Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Сведения из теории. Намагничивание вещества.Любое вещество является магнетиком, т






Намагничивание вещества. Любое вещество является магнетиком, т. е. способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент - намагничиваться. Намагниченное вещество создает магнитное поле Вмагн, которое накладывается на обусловленное внешними токами Iсвоб поле Всвоб. Результирующее поле

 

В = Всвоб + Вмагн. (9.1)

 

Величина называется магнитной проницаемостью вещества. Эксперимент показывает, что направление добавочного поля Вмагн относительно первоначального Всвоб может быть различным. По своим магнитным свойствам все вещества делятся на две группы: слабые магнетики, у которых m мало отличается от единицы; сильные магнетики - вещества, у которых m > > 1. В свою очередь слабые магнетики делятся на две подгруппы: диамагнетики ( m < 1) и парамагнетики ( m > 1). В диамагнетиках Вмагн направлено противоположно Всвоб; в парамагнетиках эти поля совпадают по направлению. Опишем механизм этих явлений. Атомы многих веществ не имеют постоянных магнитных моментов, или, точнее, все магнитные моменты внутри атома уравновешены. Если включить внешнее магнитное поле, то внутри атома по индукции генерируются слабые дополнительные токи. По правилу Ленца эти токи действуют так, чтобы сопротивляться увеличивающемуся магнитному полю. При этом наведенный магнитный момент атомов направлен противоположно магнитному полю. Это и есть механизм диамагнетизма. Типичные диамагнетики: вода, стекло, инертные газы, большинство органических соединений, графит, Bi, Zn, Сu, Ag, Hg и т.д. Существуют и такие соединения, атомы которых обладают магнитным моментом, т.е. их электронные орбиты имеют ненулевой полный циркулирующий ток. В таких веществах кроме диамагнитного эффекта, который есть всегда, существует возможность выстраивания атомных магнитных моментов в одном направлении. Магнитные моменты выстраиваются по направлению внешнего поля и усиливают его. Парамагнетизм довольно слаб, и тепловое движение легко с ним конкурирует, разрушая магнитное упорядочение. Для обычного парамагнетика эффект тем сильнее, чем ниже температура. Диамагнетизм зависит от температуры значительно слабее. Таким образом, у любого вещества с выстроенными магнитными моментами есть как парамагнитный, так и диамагнитный эффекты, причем парамагнитный эффект обычно доминирует. Типичные парамагнетики: O2, Al, Pt, щелочные металлы, редкоземельные элементы и т.д.

К сильным магнетикам относятся ферромагнетики, антиферро-магнетики и ферримагнетики. В ферромагнетиках, свойства которых изучаются в настоящей работе, возникают большие (до 10 мкм) области спонтанного намагничивания - домены, в которых все так называемые спиновые магнитные моменты электронов выстроены параллельно. Кроме железа типичными ферромагнетиками являются кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения, а также некоторые соединения марганца, кобальта и др. В обычных условиях направления магнитных моментов доменов хаотически распределены в пространстве - тело в целом не намагничено. При внесении вещества в магнитное поле домены, ориентированные по полю, растут за счет доменов, ориентированных против поля - тело сильно намагничивается.

Степень намагниченности любого магнетика характеризуется вектором намагниченности - магнитным моментом единицы объема

 

, (9.2)

 

где D V - физически бесконечно малый объем вблизи данной точки, рm - магнитный момент отдельной молекулы. В простейшем случае рm можно определить как магнитный момент контура с током: рm = I S n, где I - сила тока, текущего по контуру; S - площадь контура; n - положительная нормаль к контуру. При определении вектора намагниченности сумма берется по всем молекулам в объеме D V. С физической точки зрения атомные токи создаются реальными заряженными частицами, движущимися в атомах и молекулах вещества. Эти токи иногда называют амперовскими, т.к. Ампер первый предположил, что магнетизм вещества происходит за счет циркуляции атомных токов.

Определим вектор напряженности магнитного поля Н(х, у, z) в любой точке пространства как

 

Н = В / m0 - Мm, (9.3)

здесь m0 - магнитная постоянная.

Опыт показывает, что для не очень больших полей намагниченность пропорциональна магнитному полю. Традиционно намагниченность Мm связывают не с В, а с Н:

 

Мm = c Н. (9.4)

 

Формула (9.4) является определением величины c - магнитной восприимчивости вещества. Отметим, что c < 0 для диамагнетиков и c > 0 для парамагнетиков. Характеристики c и m связаны друг с другом простым соотношением

m = 1 + c. (9.5)

 

Учитывая (9.4) и (9.5), соотношение (9.3) можно записать в следующем виде

. (9.6)

 

Заметим, что определенный в (9.6) вектор Н относится к свободному току в проводах так же, как вектор В относится к полному току - свободному и магнитному (атомному). Несомненно, фундаментальной величиной, характеризующей магнитное поле, является вектор В, и именно его следовало бы назвать напряженностью магнитного поля (по аналогии с напряженностью электрического поля). Однако в силу исторических причин В называется индукцией магнитного поля, а Н - напряжен­но­стью. Поскольку в магнитных системах легко контролировать именно токи в проводниках - свободные токи, вспомогательный вектор Н широко используется.

Основными свойствами ферромаг­не­ти­ков являются:

1) большие величины магнитной про­ни­цаемости m, достигающей значения 103 ... 104;

2) сложная нелинейная зависимость между Мm и Н (рис. 9.1). По мере увеличения напряженности намагни­чи­ва­ющего поля намагниченность сначала ра­стет, а затем становится постоянной Мm = Mms (насыще­ние). Заметим, что поскольку непосред­ствен­но Мm измерить сложно, на практике из­ме­ря­ют не намагниченность, а связанную с ней величину В (см. (9.3)): В = m0 m + Н). Зависимость В = f (Н) изо­бра­жена на рис. 9.2. Кривая ОА назы­вается ос­новной кривой намагничивания;

3) для ферромагнетиков зави­си­мость В от Н не только нелинейна, но и неоднозначна: В зависит еще и от истории намагничивания образца. Это явление называется магнитным гистерезисом (изменение В отстает от изменения Н). Из рис. 9.2 видно, что если после намагничивания ферромагнетика его попытаться раз­ма­гни­тить, то зависимость В = f (Н) пойдет не по кривой АО, а по кривой АСD. Отрезок ОС характеризует остаточную намагниченность образца Вm. Для того чтобы размагнитить об­разец, магнитное поле Н надо направить в про­тивоположную сторону. Кривая пойдет по пути СD. Точка D соответствует зна­че­нию Нс - коэрцитивной силе образца. Это та на­пряженность обратного магнитного поля, ко­торая размагничивает образец. Замкнутая кри­вая АСDEFA называется петлей гисте­ре­­зиса. Если точка А соответствует насы­ще­нию образца, ее называют предельной пет­лей гистерезиса. Т - период изменения поля Н;

4) благодаря гистерезису перемаг­ни­чивание ферромагнетиков сопровож­да­ется выделением тепла, количество которого за один цикл перемагничивания опреде­ля­ет­ся интегралом

 

Q = ,

 

который совпадает с площадью, охваты­вае­мой петлей гистерезиса;

5) при повышении температуры до так называемой температуры Кюри фер­ро­маг­нетик переходит в парамагнитное состояние и становится слабым магнетиком.






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.