Речовина в магнітному полі.

План

1. Магнітні властивості речовини. Діа-пара-феромагнетіки.

2. Гістерезис у феромагнетиках.

1. Магнітні властивості речовини. Діа-пара-феромагнетіки.

Розглянемо дію середовища (речовини) на магнітне поле. Досвід та теорія вказують на те, що всі речовини, які розміщені в магнітному полі, отримують магнітні властивості, тобто намагнічуються.

При цьому одні речовини послаблюють зовнішнє поле, а інші його підсилюють.

Діамагнетики — це речовини, які послаблюють зовнішнє магнітне поле.

Парамагнетики – це речовини, які підсилюють зовнішнє магнітне поле.

Феромагнетики – це речовини з класу пара магнетиків, які дуже сильно (в (1000 – і) разів підсилюють зовнішнє магнітне поле.

Більшість речовин – діамагнетики: фосфор, сірка, ртуть, вуглець, метали – вісмут, золото, срібло, мідь та ін.

До парамагнетиків відносяться деякі гази — кисень, азот, метали –алюміній, вольфрам, платина та ін.

До феромагнетиків відносяться: залізо, кобальт, нікель, гадоліній та диспрозій, а також сплави та оксиди цих металів та марганцю і хрому.

Фізична причина пара-, діа — та феромагнетизму виглядає таким чином:

В атомах та молекулах кожної речовини існують колові струми, які утворені орбітальним рухом електронів довкола ядер – орбітальні струми.

Кожному орбітальному струму відповідає свій магнітний момент; до того ж електрони ще мають власний спіновий магнітний момент; також власний магнітний момент мають ядра атомів.

Магнітний момент атома (молекули) – це геометрична сума орбітальних, спінових моментів електронів, а також власного магнітного моменту ядра.

У діамагнетиків сумарний магнітний момент дорівнює нулю.

Проте під дією зовнішнього магнітного поля у цих речовин індукується магнітний момент, який спрямовується проти зовнішнього поля; діамагнітне середовище намагнічується та послаблює зовнішнє поле.

У парамагнетиків завжди існує нескомпенсований власний магнітний момент; зовнішнє поле повертає атоми парамагнетиків так, що магнітні моменти орієнтуються по полю, хоча цьому утворює перепони тепловий рух часток; внаслідок магнітної орієнтації парамагнетики утворюють власне поле, яке підсилює зовнішнє магнітне поле.

Отже, внаслідок заповнення середовища речовиною, результуюча напруженість магнітного поля в цьому середовищі змінюється і становить величину: , де: ∆Н – напруженість поля, яке утворює сама речовина.

Цей вираз можна записати у такому вигляді: де: μ – відносна магнітна проникність середовища, або просто магнітна проникність.

Μвак.=1; μдіам.<1; μпарам.>1; μфером>>1; μповітря ≈ μвак.

Для феромагнетиків: μСо — 100…180; μNi – 200…300; μсталі = 10000…20000.

;

У феромагнетиків магнітна проникність не є величиною сталою; вона залежить від напруженості зовнішнього (намагнічуючого) поля: Спочатку μ дуже швидко зростає, а потім зменшується, наближаючись у дуже сильних магнітних полях до μ=1.

Магнітна індукція у феромагнетиків не пропорційна напруженості зовнішнього поля.

Спочатку індукція швидко сягає Вmax, а потім повільно зростає пропорційно зміні напруженості поля Н. Залежність μ та В від Н була досліджена вперше в 1872 р. А. Г.Столєтовим.

2. Гістерезис у феромагнетиках.

Розглянемо цікаву залежність індукції магнітного поля у феромагнетику від напруженості зовнішнього магнітного поля, коли напруженість може змінювати знак.

Спочатку феромагнетик під дією зовнішнього магнітного поля буде намагнічуватися вздовж кривої (0…1) до стану насичення →(·):.

Якщо потім напруженість зовнішнього поля поступово буде зменшуватися, то індукція В теж буде зменшуватися, але не до нуля, а до остаточної

Магнітної індукції . Щоб повністю розмагнітить феромагнетик треба створити зовнішнє поле з напруженістю протилежним за початковий напрямам: Н=-Нкр. (коерцитивна сила).

Коерцитивна сила – це значення напруженості зовнішнього поля, яке необхідно створити для повного розмагнічування феромагнетика.

Якщо далі збільшувати напруженість зовнішнього поля у протилежному напрямі, то феромагнетик симетрично пере намагнітиться:

Далі феромагнетик можна знову розмагнітить при +Нкр; та намагнітить до +Bmax при +Hmax. Таким чином феромагнетику властиве явище гістерезиса.

Гістерезис(магнітний) — це фізичне явище відставання зміни магнітної індукції від зміни напруженості зовнішнього (намагнічуючого) магнітного поля.

Замкнена крива в координатах Називається петлею гістерезиса.

Площа петлі гістерезисна характеризує роботу, яку витрачає зовнішнє поле на одноразове перемагнічування феромагнетика. Ця робота виділяється у феромагнетику у вигляді тепла.

Отже, щоб запобігти великим втратам на перемагнічування феромагнетика (наприклад, для магніто проводів трансформаторів або двигунів змінного струму), треба використовувати матеріали з малою площею петлі гістерезиса – магніто–м‘які матеріали (у них мале значення коерцитивної сили). Для виготовлення сталих магнітів, навпаки, потрібні магніто-жорсткі матеріали з великим значенням коерцитивної сили.

У всіх феромагнетиків існує температура втрати магнітних властивостей – точка Кюрі. У заліза: Ткюрі=1043К, у нікеля: Ткюрі=633К.

При температурі T>ТКюрі феромагнетик стає звичайним парамагнетиком з μ≈1.

Незвичайні властивості феромагнетиків пов‘язані з існуванням в їх внутрішній структурі значних за об‘ємом дільниць самовільно намагнічених до насичення – доменів. Лінійні розмірі доменів –до 10-2мм. В межах одного домена всі магнітні моменти орієнтовані однаково. Проте без зовнішнього поля в цілому феромагнетик не має магнітних властивостей, зовнішнє поле повертає всі домени в одному напрямі; тепловий рух не в змозі дезорієнтувати такі великі утворення як домени; тільки при температурі, вищій за точку Кюрі тепловий рух порушує магнітну орієнтацію всередині самих доменів, внаслідок чого феромагнетик перетворюється на парамагнетик.