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.
Диэлектрическая проницаемость веществ
Вещество |
Вещество |
||
Газы и водяной пар |
Жидкости |
||
| Азот | 1,0058 | Глицерин | 43 |
| Водород | 1,00026 | Кислород жидкий (при t = -192,4 o C) | 1,5 |
| Воздух | 1,00057 | Масло трансформаторное | 2,2 |
| Вакуум | 1,00000 | Спирт | 26 |
| Водянной пар (при t=100 o C) | 1,006 | Эфир | 4,3 |
| Гелий | 1,00007 | Твердые тела |
|
| Кислород | 1,00055 | Алмаз | 5,7 |
| Углекислый газ | 1,00099 | Бумага парафинированная | 2,2 |
Жидкости |
Дерево сухое | 2,2-3,7 | |
| Азот жидкий (при t = -198,4 o C) | 1,4 | Лед (при t = -10 o C) | 70 |
| Бензин | 1,9-2,0 | Парафин | 1,9-2,2 |
| Вода | 81 | Резина | 3,0-6,0 |
| Водород (при t= - 252,9 o C) | 1,2 | Слюда | 5,7-7,2 |
| Гелий жидкий (при t = - 269 o C) | 1,05 | Стекло | 6,0-10,0 |
| Титанат бария | 1200 | ||
| Фарфор | 4,4-6,8 | ||
| Янтарь | 2,8 | ||
Примечание. Электрическая постоянная ԑ o (диэлектрическая проницаемость вакуума) равная: ԑ o = 1\4πс 2 * 10 7 Ф/м ≈ 8,85 * 10 -12 Ф/м
Магнитная проницаемость вещества
Примечание. Магнитная постоянная μ o (магнитная проницаемость вакуума) равна: μ o = 4π * 10 -7 Гн/м ≈ 1,257 * 10 -6 Гн/м
М агнитная проницаемость ферромагнетиков
В таблице приведены значения магнитной проницаемости для некоторых ферромагнетиков (веществ с μ > 1). Магнитная приницаемость для ферромагнетиков (железо, чугун, сталь, никель и др.) не постоянная. В таблице указаны максимальные значения.
1 Пермаллой-68 - сплав из 68% никеля и 325 железа; этот сплав применяют для изготовления сердечников трансформаторов.
Температура Кюри
Удельное электрическое сопротивление материалов
Сплавы высокого сопротивления
Название сплава |
Удельное электрическое сопротивление мкОМ м |
Состав сплава, % |
|||
Марганец |
Другие элементы |
||||
| Константан | 0,50 | 54 | 45 | 1 | - |
| Копель | 0,47 | 56,5 | 43 | 0,05 | - |
| Манганин | 0,43 | > 85 | 2-4 | 12 | - |
| Нейзильбер | 0,3 | 65 | 15 | - | 20 Zn |
| Никелин | 0,4 | 68,5 | 30 | 1,5 | - |
| Нихром | 1,1 | - | > 60 | < 4 | 30 < Cr ост. Fe |
| Фехраль | 1,3 | - | - | - | 12-15 Cr 3-4 Al 80 < Fe |
Температурные коэффициенты электрического сопротивления проводников
Проводник |
Проводник |
||
| Алюминий | Никель | ||
| Вольфрам | Нихром | ||
| Железо | Олово | ||
| Золото | Платина | ||
| Константан | Ртуть | ||
| Латунь | Свинец | ||
| Магний | Серебро | ||
| Манганин | Сталь | ||
| Медь | Фехраль | ||
| Нейзильбер | Цинк | ||
| Никелин | Чугун |
Сверхпроводимость проводников
- Примечания.
- Сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов и у большого числа сплавов и соединений.
- Сверхпроводником с наиболее высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние -23,2 К (-250,0 o C) - до недавного времени являлся германид ниобия (Nb 3 Ge). В конце 1986 г. был получен сверхпроводник с температурой перехода ≈ 30 К (≈ -243 o С). Сообщается о синтезе новых высокотемпературных сверхпроводников: керамик (изготовливается путем спекания оксидов бария, меди и лантана) с температурой перехода ≈ 90-120 К.
Удельное электрическое сопротивление некоторых полупроводников и диэлектриков
| Вещество | СтеклоТемпература, o С | Удельное сопротивление | |
| Ом м | Ом мм2/м | ||
Полупроводники |
|||
| Антимонид индия | 17 | 5,8 х 10 -5 | 58 |
| Бор | 27 | 1,7 х 10 4 | 1,7 х 10 10 |
| Германий | 27 | 0,47 | 4,7 х 10 5 |
| Кремний | 27 | 2,3 х 10 3 | 2,3 х 10 9 |
| Cеленид свинца (II) (PbSe) | 20 | 9,1 х 10 -6 | 9,1 |
| Сульфид свинца (II) (PbS) | 20 | 1,7 х 10 -5 | 0,17 |
Диэлектрики |
|||
| Вода дистиллированная | 20 | 10 3 -10 4 | 10 9 -10 10 |
| Воздух | 0 | 10 15 -10 18 | 10 21 -10 24 |
| Воск пчелиный | 20 | 10 13 | 10 19 |
| Древесина сухая | 20 | 10 9 -10 10 | 10 15 -10 16 |
| Кварц | 230 | 10 9 | 10 15 |
| Масло трансформаторное | 20 | 10 11 -10 13 | 10 16 -10 19 |
| Парафин | 20 | 10 14 | 10 20 |
| Резина | 20 | 10 11 -10 12 | 10 17 -10 18 |
| Слюда | 20 | 10 11 -10 15 | 10 17 -10 21 |
| Стекло | 20 | 10 9 -10 13 | 10 15 -10 19 |
Электрическое свойства пластмасс
| Название пластмассы | Диэлектрическая проницаемость | |
| Гетинакс | 4,5-8,0 | 10 9 -10 12 |
| Капрон | 3,6-5,0 | 10 10 -10 11 |
| Лавсан | 3,0-3,5 | 10 14 -10 16 |
| Органическое стекло | 3,5-3,9 | 10 11 -10 13 |
| Пенопласт | 1,0-1,3 | ≈ 10 11 |
| Полистирол | 2,4-2,6 | 10 13 -10 15 |
| Полихлорвинил | 3,2-4,0 | 10 10 -10 12 |
| Полиэтилен | 2,2-2,4 | ≈ 10 15 |
| Стеклотекстолит | 4,0-5,5 | 10 11 -10 12 |
| Текстолит | 6,0-8,0 | 10 7 -10 19 |
| Целлулоид | 4,1 | 10 9 |
| Эбонит | 2,7-3,5 | 10 12 -10 14 |
Удельное электрическое сопротивление электролитов (при t=18 o С и 10-процентной концентрации раствора)
Примчание. Удельноое сопротивление электролитов зависит от температуры и концентрации, т.е. от отношения массы растворенной кислоты, щелочи или соли к массе растворяющей воды. При указанной концентрации растворов увеличение температуры на 1 o С уменьшает удельное сопротивление раствора, взятого при 18 o С, на 0,012 гидроксида натрия, на 0,022 - для медного купороса, на 0,021 - для хлорида натрия, на 0,013 -для серной кислоты и на 0,003 - для 100 - процентной серной кислоты.
Удельное электрическое сопртивление жидкостей
Жидкость |
Удельное электрическое сопротивление, Ом м |
Жидкость |
Удельное электрическое сопротивление, Ом м |
| Ацетон | 8,3 х 10 4 | Расплавленные соли: | |
| Вода дистилированна | 10 3 - 10 4 | гидроксид калия (КОН; при t = 450 o C) | 3,6 х 10 -3 |
| Вода морская | 0,3 | гидроксид натрия (NaOH; при t = 320 o C) | 4,8 х 10 -3 |
| Вода речная | 10-100 | хлорид натрия (NaCI; при t = 900 o C) | 2,6 х 10 -3 |
| Воздух жидкий (при t = -196 o C) | 10 16 | сода (Na 2 CO 3 x10H 2 O; при t = 900 o C) | 4,5 х 10 -3 |
| Глицерин | 1,6 х 10 5 | Спирт | 1,5 х 10 5 |
| Керосин | 10 10 | ||
| Нафталин расплавленный (при (при t = 82 o C) | 2,5 х 10 7 | ||
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
Магнитное поле катушки определяется током и напряженность этого поля , а индукция поля . Т.е. индукция поля в вакууме пропорциональна величине тока. Если же магнитное поле создается в некой среде или веществе, то поле воздействует на вещество, а оно, в свою очередь, определенным образом изменяет магнитное поле.
Вещество, находящееся во внешнем магнитном поле, намагничивается и в нем возникает добавочное внутреннее магнитное поле. Оно связано с движением электронов по внутриатомным орбитам, а также вокруг собственной оси. Движение электронов и ядер атомов можно рассматривать как элементарные круговые токи.
Магнитные свойства элементарного кругового тока характеризуются магнитным моментом.
При отсутствии внешнего магнитного поля элементарные токи внутри вещества ориентированы беспорядочно (хаотически) и, поэтому общий или суммарный магнитный момент равен нулю и в окружающем пространстве магнитное поле элементарных внутренних токов не обнаруживается.
Влияние внешнего магнитного поля на элементарные токи в веществе состоит в том, что изменяется ориентация осей вращения заряженных частиц причем так, что их магнитные моменты оказываются направленными в одну сторону. (в сторону внешнего магнитного поля). Интенсивность и характер намагничивания у различных веществ в одинаковом внешнем магнитном поле значительно отличаются. Величину, характеризующую свойства среды и влияние среды на плотность магнитного поля, называют абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной проницаемостью среды (μ с ) . Это есть отношение = . Измеряется [μ с ]=Гн/м.
Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной μ о =4π 10 -7 Гн/м.
Отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной называют относительной магнитной проницаемостью μ c /μ 0 =μ. Т.е. относительная магнитная проницаемость – это величина, показывающая, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость среды больше или меньше абсолютной проницаемости вакуума. μ - величина безразмерная, изменяющаяся в широких пределах. Эта величина положена в основу деления всех материалов и сред на три группы.
Диамагнетики . У этих веществ μ < 1. К ним относятся - медь, серебро, цинк, ртуть, свинец, сера, хлор, вода и др. Например, у меди μ Cu = 0,999995. Эти вещества слабо взаимодействуют с магнитом.
Парамагнетики . У этих веществ μ > 1. К ним относятся – алюминий, магний, олово, платина, марганец, кислород, воздух и др. У воздуха = 1,0000031. . Эти вещества также, как и диамагнетики, слабо взаимодействуют с магнитом.
Для технических расчетов μ диамагнитных и парамагнитных тел принимается равной единице.
Ферромагнетики . Это особая группа веществ, играющих громадную роль в электротехнике. У этих веществ μ >> 1. К ним относятся железо, сталь, чугун, никель, кобальт, гадолиний и сплавы металлов. Эти вещества сильно притягиваются к магниту. У этих веществ μ = 600- 10 000. У некоторых сплавов μ достигает рекордных значений до 100 000. Следует отметить, что μ для ферромагнитных материалов непостоянна и зависит от напряженности магнитного поля, вида материала и температуры.
Большое значение µ в ферромагнетиках объясняется тем, что в них имеются области самопроизвольного намагничивания (домены), в пределах которых элементарные магнитные моменты направлены одинаково. Складываясь, они образуют общие магнитные моменты доменов.
В отсутствие магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы хаотически и суммарный магнитный момент тела или вещества равен нулю. Под действием внешнего поля магнитные моменты доменов ориентируются в одну сторону и образуют общий магнитный момент тела, направленный в ту же сторону, что и внешнее магнитное поле.
Эту важную особенность используют на практике, применяя ферромагнитные сердечники в катушках, что позволяет резко усилить магнитную индукцию и магнитный поток при тех же значениях токов и числа витков или, иначе говоря, сконцентрировать магнитное поле в относительно малом объеме.
§ 40. Намагничивание стали. Магнитная проницаемость
Для усиления магнитного поля и придания ему определенной формы в различных электрических машинах и аппаратах широко применяют ферромагнитные материалы: железо, кобальт, никель и их сплавы - сталь и др.
Если ферромагнитный материал поместить в катушку и пропустить по ее виткам электрический ток, то под воздействием магнитного поля, созданного током, материал намагнитится. Это значит, что в материале образуется собственное магнитное поле, полученное в результате сложения магнитных полей (магнитных моментов) отдельных атомов.
Изменение силы тока в катушке приводит к изменению напряженности ее магнитного поля H
, что вызывает изменение магнитной индукции В
в сердечнике этой катушки.
На рис. 36 показаны графики изменения магнитной индукции в зависимости от напряженности намагничивающего магнитного поля. Такие графики называются кривыми намагничивания. Для различных материалов и их марок кривые намагничивания различны. При небольших значениях напряженности поля Н
магнитная индукция в материале быстро увеличивается, намагничивание происходит примерно пропорционально изменению напряженности, а затем, по мере увеличения напряженности магнитного поля, возрастание магнитной индукции материала замедляется.
Состояние материала, при котором дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля не приводит к возрастанию его намагниченности, называется магнитным насыщением
.
Магнитные свойства материалов характеризуются их абсолютной магнитной проницаемостью μ а. Она определяется отношением магнитной индукции В
к напряженности магнитного поля Н
и измеряется в генри/метр (гн/м
)
Абсолютная магнитная проницаемость вакуума μ а = 4π · 10 -7 гн/м
. Для воздуха и других неферромагнитных материалов она незначительно отличается от μ а и при технических расчетах принимается равной 4π · 10 -7 гн/м
.
Так как абсолютная магнитная проницаемость для вакуума и указанных выше материалов практически одинакова, то μ а называется магнитной постоянной
μ 0 .
Абсолютная магнитная проницаемость μ а ферромагнитных материалов непостоянна и во много раз превышает магнитную проницаемость вакуума.
Число, показывающее, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость μ а ферромагнитного материала больше магнитной постоянной μ 0 , называется относительной магнитной проницаемостью
μ или сокращенно магнитной проницаемостью
(табл. 5).
Пример.
Сталь в определенных условиях обладает абсолютной магнитной проницаемостью (μ а = 0,0008792 гн/м
. Вычислить относительную магнитную проницаемость μ этой стали.
Решение
. Магнитная постоянная μ 0 = 4π · 10 -7 гн/м
, тогда относительная магнитная проницаемость
Как видно из кривых намагничивания (см. рис. 36), способность материалов намагничиваться - их магнитная проницаемость - в слабых магнитных полях велика, а затем с ростом индукции постепенно уменьшается.
Следовательно, магнитная проницаемость ферромагнитных материалов - величина изменяющаяся, зависящая от степени их намагничивания.
Таблица 5
Наибольшая относительная магнитная проницаемость некоторых материалов
При одной и той же напряженности магнитного поля магнитная индукция в стали больше, чем в чугуне. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость стали больше магнитной проницаемости чугуна.
Магнитная индукция прямо пропорциональна напряженности поля H
и абсолютной магнитной проницаемости μ а намагничиваемого материала.
