик, але чутливі до зміни температури та механічних впливів. Магніти з барієвих феритів дешеві.

6.5. Магнітодіелектрики

Магнітодіелектрики - це композиційні матеріали, що складаються з дрібнодисперсних частинок магнітом'якого матеріалу, пов'язаних один з одним органічним або неорганічним діелектриком. Як магнітом'які матеріали застосовують карбонільне залізо, альсифер і деякі сорти пермаллоев, подрібнені до порошкоподібного стану.

Як діелектрики застосовують полістирол, бакелітові смоли, рідке скло та ін.

Призначення діелектрика у тому, щоб з'єднати частки магнітного матеріалу, а й ізолювати їх друг від друга, отже, різко підвищити величину питомого електричного опору магнітодіелектрика. Питомий електричний опірrмагнітодіелектриківстановить10 3 – 10 4 Ом× м

Магнітодіелектрикизастосовують виготовлення серцевиків високочастотних вузлів радіоапаратури. Процес виробництва виробів простіше, ніж із феритів, т.к. вони не потребують високотемпературної теплової обробки. Вироби з магнітодіелектриківвідрізняються високою стабільністю магнітних властивостей, високим класом чистоти поверхні та точністю розмірів.

Найбільш високими магнітними характеристиками володіють магнітодіелектрики, наповнювачем в яких служить молібденовий пермалою або карбонільне залізо.

Магнетики

Усі речовини в магнітному полі намагнічуються (у них виникає внутрішнє магнітне поле). Залежно від величини та напряму внутрішнього поля речовини поділяють на:

1) діамагнетики,

2) парамагнетики,

3) феромагнетики.

Намагніченість речовини характеризується магнітною проникністю,

Магнітна індукція в речовині,

Магнітна індукція у вакуумі.

Будь-який атом можна характеризувати магнітним моментом .

Сила струму в контурі - площа контуру - вектор нормалі до поверхні контуру.

Мікрострум атома створюється рухом негативних електронів по орбіті та навколо власної осі, а також обертанням позитивного ядра навколо власної осі.

1. Діамагнетики.

Коли немає зовнішнього поля, в атомах діамагнетиківструми електронів та ядра компенсовані. Сумарний мікрострум атома та його магнітний момент дорівнюють нулю.

У зовнішньому магнітному полі атомах індукуються (наводяться) ненульові елементарні струми. Магнітні моменти атомів у своїй орієнтуються протилежно.

Створюється невелике власне поле, спрямоване протилежно до зовнішнього, і послаблює його.

У діамагнетиках.

Т.к.< , то для диамагнетиков 1.

2. Парамагнетики

У парамагнетикахмікроструми атомів та його магнітні моменти не дорівнюють нулю.

Без зовнішнього поля ці мікроструми розташовані хаотично.

У зовнішньому магнітному полі мікроструми атомів парамагнетика орієнтуються по полю, посилюючи його.

У парамагнетиці магнітна індукція = +, трохи перевищує.

Для парамагнетиків, 1. Для діа-і парамагнетиків можна вважати 1.

Таблиця 1. Магнітна проникність пара-і діамагнетиків.

Намагніченість парамагнетиків залежить від температури, т.к. тепловий рух атомів перешкоджає упорядкованому розташуванню мікрострумів.

Більшість речовин у природі є парамагнетиками.

Власне магнітне поле в діа- та парамагнетиках незначне і руйнується, якщо речовину прибрати із зовнішнього поля (атоми повертаються у вихідний стан, відбувається розмагнічування речовини).

3. Феромагнетики

Магнітна проникність феромагнетиківдосягає сотень тисяч і залежить від величини поля, що намагнічує ( сильномагнітні речовини).

Феромагнетики: залізо, сталь, нікель, кобальт, їх сплави та сполуки.

У феромагнетиках існують області мимовільного намагнічування (домени), в яких всі мікроструми атомів орієнтовані однаково. Розмір доменів сягає 0,1 мм.

Без зовнішнього поля магнітні моменти окремих доменів орієнтовані хаотично і компенсуються. У зовнішньому полі ті домени, в яких мікроструми посилюють зовнішнє поле, збільшують свої розміри за рахунок сусідніх. Результуюче магнітне поле = + у феромагнетиках набагато сильніше порівняно з пара-і діамагнетиками.

Домени, що включають мільярди атомів, мають інерційність і не повертаються швидко в початковий безладний стан. Тому, якщо феромагнетик видалити із зовнішнього поля, його власне поле зберігається тривалий час.

Магніт розмагнічується при тривалому зберіганні (з часом домени повертаються в хаотичний стан).

Інший спосіб розмагнічування – нагрівання. Для кожного феромагнетика існує температура (вона називається «точка Кюрі»), за якої в доменах руйнуються зв'язки між атомами. У цьому випадку феромагнетик перетворюється на парамагнетик і відбувається його розмагнічування. Наприклад, точка Кюрі для заліза становить 770 °С.

Магнітна проникність. Магнітні властивості речовин

Магнітні властивості речовин

Подібно до того, як електричні властивості речовини характеризуються діелектричною проникністю, магнітні властивості речовини характеризуються магнітною проникністю.

Завдяки тому, що всі речовини, що знаходяться в магнітному полі, створюють власне магнітне поле, вектор магнітної індукції в однорідному середовищі відрізняється від вектора в тій же точці простору без середовища, тобто у вакуумі.

Ставлення називається магнітної проникністю середовища.

Отже, в однорідному середовищі магнітна індукція дорівнює:

Величина m у заліза дуже велика. У цьому можна переконатись на досвіді. Якщо вставити в довгу котушку залізний сердечник, магнітна індукція, згідно з формулою (12.1), збільшиться в m разів. Отже, в стільки разів збільшиться потік магнітної індукції. При розмиканні ланцюга, що живить котушку, що намагнічує, постійним струмом, у другій, невеликій котушці, намотаній поверх основний, виникає індукційний струм, що реєструється гальванометром (рис. 12.1).

Якщо в котушку вставлений металевий сердечник, то відхилення стрілки гальванометра при розмиканні ланцюга буде в m разів більше. Вимірювання показують, що магнітний потік при внесенні в котушку залізного сердечника може збільшитись у тисячі разів. Отже, магнітна проникність заліза величезна.

Існує три основні класи речовин з магнітними властивостями, що різко розрізняються: феромагнетики, парамагнетики та діамагнетики.

Феромагнетики

Речовини, у яких, подібно до заліза, m >> 1, називаються феромагнетиками. Крім заліза, феромагнетиками є кобальт і нікель, а також ряд рідкісноземельних елементів і багато сплавів. Найважливіша властивість феромагнетиків – існування вони залишкового магнетизму. Ферромагнітна речовина може перебувати в намагніченому стані і без зовнішнього поля, що намагнічує.

Залізний предмет (наприклад, стрижень), як відомо, втягується в магнітне поле, тобто переміщається в область, де магнітна індукція більша. Відповідно, він притягується до магніту чи електромагніту. Це відбувається тому, що елементарні струми в залозі орієнтуються так, що напрямок магнітної індукції їхнього поля збігається з напрямком індукції поля, що намагнічує. В результаті залізний стрижень перетворюється на магніт, найближчий полюс якого протилежний полюс електромагніта. Протилежні полюси магнітів притягуються (рис. 12.2).

Мал. 12.2

СТОП! Вирішіть самостійно: А1-А3, В1, В3.

Парамагнетики

Існують речовини, які поводяться подібно до заліза, тобто втягуються в магнітне поле. Ці речовини називаються парамагнітними. До них відносяться деякі метали (алюміній, натрій, калій, марганець, платина та ін), кисень та багато інших елементів, а також різні розчини електролітів.

Так як парамагнетики втягуються в поле, то лінії індукції створюваного ними власного магнітного поля і поля, що намагнічує, спрямовані однаково, тому поле посилюється. Таким чином, у них m> 1. Але від одиниці m відрізняється вкрай незначно, всього на величину порядку 10 -5 ... 10 -6. Тож спостереження парамагнитных явищ потрібні потужні магнітні поля.

Діамагнетики

Особливий клас речовин є діамагнетикивідкриті Фарадеєм. Вони виштовхуються із магнітного поля. Якщо підвісити діамагнітний стрижень біля полюса сильного електромагніта, то він відштовхуватиметься від нього. Отже, лінії індукції створеного ним поля спрямовані протилежно лініям індукції поля, що намагнічує, тобто поле послаблюється (рис. 12.3). Відповідно у діамагнетиків m< 1, причем отличается от единицы на вели­чину порядка 10 –6 . Магнитные свойства у диамагнетиков вы­ражены слабее, чем у парамагнетиков.

Магнітна проникність- фізична величина , коефіцієнт (що залежить від властивостей середовища), що характеризує зв'язок між магнітною індукцією B (\displaystyle (B))та напруженістю магнітного поля H (\displaystyle (H))у речовині. Для різних середовищ цей коефіцієнт різний, тому говорять про магнітну проникність конкретного середовища (маючи на увазі її склад, стан, температуру тощо).

Вперше зустрічається в роботі Вернера Сименса "Beiträge zur Theorie des Elektromagnetismus" ("Внесок у теорію електромагнетизму") в 1881 році.

Зазвичай позначається грецькою літерою μ (\displaystyle \mu). Може бути як скаляром (в ізотропних речовин), так і тензором (у анізотропних).

Загалом, співвідношення між магнітною індукцією та напруженістю магнітного поля через магнітну проникність вводиться як

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

і μ (\displaystyle \mu)у випадку тут слід розуміти як тензор, що у компонентної записи відповідає :

B i = μ i j H j (\displaystyle \ B_(i)=\mu _(ij)H_(j))

Для ізотропних речовин співвідношення:

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

можна розуміти у сенсі множення вектора на скаляр (магнітна проникність зводиться у разі до скаляру).

Нерідко позначення μ (\displaystyle \mu)використовується не так, як тут, а для відносної магнітної проникності (при цьому μ (\displaystyle \mu)збігається з таким у СГС).

Розмірність абсолютної магнітної проникності СІ така ж, як розмірність магнітної постійної, тобто Гн / або / 2 .

Відносна магнітна проникність в СІ пов'язана з магнітною сприйнятливістю χ співвідношенням

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

Енциклопедичний YouTube

  • 1 / 5

    Переважна більшість речовин належить або до класу діамагнетиків ( μ ⪅ 1 (\displaystyle \mu \lessapprox 1)), або до класу парамагнетиків ( μ ⪆ 1 (\displaystyle \mu \gtrapprox 1)). Але ряд речовин - (феромагнетики), наприклад залізо, мають більш виражені магнітні властивості.

    У феромагнетиків внаслідок гістерези, поняття магнітної проникності, строго кажучи, не застосовується. Однак у певному діапазоні зміни поля, що намагнічує (щоб можна було знехтувати залишковою намагніченістю, але до насичення) можна в кращому або гіршому наближенні все ж уявити цю залежність як лінійну (а для магнітом'яких матеріалів обмеження знизу може бути і не практично істотно), і в цьому сенсі величина магнітної проникності буває виміряна й них.

    Магнітні проникності деяких речовин та матеріалів

    Магнітна сприйнятливість деяких речовин

    Магнітна сприйнятливість та магнітна проникність деяких матеріалів

    Medium Сприйнятливість m
    (об'ємна, СІ)    		 Проникність μ [Гн/м] Відносна проникність μ/μ 0 Магнітне поле Максимум частоти
    Метглас (англ. Metglas) 1,25 1 000 000 при 0.5 Тл 100 kHz
    Наноперм (англ. Nanoperm) 10 × 10 -2 80 000 при 0.5 Тл 10 kHz
    Мю-метал 2,5×10 -2 20 000 при 0.002 Тл
    Мю-метал 50 000
    Пермаллою 1,0 × 10 -2 70 000 при 0.002 Тл
    Електротехнічна сталь 5,0 × 10 -3 4000 при 0.002 Тл
    Ферит (нікель-цинк) 2,0 × 10 -5 - 8,0 × 10 -4 16-640 100 kHz ~ 1 MHz [ ]
    Ферріт (марганець-цинк) >8,0 × 10 -4 640 (і більше) 100 kHz ~ 1 MHz
    Сталь 8,75 × 10 -4 100 при 0.002 Тл
    Нікель 1,25 × 10 -4 100 - 600 при 0.002 Тл
    Неодимовий магніт 1.05 до 1,2-1,4 Тл
    Платина 1,2569701 × 10 -6 1,000265
    Алюміній 2,22 × 10 -5 1,2566650 × 10 -6 1,000022
    Дерево 1,00000043
    Повітря 1,00000037
    Бетон 1
    Вакуум 0 1,2566371 × 10 -6 (μ 0) 1
    Водень -2,2 × 10 -9 1,2566371 × 10 -6 1,0000000
    Тефлон 1,2567 × 10 -6 1,0000
    Сапфір -2,1 × 10 -7 1,2566368 × 10 -6 0,99999976
    Мідь -6,4 × 10 -6
    or -9,2 × 10 -6    		 1,2566290 × 10 -6 0,999994

    Численні досліди свідчать, що всі речовини, поміщені в магнітне поле, намагнічуються і створюють власне магнітне поле, дія якого складається з дією зовнішнього магнітного поля:

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

    де $\boldsymbol(\vec(B))$ - магнітна індукція поля в речовині; $\boldsymbol((\vec(B))_(0))$ - магнітна індукція поля у вакуумі, $\boldsymbol((\vec(B))_(1))$ - магнітна індукція поля, що виникла завдяки намагнічуванню речовини . При цьому речовина може посилювати або послаблювати магнітне поле. Вплив речовини на зовнішнє магнітне поле характеризується величиною μ яка називається магнітною проникністю речовини

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

    • Магнітна проникність - це фізична скалярна величина, що показує, скільки разів індукція магнітного поля в даній речовині відрізняється від індукції магнітного поля у вакуумі.

    Усі речовини складаються з молекул, молекули – з атомів. Електронні оболонки атомів можна умовно розглядати що складаються з кругових електричних струмів, утворених електронами, що рухаються. Кругові електричні струми в атомах повинні створювати власні магнітні поля. На електричні струми має діяти зовнішнє магнітне поле, у результаті можна очікувати або посилення магнітного поля при сонаправленности атомних магнітних полів із зовнішнім магнітним полем, або їх ослаблення за їх протилежної спрямованості.
    Гіпотеза про існування магнітних полів в атомахта можливості зміни магнітного поля в речовині повністю відповідає дійсності. Усі речовини щодо дії на них зовнішнього магнітного поляможна розділити на три основні групи: діамагнетики, парамагнетики та феромагнетики.

    Діамагнетикаминазиваються речовини, у яких зовнішнє магнітне поле послаблюється. Це означає, що магнітні поля атомів таких речовин у зовнішньому магнітному полі спрямовані протилежно до зовнішнього магнітного поля (µ< 1). Изменение магнитного поля даже в самых сильных диамагнетиках составляет лишь сотые доли процента. Например, висмут обладает магнітною проникністю µ = 0,999826.

    Для розуміння природи діамагнетизмурозглянемо рух електрона, що влітає зі швидкістю v в однорідне магнітне поле перпендикулярно вектору. У магнітного поля.

    Під дією сили Лоренцаелектрон рухатиметься по колу, напрямок його обертання визначається напрямом вектора сили Лоренца. Виниклий круговий струм створює своє магнітне поле В" . Це магнітне поле В" спрямовано протилежно магнітному полю У. Отже, будь-яка речовина, що містить заряджені частинки, що вільно рухаються, повинна володіти діамагнітними властивостями.
    Хоча в атомах речовини електрони не вільні, зміна їхнього руху всередині атомів під дією зовнішнього магнітного поля виявляється еквівалентним круговому руху вільних електронів. Тому будь-яка речовина в магнітному полі обов'язково має діамагнітні властивості.
    Однак діамагнітні ефекти дуже слабкі і виявляються тільки у речовин, атоми або молекули яких не мають власне магнітне поле. Прикладами діамагнетиків є свинець, цинк, вісмут (μ = 0,9998).

    Вперше пояснення причин, внаслідок яких тіла мають магнітні властивості, дав Анрі Ампер (1820 р.). Згідно з його гіпотезою, всередині молекул і атомів циркулюють елементарні електричні струми, які визначають магнітні властивості будь-якої речовини.

    Розглянемо причини магнетизму атомів докладніше:

    Візьмемо деяку тверду речовину. Його намагніченість пов'язана з магнітними властивостями частинок (молекул та атомів), з яких воно складається. Розглянемо які контури зі струмом можливі на мікрорівні. Магнетизм атомів обумовлений двома основними причинами:

    1) рухом електронів навколо ядра по замкнутим орбітам ( орбітальний магнітний момент) (рис. 1);

    Мал. 2

    2) власним обертанням (спином) електронів ( спіновий магнітний момент) (рис. 2).

    Для допитливих. Магнітний момент контуру дорівнює добутку сили струму в контурі на площу, що охоплюється контуром. Його напрямок збігається з напрямком вектора індукції магнітного поля всередині контуру зі струмом.

    Так як в атомі площини орбіт різних електронів не збігаються, то вектори індукцій магнітних полів, створені ними (орбітальні та спінові магнітні моменти), спрямовані під різними кутами один до одного. p align="justify"> Результуючий вектор індукції багатоелектронного атома дорівнює векторній сумі векторів індукцій полів, створюваних окремими електронами. Не скомпенсовані поля мають атоми з частково заповненими електронними оболонками. В атомах із заповненими електронними оболонками результуючий вектор індукції дорівнює 0.

    У всіх випадках зміна магнітного поля обумовлена ​​появою струмів намагніченості (спостерігається явище електромагнітної індукції). Іншими словами принцип суперпозиції для магнітного поля залишається справедливим: поле всередині магнетика є суперпозицією зовнішнього поля $\boldsymbol((\vec(B))_(0))$ і поля $\boldsymbol(\vec(B"))$ струмів намагнічування i" , що виникають під впливом зовнішнього поля. Якщо поле струмів намагніченості спрямоване так само, як і зовнішнє поле, то індукція сумарного поля буде більшою від зовнішнього поля (Рис. 3, а) – у цьому випадку ми говоримо, що речовина посилює поле; якщо ж поле струмів намагніченості спрямоване протилежно до зовнішнього поля, то сумарне поле буде менше зовнішнього поля (Рис. 3, б) – саме в цьому сенсі ми говоримо, що речовина послаблює магнітне поле.

    Мал. 3

    У діамагнетикахмолекули не мають власного магнітного поля. Під дією зовнішнього магнітного поля в атомах і молекулах поле струмів намагніченості спрямоване протилежно зовнішньому полю, тому модуль вектора магнітної індукції $ \boldsymbol(\vec(B))$ результуючого поля буде меншим за модуль вектора магнітної індукції $ \boldsymbol((\vec(B) ))_(0)) $ зовнішнього поля.

    Речовини, в яких зовнішнє магнітне поле посилюється внаслідок складання з магнітними полями електронних оболонок атомів речовини через орієнтацію атомних магнітних полів у напрямку зовнішнього магнітного поля, називаються парамагнетиками(µ > 1).

    Парамагнетикидуже слабко посилюють зовнішнє магнітне поле. Магнітна проникність парамагнетиків відрізняється від одиниці лише на частки відсотка. Наприклад, магнітна проникність платини дорівнює 1,00036. З-за дуже малих значень магнітної проникності парамагнетиків та діамагнетиків їх вплив на зовнішнє поле або вплив зовнішнього поля на парамагнітні чи діамагнітні тіла дуже важко виявити. Тому в звичайній повсякденній практиці, у техніці парамагнітні та діамагнітні речовини розглядаються як немагнітні, тобто речовини, що не змінюють магнітне поле і не мають дії з боку магнітного поля. Прикладами парамагнетика є натрій, кисень, алюміній (μ = 1,00023).

    У парамагнетикахмолекули мають власне магнітне поле. У відсутності зовнішнього магнітного поля через тепловий рух вектора індукцій магнітних полів атомів і молекул орієнтовані хаотично, тому їхня середня намагніченість дорівнює нулю (рис. 4, а). При накладенні зовнішнього магнітного поля на атоми і молекули починає діяти момент сил, що прагне повернути їх так, щоб поля були орієнтовані паралельно зовнішньому полю. Орієнтація молекул парамагнетика призводить до того, що речовина намагнічується (рис. 4, б).

    Мал. 4

    Повна орієнтація молекул у магнітному полі перешкоджає їх тепловий рух, тому магнітна проникність парамагнетиків залежить від температури. Очевидно, що зі зростанням температури магнітна проникність парамагнетиків зменшується.

    Феромагнетики

    Речовини, які значно підсилюють зовнішнє магнітне поле, називаються феромагнетиками(нікель, залізо, кобальт та ін.). Прикладами феромагнетиків є кобальт, нікель, залізо ( досягає значення 8·10 3).

    Сама назва цього класу магнітних матеріалів походить від латинського імені заліза – Ferrum. Головна особливість цих речовин полягає у здатності зберігати намагніченість без зовнішнього магнітного поля, всі постійні магніти відносяться до класу феромагнетикам. Крім заліза феромагнітні властивості мають його «сусіди» за таблицею Менделєєва - кобальт і нікель. Феромагнетики знаходять широке практичне застосування в науці та техніці, тому розроблено значну кількість сплавів, що мають різні феромагнітні властивості.

    Всі наведені приклади феромагнетиків відносяться до металів перехідної групи, електронна оболонка яких містить кілька не спарених електронів, що і призводить до того, що ці атоми мають значне власне магнітне поле. У кристалічному стані завдяки взаємодії між атомами в кристалах виникають області мимовільної (спонтанної) намагніченості - домени. Розміри цих доменів становлять десяті та соті частки міліметра (10 -4 - 10 -5 м), що значно перевищує розміри окремого атома (10 -9 м). У межах одного домену магнітні поля атомів орієнтовані строго паралельно, орієнтація магнітних полів інших доменів за відсутності зовнішнього магнітного поля змінюється довільно (рис. 5).

    Мал. 5

    Таким чином, і в не намагніченому стані всередині феромагнетика існують сильні магнітні поля, орієнтація яких при переході від одного домену до іншого змінюється випадковим хаотичним чином. Якщо розміри тіла значно перевищують розміри окремих доменів, то середнє магнітне поле, яке створюється доменами цього тіла, практично відсутнє.

    Якщо помістити феромагнетик у зовнішнє магнітне поле B 0 , то магнітні моменти доменів починають перебудовуватись. Проте механічного просторового обертання ділянок речовини немає. Процес перемагнічування пов'язані з зміною руху електронів, але з зміною становища атомів у вузлах кристалічної решітки. Домени, які мають найбільш вигідну орієнтацію щодо напряму поля, збільшують свої розміри за рахунок сусідніх «неправильно орієнтованих» доменів, поглинаючи їх. При цьому поле в речовині зростає дуже суттєво.

    Властивості феромагнетиків

    1) феромагнітні властивості речовини виявляються лише тоді, коли відповідна речовина знаходиться в кристалічному стані ;

    2) магнітні властивості феромагнетиків сильно залежать від температури, оскільки орієнтації магнітних полів доменів перешкоджають тепловому руху. Для кожного феромагнетика існує певна температура, при якому доменна структура повністю руйнується, і феромагнетик перетворюється на парамагнетик. Це значення температури називається точкою Кюрі . Так для чистого заліза значення температури Кюрі приблизно дорівнює 900 ° C;

    3) феромагнетики намагнічуються до насиченняу слабких магнітних полях. На малюнку 6 показано, як змінюється модуль індукції магнітного поля B у сталі зі зміною зовнішнього поля B 0 :

    Мал. 6

    4) магнітна проникність феромагнетика залежить від зовнішнього магнітного поля (рис. 7).

    Мал. 7

    Це тим, що спочатку зі збільшенням B 0 магнітна індукція B зростає сильніше, отже, μ буде збільшуватись. Потім при значенні магнітної індукції B" 0 настає насичення (μ в цей момент максимальна) і при подальшому збільшенні B 0 магнітна індукція B 1 в речовині перестає змінюватися, а магнітна проникність зменшується (прагне 1):

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

    5) у феромагнетиків спостерігається залишкова намагніченість. Якщо, наприклад, феромагнітний стрижень помістити в соленоїд, яким проходить струм, і намагнітити до насичення (точка А) (рис. 8), а потім зменшувати струм у соленоїді, а разом з ним і B 0 , можна помітити, що індукція поля в стрижні в процесі його розмагнічування залишається весь час більшою, ніж у процесі намагнічування. Коли B 0 = 0 (струм у соленоїді вимкнений), індукція дорівнюватиме B r (залишкова індукція). Стрижень можна вийняти з соленоїда та використовувати як постійний магніт. Щоб остаточно розмагнітити стрижень, необхідно пропустити по соленоїду струм протилежного напрями, тобто. додати зовнішнє магнітне поле з протилежним напрямом вектора індукції. Збільшуючи тепер за модулем індукцію цього поля до B oc , розмагнічують стрижень ( B = 0).

    • Модуль B oc індукції магнітного поля, що розмагнічує намагнічений феромагнетик, називають коерцитивною силою .

    Мал. 8

    При подальшому збільшенні B 0 можна намагнітити стрижень до насичення (точка А" ).

    Зменшуючи тепер B 0 до нуля, отримують знову постійний магніт, але з індукцією –B r (Протилежного напрямку). Щоб знову розмагнітити стрижень, потрібно знову включити в соленоїд струм початкового напрямку, і стрижень розмагнітиться, коли індукція B 0 стане рівною B oc . Продовжуючи збільшувати я B 0 знову намагнічують стрижень до насичення (точка А ).

    Таким чином, при намагнічуванні та розмагнічуванні феромагнетика індукція Bвідстає від B 0. Це відставання називається явищем гістерезису . Зображена на малюнку 8 крива називається петлею гістерезису .

    Гістерезис (грец. ὑστέρησις - «відстає») - властивість систем, які не відразу йдуть за прикладеними силами.

    Вид кривої намагнічування (петлі гістерези) істотно відрізняється для різних феромагнітних матеріалів, які знайшли дуже широке застосування в наукових і технічних додатках. Деякі магнітні матеріали мають широку петлю з високими значеннями залишкової намагніченості та коерцитивної сили, вони називаються магнітно-жорсткимита використовуються для виготовлення постійних магнітів. Для інших феромагнітних сплавів характерні малі значення коерцитивної сили, такі матеріали легко намагнічуються та перемагнічуються навіть у слабких полях. Такі матеріали називаються магнітно-м'якимита використовуються у різних електротехнічних приладах - реле, трансформаторах, магнітопроводах та ін.

    Література

    1. Аксенович Л. А. Фізика у середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Навч. посібник для установ, які забезпечують отримання заг. середовищ, освіти / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракіна, К. С. Фаріно; За ред. К. С. Фаріно. – Мн.: Адукація i виховання, 2004. – C.330-335.
    2. Жилко, В. В. Фізика: навч. посібник для 11-го кл. загальноосвіт. шк. з рос. яз. навчання / В. В. Жилко, О.В. Лавріненко, Л. Г. Маркович. - Мн.: Нар. асвета, 2002. – С. 291-297.
    3. Слободянюк О.І. Фізика 10. §13 Взаємодія магнітного поля з речовиною

    Примітки

    1. Розглядаємо напрямок вектора індукції магнітного поля тільки в середині контуру.