Магнитная проницаемость - физическая величина , коэффициент (зависящий от свойств среды), характеризующий связь между магнитной индукцией B {\displaystyle {B}} и напряжённостью магнитного поля H {\displaystyle {H}} в веществе. Для разных сред этот коэффициент различен, поэтому говорят о магнитной проницаемости конкретной среды (подразумевая её состав, состояние, температуру и т. д.).
Впервые встречается в работе Вернера Сименса «Beiträge zur Theorie des Elektromagnetismus» («Вклад в теорию электромагнетизма») в 1881 году .
Обычно обозначается греческой буквой μ {\displaystyle \mu } . Может быть как скаляром (у изотропных веществ), так и тензором (у анизотропных).
В общем, соотношение между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля через магнитную проницаемость вводится как
B → = μ H → , {\displaystyle {\vec {B}}=\mu {\vec {H}},}и μ {\displaystyle \mu } в общем случае здесь следует понимать как тензор, что в компонентной записи соответствует :
B i = μ i j H j {\displaystyle \ B_{i}=\mu _{ij}H_{j}}Для изотропных веществ соотношение:
B → = μ H → {\displaystyle {\vec {B}}=\mu {\vec {H}}}можно понимать в смысле умножение вектора на скаляр (магнитная проницаемость сводится в этом случае к скаляру).
Нередко обозначение μ {\displaystyle \mu } используется не так, как здесь, а именно для относительной магнитной проницаемости (при этом μ {\displaystyle \mu } совпадает с таковым в СГС).
Размерность абсолютной магнитной проницаемости в СИ такая же, как размерность магнитной постоянной, то есть Гн / или / 2 .
Относительная магнитная проницаемость в СИ связана с магнитной восприимчивостью χ соотношением
μ r = 1 + χ , {\displaystyle \mu _{r}=1+\chi ,}Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Подавляющее большинство веществ относятся либо к классу диамагнетиков ( μ ⪅ 1 {\displaystyle \mu \lessapprox 1} ), либо к классу парамагнетиков ( μ ⪆ 1 {\displaystyle \mu \gtrapprox 1} ). Но ряд веществ - (ферромагнетики), например железо , обладают более выраженными магнитными свойствами.
У ферромагнетиков вследствие гистерезиса , понятие магнитной проницаемости, строго говоря, неприменимо. Однако в определенном диапазоне изменения намагничивающего поля (чтобы можно было пренебречь остаточной намагниченностью, но до насыщения) можно в лучшем или худшем приближении всё же представить эту зависимость как линейную (а для магнитомягких материалов ограничение снизу может быть и не слишком практически существенно), и в этом смысле величина магнитной проницаемости бывает измерена и для них.
Магнитные проницаемости некоторых веществ и материалов
Магнитная восприимчивость некоторых веществ
Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость некоторых материалов
Medium Восприимчивость χ m
(объемная, СИ)Проницаемость μ [Гн/м] Относительная проницаемость μ/μ 0 Магнитное поле Максимум частоты 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-металл 2,5 × 10 -2 20 000 при 0.002 Тл Мю-металл 50 000 Пермаллой 1,0 × 10 -2 70 000 при 0.002 Тл Электротехническая сталь 5,0 × 10 -3 4000 при 0.002 Тл Феррит (никель-цинк) 2,0 × 10 -5 - 8,0 × 10 -4 16-640 100 kHz ~ 1 MHz [ ] Феррит (марганец-цинк) >8,0 × 10 -4 640 (и более) 100 kHz ~ 1 MHz Сталь 8,75 × 10 -4 100 при 0.002 Тл Никель 1,25 × 10 -4 100 - 600 при 0.002 Тл Неодимовый магнит 1.05 до 1,2-1,4 Тл Платина 1,2569701 × 10 -6 1,000265 Алюминий 2,22 × 10 -5 1,2566650 × 10 -6 1,000022 Дерево 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 Сапфир -2,1 × 10 -7 1,2566368 × 10 -6 0,99999976 Медь -6,4 × 10 -6
or -9,2 × 10 -61,2566290 × 10 -6 0,999994 Абсолютная магнитная проницаемость – это коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние среды, в которой находятся провода.
Для получения представления о магнитных свойствах среды сравнивали магнитное поле вокруг провода с током в данной среде с магнитным полем вокруг того же провода, но находящегося в вакууме. Было установлено, что в одних случаях поле получается более интенсивным, чем в вакууме, в других – менее.
Различают:
v Парамагнитные материалы и среды, в которых получается более сильное МП (натрий, калий, алюминий, платина, марганец, воздух);
v Диамагнитные материалы и среды, в которых МП слабее (серебро, ртуть, вода, стекло, медь);
v Ферромагнитные материалы, в которых создается самое сильное магнитное поле (железо, никель, кобальт, чугун и их сплавы).
Абсолютная магнитная проницаемость для разных веществ имеет различную величину.
Магнитная постоянная – это абсолютная магнитная проницаемость вакуума.
Относительная магнитная проницаемость среды - безразмерная величина, показывающая во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость какого-либо вещества больше или меньше магнитной постоянной:
Для диамагнитных веществ - , для парамагнитных - (для технических расчетовдиамагнитных и парамагнитных тел принимается равной единице),у ферромагнитных материалов - .
Напряженность МП Н характеризует условия возбуждения МП. Напряженность в однородной среде не зависит от магнитных свойств вещества, в котором создается поле, но учитывает влияние величины тока и формы проводников на интенсивность МП в данной точке.
Напряженность МП – векторная величина. Направление вектора Н для изотропных сред (сред с одинаковыми магнитными свойствами во всех направлениях), совпадает с направлением магнитного поля или вектором в данной точке.
Напряженность магнитного поля, создаваемого различными источниками, приведена на рис. 13.
Магнитный поток – это общее число магнитных линий, проходящих через всю рассматриваемую поверхность. Магнитный поток Ф или поток МИ через площадь S , перпендикулярную магнитным линиям равен произведению величины магнитной индукции В на величину площади, которая пронизывается этим магнитным потоком.
42) При внесении железного сердечника в катушку, магнитное поле возрастает, а сердечник намагничивается. Этот эффект был обнаружен Ампером. Им было так же обнаружено, что индукция магнитного поля в веществе может быть больше или меньше индукции самого поля. Такие вещества стали называть магнетиками.Магнетики – это вещества, способные менять свойства внешнего магнитного поля.
Магнитная проницаемость веществаопределяется соотношением:
В 0 - индукция внешнего магнитного поля, В - индукция внутри вещества.
В зависимости от соотношения В и В 0 вещества делятся на три типа:
1) Диамагнетики (m<1), к ним относятся химические элементы: Cu, Ag, Au, Hg. Магнитная проницаемость m=1-(10 -5 - 10 -6) очень незначительно отличается от единицы.
Этот класс веществ был открыт Фарадеем. Эти вещества «выталкиваются» из магнитного поля. Если подвесить диамагнитный стержень возле полюса сильного электромагнита, то он будет отталкиваться от него. Линии индукции поля и магнита, следовательно, направлены в разные стороны.
2) Парамагнетики имеют магнитную проницаемость m>1, причем в данном случае она также незначительно превышает единицу: m=1+(10 -5 - 10 -6). К этому виду магнетиков относятся химические элементы Na, Mg, K, Al.
Магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры и уменьшается при ее увеличении. Без намагничивающего поля парамагнетики не создают собственного магнитного поля. Постоянных парамагнетиков в природе нет.
3) Ферромагнетики (m>>1): Fe, Co, Ni, Cd.
Эти вещества могут находиться в намагниченном состоянии и без внешнего поля. Существование остаточного магнетизма одно из важных свойств ферромагнетиков. При нагревании до высокой температуры ферромагнитные свойства вещества исчезают. Температура, при которой пропадают эти свойства, называют температурой Кюри (например, для железа T Кюри =1043 К).
При температуре ниже точки Кюри ферромагнетик состоит из доменов. Домены – это области самопроизвольного спонтанного намагничивания (рис.9.21). Размер домена составляет примерно 10 -4 -10 -7 м. Возникновением в веществе областей спонтанного намагничивания обусловлено существование магнетиков. Магнит из железа может долго сохранять свои магнитные свойства, так как в нем домены выстраиваются упорядоченно (преобладает одно направление). Магнитные свойства пропадут, если по магниту сильно ударить или сильно нагреть. В результате этих воздействий домены «разупорядочиваются».
Рис.9.21. Форма доменов: а) в отсутствии магнитного поля, б) при наличии внешнего магнитного поля.
Домены можно представить как замкнутые токи в микрообъемах магнетиков. Домен хорошо иллюстрирует рис.9.21, откуда видно, что ток в домене движется по ломаному замкнутому контуру. Замкнутые токи электронов приводят к возникновению магнитного поля перпендикулярно плоскости орбиты электронов. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитное поле доменов направлено хаотично. Это магнитное поле под действием внешнего магнитного поля меняет направление. Магнетики, как уже отмечалось, делятся на группы в зависимости от того, как реагирует магнитное поле домена на действие внешнего магнитного поля. В диамагнетиках магнитное поле большего числа доменов направлено в сторону, противоположную действию внешнего магнитного поля, а в парамагнетиках, наоборот, в сторону действия внешнего магнитного поля. Однако число доменов, магнитные поля которых направлены в противоположные стороны, отличается на очень маленькую величину. Поэтому магнитная проницаемость m в диа- и парамагнетиках отличается от единицы на величину порядка 10 -5 - 10 -6 . В ферромагнетиках число доменов с магнитным полем по направлению внешнего поля во много раз превышает число доменов с противоположным направлением магнитного поля.
Кривая намагниченности. Петля гистерезиса. Явление намагниченности обусловлено существованием остаточного магнетизма при действии внешнего магнитного поля на вещество.
Магнитным гистерезисом называется явление запаздывания изменения магнитной индукции в ферромагнетике относительно изменения напряженности внешнего магнитного поля.
На рис.9.22, представлена зависимость магнитного поля в веществе от внешнего магнитного поля B=B(B 0). Причем по оси Оx откладывают внешнее поле , по оси Оy – намагниченность вещества. Увеличение внешнего магнитного поля приводит к возрастанию магнитного поля в веществе вдоль линии до значения . Уменьшение внешнего магнитного поля до нуля приводит к уменьшению магнитного поля в веществе (в точке с ) до величины В ост (остаточной намагниченности, значение которой больше нуля). Этот эффект является следствием запаздывания в намагниченности образца.
Значение индукции внешнего магнитного поля, необходимое для полного размагничивания вещества (точка d на рис.9.21) называют коэрцетивной силой . Нулевое значение намагниченности образца получают, изменяя направление внешнего магнитного поля до значения . Продолжая увеличивать внешнего магнитного поля в противоположном направлении до максимального значения, доводим его до величины . Затем, меняем направление магнитного поля, увеличивая его обратно, до значения . В этом случае у нас вещество остается намагниченным. Только величина индукции магнитного поля имеет противоположное направление по сравнению со значением в точке . Продолжая увеличивать значение магнитной индукции в том же направлении, достигаем полной размагниченности вещества в точке , и далее, оказываемся вновь в точке . Таким образом, получаем замкнутую функцию, которая описывает цикл полного перемагничивания. Такая зависимость за цикл полного перемагничивания индукции магнитного поля образца от величины внешнего магнитного поля называется петлей гистерезиса . Форма петли гистерезиса является одной из основных характеристик любого ферромагнитного вещества. Однако в точку , таким способом попасть невозможно.
В настоящее время достаточно просто получают сильные магнитные поля. Большое количество установок и устройств работают на постоянных магнитах. В них достигаются поя 1 – 2 Тл при комнатной температуре. В небольших объемах физики научились получать постоянные магнитные поля до 4 Тл, используя для этой цели специальные сплавы. При низких температурах, порядка температуры жидкого гелия получают магнитные поля выше 10 Тл.
43) Закон электромагнитной индукции (з.Фарадея-Максвелла). Правила ЛенцаОбобщая результат опытов, Фарадей сформулировал закон электромагнитной индукции. Он показал, что при всяком изменении магнитного потока в замкнутом проводящем контуре возбуждается индукционный ток. Следовательно, в контуре возникает ЭДС индукции.
ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока во времени . Математическую запись этого закона оформил Максвелл и поэтому он называется законом Фарадея-Максвелла (законом электромагнитной индукции).
Магнитный момент- это основная векторная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Поскольку источником магнетизма является замкнутый ток, то значение магнитного момента М определяется как произведение силы тока I на площадь, охватываемую контуром токаS:
М = I×S А×м 2 .
Магнитными моментами обладают электронные оболочки атомов и молекул. Электроны и другие элементарные частицы имеют спиновый магнитный момент, определяемый существованием собственного механического момента – спина. Спиновый магнитный момент электрона может ориентироваться во внешнем магнитном поле так, что возможны только две равные и противоположно направленные проекции момента на направление вектора напряженности магнитного поля, равные магнетону Бора – 9,274×10 -24 А×м 2 .
- Определите понятие «намагниченность» вещества.
Намагниченность – J – это суммарный магнитный момент единицы объема вещества:
- Определите понятие «магнитная восприимчивость».
Магнитная восприимчивость вещества, א v – отношение намагниченности вещества к напряженности магнитного поля, относящаяся к единице объема:
א v = , безразмерная величина.
Удельная магнитная восприимчивость, א– отношение магнитной восприимчивости к плотности вещества,т.е. магнитная восприимчивость единицы массы, измеряемая в м 3 /кг.
- Определите понятие «магнитная проницаемость».
Магнитная проницаемость, μ – это физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции при воздействии магнитного поля. Для изотропных сред магнитная проницаемость равна отношению индукции в среде В к напряженности внешнего магнитного поля Н и к магнитной постоянной μ 0 :
Магнитная проницаемость – величина безразмерная. Её значение для конкретной среды на 1 больше магнитной восприимчивости той же среды:
μ = א v + 1, так какВ = μ 0 (Н+J).
- Дайте классификацию материалов по магнитным свойствам.
По магнитному строению и значению магнитной проницаемости (восприимчивости) материалы подразделяются на:
Диамагнетики μ< 1 (материал «сопротивляется» магнитному полю);
Парамагнетики μ > 1 (материал слабо воспринимает магнитное поле);
Ферромагнетики μ >> 1 (магнитное поле в материале усиливается);
Ферримагнетики μ >> 1 (магнитное поле в материале усиливается, но магнитная структура материала отличается от структуры ферромагнетиков);
Антиферромагнетики μ ≈ 1 (материал слабо реагирует на магнитное поле, хотя по магнитной структуре схож с ферримагнетиками).
- Опишите природу диамагнетизма.
Диамагнетизм – это свойство вещества намагничиваться навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля (в соответствии с законом электромагнитной индукции и правилом Ленца). Диамагнетизм свойственен всем веществам, но в «чистом виде» он проявляется у диамагнетиков. Диамагнетики – вещества, молекулы которых не имеют собственных магнитных моментов (их суммарный магнитный момент равен нулю), поэтому других свойств, кроме диамагнетизма у них нет. Примеры диамагнетиков:
Водород, א= - 2×10 -9 м 3 /кг.
Вода, א= - 0,7×10 -9 м 3 /кг.
Алмаз, א= - 0,5×10 -9 м 3 /кг.
Графит, א= - 3×10 -9 м 3 /кг.
Медь, א= - 0,09×10 -9 м 3 /кг.
Цинк, א= - 0,17×10 -9 м 3 /кг.
Серебро, א= - 0,18×10 -9 м 3 /кг.
Золото, א= - 0,14×10 -9 м 3 /кг.
43. Опишите природу парамагнетизма.
Парамагнетизм – это свойство веществ, называемых парамагнетиками, которые, будучи помещены во внешнее магнитное поле, приобретают магнитный момент, совпадающий с направлением этого поля. Атомы и молекулы парамагнетиков в отличие от диамагнетиков имеют собственные магнитные моменты. При отсутствии поля ориентация этих моментов хаотична (из-за теплового движения) и суммарный магнитный момент вещества равен нулю. При наложении внешнего поля происходит частичная ориентация магнитных моментов частиц в направлении поля, и к напряженности внешнего поля Н добавляется намагниченность J: В = μ 0 (Н+J). Индукция в веществе усиливается. Примеры парамагнетиков:
Кислород, א= 108×10 -9 м 3 /кг.
Титан, א= 3×10 -9 м 3 /кг.
Алюминий, א= 0,6×10 -9 м 3 /кг.
Платина, א= 0,97×10 -9 м 3 /кг.
44.Опишите природу ферромагнетизма.
Ферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все магнитные моменты атомов в определенном объеме вещества (домене) параллельны, что обусловливает самопроизвольную намагниченность домена. Появление магнитного порядка связано с обменным взаимодействием электронов, имеющим электростатическую природу (закон Кулона). В отсутствии внешнего магнитного поля ориентация магнитных моментов различных доменов может быть произвольной, и рассматриваемый объем вещества может иметь в целом слабую или нулевую намагниченность. При приложении магнитного поля магнитные моменты доменов ориентируются по полю тем больше, чем выше напряженность поля. При этом изменяется значение магнитной проницаемости ферромагнетика и усиливается индукция в веществе. Примеры ферромагнетиков:
Железо, никель, кобальт, гадолиний
и сплавы этих металлов между собой и другими металлами (Al, Au, Cr, Si и др.). μ ≈ 100…100000.
45. Опишите природу ферримагнетизма.
Ферримагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором магнитные моменты атомов или ионов образуют в определенном объеме вещества (домене) магнитные подрешетки атомов или ионов с суммарными магнитными моментами не равными друг другу и направленными антипараллельно. Ферримагнетизм можно рассматривать как наиболее общий случай магнитоупорядоченного состояния, а ферромагнетизм как случай с одной подрешеткой. В состав ферримагнетиков обязательно входят атомы ферромагнетиков. Примеры ферримагнетиков:
Fe 3 O 4 ; MgFe 2 O 4 ; CuFe 2 O 4 ; MnFe 2 O 4 ; NiFe 2 O 4 ; CoFe 2 O 4 …
Магнитная проницаемость ферримагнетиков имеет тот же порядок, что и у ферромагнетиков: μ ≈ 100…100000.
46.Опишите природу антиферромагнетизма.
Антиферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, характеризующееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества ориентированы антипараллельно, и в отсутствии внешнего магнитного поля суммарная намагниченность вещества равна нулю. Антиферромагнетик в отношении магнитного строения можно рассматривать как частный случай ферримагнетика, в котором магнитные моменты подрешеток равны по модулю и антипараллельны. Магнитная проницаемость антиферромагнетиков близка к 1. Примеры антиферромагнетиков:
Cr 2 O 3 ; марганец; FeSi; Fe 2 O 3 ; NiO……… μ ≈ 1.
47.Какое значение магнитной проницаемости у материалов в сверхпроводящем состоянии?
Сверхпроводники ниже температуры сверхперехода являются идеальными диамагнетиками:
א= - 1; μ = 0.
Если в описанных выше опытах вместо сердечника из железа брать сердечники из других материалов, то также можно обнаружить изменение магнитного потока. Естественнее всего ждать, что наиболее заметный эффект дадут материалы, подобные по своим магнитным свойствам железу, т. е. никель, кобальт и некоторые магнитные сплавы. Действительно, при введении в катушку сердечника из этих материалов увеличение магнитного потока оказывается довольно значительным. Иными словами, можно сказать, что магнитная проницаемость их велика; у никеля, например, может достигать значения 50, у кобальта 100. Все эти материалы с большими значениями объединяют в одну группу ферромагнитных материалов.
Однако и все остальные «немагнитные» материалы также оказывают некоторое влияние на магнитный поток, хотя влияние это значительно меньше, чем у материалов ферромагнитных. С помощью очень тщательных измерений можно это изменение обнаружить и определить магнитную проницаемость различных материалов. При этом, однако, нужно иметь в виду, что в опыте, описанном выше, мы сравнивали магнитный поток в катушке, полость которой заполнена железом, с потоком в катушке, внутри которой имеется воздух. Пока речь шла о таких сильно магнитных материалах, как железо, никель, кобальт, это не имело значения, так как наличие воздуха очень мало влияет на магнитный поток. Но при исследовании магнитных свойств других веществ, в частности самого воздуха, мы должны, конечно, вести сравнение с катушкой, внутри которой воздуха нет (вакуум). Таким образом, за магнитную проницаемость мы принимаем отношение магнитных потоков в исследуемом веществе и в вакууме . Иными словами, за единицу мы принимаем магнитную проницаемость для вакуума (если , то ).
Измерения показывают, что магнитная проницаемость всех веществ отлична от единицы, хотя в большинстве случаев это отличие очень мало. Но особенно замечательным оказывается тот факт, что у одних веществ магнитная проницаемость больше единицы, а у других она меньше единицы, т. е. заполнение катушки одними веществами увеличивает магнитный поток, а заполнение катушки другими веществами уменьшает этот поток. Первые из этих веществ называются парамагнитными (), а вторые – диамагнитными (). Как показывает табл. 7, отличие проницаемости от единицы как у парамагнитных, так и у диамагнитных веществ невелико.
Нужно особенно подчеркнуть, что для парамагнитных и диамагнитных тел магнитная проницаемость не зависит от магнитной индукции внешнего, намагничивающего поля, т. е. представляет собой постоянную величину, характеризующую данное вещество. Как мы увидим § 149, это не имеет места для железа и других сходных с ним (ферромагнитных) тел.
Таблица 7. Магнитная проницаемость для некоторых парамагнитных и диамагнитных веществ
Парамагнитные вещества
Диамагнитные вещества
Азот (газообразный)
Водород (газообразный)
Воздух (газообразный)
Кислород (газообразный)
Кислород (жидкий)
Алюминий
Вольфрам
Влияние парамагнитных и диамагнитных веществ на магнитный поток объясняется, так же как и влияние веществ ферромагнитных, тем, что к магнитному потоку, создаваемому током в обмотке катушки, присоединяется поток, исходящий из элементарных амперовых токов. Парамагнитные вещества увеличивают магнитный поток катушки. Это увеличение потока при заполнении катушки парамагнитным веществом указывает на то, что и в парамагнитных веществах под действием внешнего магнитного поля элементарные токи ориентируются так, что направление их совпадает с направлением тока обмотки (рис. 276). Небольшое отличие от единицы указывает лишь на то, что в случае парамагнитных веществ этот добавочный магнитный поток очень невелик, т. е. что парамагнитные вещества намагничиваются очень слабо.
Уменьшение магнитного потока при заполнении катушки диамагнитным веществом означает, что в этом случае магнитный поток от элементарных амперовых токов направлен противоположно магнитному потоку катушки, т. е. что в диамагнитных веществах под действием внешнего магнитного поля возникают элементарные токи, направленные противоположно токам обмотки (рис. 277). Малость отклонений от единицы и в этом случае указывает на то, что дополнительный поток этих элементарных токов невелик.
Рис. 277. Диамагнитные вещества внутри катушки ослабляют магнитное поле соленоида. Элементарные токи в них направлены противоположно току в соленоиде
Многочисленные опыты свидетельствуют о том, что все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются и создают собственное магнитное поле, действие которого складывается с действием внешнего магнитного поля:
$$\boldsymbol{\vec{B}={\vec{B}}_{0}+{\vec{B}}_{1}}$$
где $\boldsymbol{\vec{B}}$ - магнитная индукция поля в веществе; $\boldsymbol{{\vec{B}}_{0}}$ - магнитная индукция поля в вакууме, $\boldsymbol{{\vec{B}}_{1}}$ - магнитная индукция поля, возникшего благодаря намагничиванию вещества. При этом вещество может либо усиливать, либо ослаблять магнитное поле. Влияние вещества на внешнее магнитное поле характеризуется величиной μ , которая называется магнитной проницаемостью вещества
$$ \boldsymbol{\mu =\frac{B}{{B}_{0}}}$$
- Магнитная проницаемость - это физическая скалярная величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.
Все вещества состоят из молекул, молекулы - из атомов. Электронные оболочки атомов можно условно рассматривать состоящими из круговых электрических токов, образованных движущимися электронами. Круговые электрические токи в атомах должны создавать собственные магнитные поля. На электрические токи должно оказывать действие внешнее магнитное поле, в результате чего можно ожидать либо усиления магнитного поля при сонаправленности атомных магнитных полей с внешним магнитным полем, либо их ослабления при их противоположной направленности.
Гипотеза о существовании магнитных полей в атомах и возможности изменения магнитного поля в веществе полностью соответствует действительности. Все вещества по действию на них внешнего магнитного поля можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.Диамагнетиками называются вещества, в которых внешнее магнитное поле ослабляется. Это значит, что магнитные поля атомов таких веществ во внешнем магнитном поле направлены противоположно внешнему магнитному полю (µ < 1). Изменение магнитного поля даже в самых сильных диамагнетиках составляет лишь сотые доли процента. Например, висмут обладает магнитной проницаемостью µ = 0,999826.
Для понимания природы диамагнетизма рассмотрим движение электрона, который влетает со скоростью v в однородное магнитное поле перпендикулярно вектору В магнитного поля.
Под действием силы Лоренца электрон станет двигаться по окружности, направление его вращения определяется направлением вектора силы Лоренца. Возникший круговой ток создаёт своё магнитное поле В" . Это магнитное поле В" направлено противоположно магнитному полю В . Следовательно, любое вещество, содержащее свободно движущиеся заряженные частицы, должно обладать диамагнитными свойствами.
Хотя в атомах вещества электроны не свободны, изменение их движения внутри атомов под действием внешнего магнитного поля оказывается эквивалентным круговому движению свободных электронов. Поэтому любое вещество в магнитном поле обязательно обладает диамагнитными свойствами.
Однако диамагнитные эффекты очень слабы и обнаруживаются только у веществ, атомы или молекулы которых не обладают собственным магнитным полем. Примерами диамагнетиков являются свинец, цинк, висмут (μ = 0,9998).Впервые объяснение причин, вследствие которых тела обладают магнитными свойствами, дал Анри Ампер (1820 г.). Согласно его гипотезе, внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи, которые и определяют магнитные свойства любого вещества.
Рассмотрим причины магнетизма атомов более подробно:
Возьмем некоторое твердое вещество. Его намагниченность связана с магнитными свойствами частиц (молекул и атомов), из которых оно состоит. Рассмотрим, какие контуры с током возможны на микроуровне. Магнетизм атомов обусловлен двумя основными причинами:
1) движением электронов вокруг ядра по замкнутым орбитам (орбитальный магнитный момент ) (рис. 1);
Рис. 2
2) собственным вращением (спином) электронов (спиновой магнитный момент ) (рис. 2).
Для любознательных . Магнитный момент контура равен произведению силы тока в контуре на площадь, охватываемую контуром. Его направление совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля в середине контура с током.Так как в атоме плоскости орбит различных электронов не совпадают, то вектора индукций магнитных полей , созданные ими (орбитальные и спиновые магнитные моменты), направлены под разными углами друг к другу. Результирующий вектор индукции многоэлектронного атома равен векторной сумме векторов индукций полей, создаваемых отдельными электронами. Не скомпенсированными полями обладают атомы с частично заполненными электронными оболочками. В атомах с заполненными электронными оболочками результирующий вектор индукции равен 0.
Во всех случаях изменение магнитного поля обусловлено появлением токов намагниченности (наблюдается явление электромагнитной индукции). Иными словами принцип суперпозиции для магнитного поля остается справедливым: поле внутри магнетика является суперпозицией внешнего поля $\boldsymbol{{\vec{B}}_{0}}$ и поля $\boldsymbol{\vec{B"}}$ токов намагничивания i" , которые возникают под действием внешнего поля. Если поле токов намагниченности направлено так же, как и внешнее поле, то индукция суммарного поля будет больше внешнего поля (Рис. 3, а) – в этом случае мы говорим, что вещество усиливает поле; если же поле токов намагниченности направлено противоположно внешнему полю, то суммарное поле будет меньше внешнего поля (Рис. 3, б) – именно в этом смысле мы говорим, что вещество ослабляет магнитное поле.
Рис. 3
В диамагнетиках молекулы не обладают собственным магнитным полем. Под действием внешнего магнитного поля в атомах и молекулах поле токов намагниченности направлено противоположно внешнему полю, поэтому модуль вектора магнитной индукции $ \boldsymbol{\vec{B}}$ результирующего поля будет меньше модуль вектора магнитной индукции $ \boldsymbol{{\vec{B}}_{0}} $ внешнего поля.
Вещества, в которых внешнее магнитное поле усиливается в результате сложения с магнитными полями электронных оболочек атомов вещества из-за ориентации атомных магнитных полей в направлении внешнего магнитного поля, называются парамагнетиками (µ > 1).
Парамагнетики очень слабо усиливают внешнее магнитное поле. Магнитная проницаемость парамагнетиков отличается от единицы лишь на доли процента. Например, магнитная проницаемость платины равна 1,00036. Из – за очень малых значений магнитной проницаемости парамагнетиков и диамагнетиков их влияние на внешнее поле или воздействие внешнего поля на парамагнитные или диамагнитные тела очень трудно обнаружить. Поэтому в обычной повседневной практике, в технике парамагнитные и диамагнитные вещества рассматриваются как немагнитные, то есть вещества, не изменяющие магнитное поле и не испытывающие действия со стороны магнитного поля. Примерами парамагнетиков являются натрий, кислород, алюминий (μ = 1,00023).
В парамагнетиках молекулы обладают собственным магнитным полем. В отсутствии внешнего магнитного поля из-за теплового движения вектора индукций магнитных полей атомов и молекул ориентированы хаотически, поэтому их средняя намагниченность равна нулю (рис. 4, а). При наложении внешнего магнитного поля на атомы и молекулы начинает действовать момент сил, стремящийся повернуть их так, чтобы их поля были ориентированы параллельно внешнему полю. Ориентация молекул парамагнетика приводит к тому, что вещество намагничивается (рис. 4, б).
Рис. 4
Полной ориентации молекул в магнитном поле препятствует их тепловое движение, поэтому магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры. Очевидно, что с ростом температуры магнитная проницаемость парамагнетиков уменьшается.
Ферромагнетики
Вещества, значительно усиливающие внешнее магнитное поле, называются ферромагнетиками (никель, железо, кобальт и др.). Примерами ферромагнетиков являются кобальт, никель, железо (μ достигает значения 8·10 3).
Само название этого класса магнитных материалов происходит от латинского имени железа - Ferrum. Главная особенность этих веществ заключается в способности сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля, все постоянные магниты относятся к классу ферромагнетикам. Кроме железа ферромагнитными свойствами обладают его «соседи» по таблице Менделеева - кобальт и никель. Ферромагнетики находят широкое практическое применение в науке и технике, поэтому разработано значительное число сплавов, обладающих различными ферромагнитными свойствами.
Все приведенные примеры ферромагнетиков относятся к металлам переходной группы, электронная оболочка которых содержит несколько не спаренных электронов, что и приводит к тому, что эти атомы обладают значительным собственным магнитным полем. В кристаллическом состоянии благодаря взаимодействию между атомами в кристаллах возникают области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности - домены. Размеры этих доменов составляют десятые и сотые доли миллиметра (10 -4 − 10 -5 м), что значительно превышает размеры отдельного атома (10 -9 м). В пределах одного домена магнитные поля атомов ориентированы строго параллельно, ориентация магнитных полей других доменов при отсутствии внешнего магнитного поля меняется произвольно (рис. 5).
Рис. 5
Таким образом, и в не намагниченном состоянии внутри ферромагнетика существуют сильные магнитные поля, ориентация которых при переходе от одного домена к другому меняется случайным хаотическим образом. Если размеры тела значительно превышают размеры отдельных доменов, то среднее магнитное поле, создаваемое доменами этого тела, практически отсутствует.
Если поместить ферромагнетик во внешнее магнитное поле B 0 , то магнитные моменты доменов начинают перестраиваться. Однако механического пространственного вращения участков вещества не происходит. Процесс перемагничивания связан с изменением движения электронов, но не с изменением положения атомов в узлах кристаллической решетки. Домены, имеющие наиболее выгодную ориентацию относительно направления поля, увеличивают свои размеры за счет соседних «неправильно ориентированных» доменов, поглощая их. При этом поле в веществе возрастает весьма существенно.
Свойства ферромагнетиков
1) ферромагнитные свойства вещества проявляются только тогда, когда соответствующее вещество находится в кристаллическом состоянии ;
2) магнитные свойства ферромагнетиков сильно зависят от температуры, так как ориентации магнитных полей доменов препятствует тепловое движение. Для каждого ферромагнетика существует определенная температура, при котором доменная структура полностью разрушается, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Это значение температуры называется точкой Кюри . Так для чистого железа значение температуры Кюри приблизительно равно 900°C;
3) ферромагнетики намагничиваются до насыщения в слабых магнитных полях. На рисунке 6 показано, как изменяется модуль индукции магнитного поля B в стали с изменением внешнего поля B 0 :
Рис. 6
4) магнитная проницаемость ферромагнетика зависит от внешнего магнитного поля (рис. 7).
Рис. 7
Это объясняется тем, что вначале с увеличением B 0 магнитная индукция B растет сильнее, а, следовательно, μ будет увеличиваться. Затем при значении магнитной индукции B" 0 наступает насыщение (μ в этот момент максимальна) и при дальнейшем увеличении B 0 магнитная индукция B 1 в веществе перестает изменяться, а магнитная проницаемость уменьшается (стремится к 1):
$$\boldsymbol{\mu = \frac B{B_0} = \frac {B_0 + B_1}{B_0} = 1 + \frac {B_1}{B_0};} $$
5) у ферромагнетиков наблюдается остаточная намагниченность. Если, например, ферромагнитный стержень поместить в соленоид, по которому проходит ток, и намагнитить до насыщения (точка А ) (рис. 8), а затем уменьшать ток в соленоиде, а вместе с ним и B 0 , то можно заметить, что индукция поля в стержне в процессе его размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда B 0 = 0 (ток в соленоиде выключен), индукция будет равна B r (остаточная индукция). Стержень можно вынуть из соленоида и использовать как постоянный магнит. Чтобы окончательно размагнитить стержень, нужно пропустить по соленоиду ток противоположного направления, т.е. приложить внешнее магнитное поле с противоположным направлением вектора индукции. Увеличивая теперь по модулю индукцию этого поля до B oc , размагничивают стержень (B = 0).
- Модуль B oc индукции магнитного поля, размагничивающего намагниченный ферромагнетик, называют коэрцитивной силой .
Рис. 8
При дальнейшем увеличении B 0 можно намагнитить стержень до насыщения (точка А" ).
Уменьшая теперь B 0 до нуля, получают опять постоянный магнит, но с индукцией –B r (противоположного направления). Чтобы вновь размагнитить стержень, нужно снова включить в соленоид ток первоначального направления, и стержень размагнитится, когда индукция B 0 станет равной B oc . Продолжая увеличивать я B 0 , снова намагничивают стержень до насыщения (точка А ).
Таким образом, при намагничивании и размагничивании ферромагнетика индукция B отстает от B 0. Это отставание называется явлением гистерезиса . Изображенная на рисунке 8 кривая называется петлей гистерезиса .
Гистерезис (греч. ὑστέρησις - «отстающий») - свойство систем, которые не сразу следуют за приложенными силам.Вид кривой намагничивания (петли гистерезиса) существенно различается для различных ферромагнитных материалов, которые нашли очень широкое применение в научных и технических приложениях. Некоторые магнитные материалы имеют широкую петлю с высокими значениями остаточной намагниченности и коэрцитивной силы, они называются магнитно-жесткими и используются для изготовления постоянных магнитов. Для других ферромагнитных сплавов характерны малые значения коэрцитивной силы, такие материалы легко намагничиваются и перемагничиваются даже в слабых полях. Такие материалы называются магнитно-мягкими и используются в различных электротехнических приборах - реле, трансформаторах, магнитопроводах и др.
Литература
- Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C.330- 335.
- Жилко, В. В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В. В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л. Г. Маркович. - Мн.: Нар. асвета, 2002. - С. 291-297.
- Слободянюк А.И. Физика 10. §13 Взаимодействие магнитного поля с веществом
Примечания
- Рассматриваем направление вектора индукции магнитного поля только в середине контура.
