Магнітні властивості речовини

Размещено на http://www.allbest.ru/

8

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Державний вищий навчальний заклад

«Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника»

Кафедри фізики і методики викладання

Курсова робота

З курсу «Загальна фізика»

на тему «Магнітні властивості речовини»

Виконала

студентка групи Ф(СО)-31

Фізико-технічного факультету

Лешко Д.В.

Керівник:

доцент Ліщинський І.М.

Івано-Франківськ 2019



План

1.Вступ

2.Магнітний момент електронів і атомів

3.Намагнічення речовини

4.Діамагнетики та парамагнетик

4.1Формула Ланжевена і закон Кюрі

4.2Рух парамагнітних і діамагнітних тіл у магнітному полі. Досліди Фарадея

5.Феромагнетики

5.1 Модель внутрішньої будови феромагнетиків

5.2 Циклічне перемагнічування. Петля гістерезису

5.3 Особливості феромагнітних тіл

6. Висновки

7. Література



Вступ

Сьогодні людина постійно має справу з електричними явищами - добре вивченими та разом із тим і загадковими. Знайомство людей з ними відбулося ще в глибокій давнині: єгиптяни та греки описували розряди блискавок та супроводжуюче їх світіння металевих загострених предметів, «удари» електричних скатів.

Ще древніші згадки відносяться до магнітів - шматочків магнітного залізняку, які здатні притягувати залізні предмети. Найперші відомості про використання магніту як компас містяться в китайських літописах, складених приблизно в 1100 р. до н.е.

Перший науковий опис магніту належить французові П'єру де Марікорту по прозвищу Перегрін, авторові трактату «Лист про магніт» (1269 р.).

Одним з послідовників Перегріна у вивченні електричних явищ став італійський математик, натураліст і лікар Джироламо Кардано (1501 або 1506 - 1576). На досвіді він переконався, що електричні взаємодії тіл істотно відрізняються від магнітних. Про результати своїх спостережень учений повідомив у трактаті «Про проникливість» (1551 р.).

Найбільшого успіху в дослідженні струму та магнетизму в XVI ст. досяг Уїльям Гілберт. У 1600 році він опублікував роботу «Про магнетизм», в якій класифікував багато магнітних явищ. Головною його здогадкою було твердження, що «магнетична дія виливається з кожного боку» магнітного тіла - те, що ми тепер називаємо магнітним полем. Наприкінці XVIII ст. відомості про магнетизм стали більш численними та упорядкованими, вони почали піддаватися теоретичному аналізу і зайняли певне місце як один із розділів фізики. У сучасній фізиці магнетизм - великий розділ, пов'язаний з більшістю провідних галузей фізичної науки та вивчаючий взаємодію речовин з магнітним полем.



2 Магнітні моменти електронів і атомів

Досвід показує, що всі речовини є магнетиками, тобто здатні під дією зовнішнього магнітного поля створювати власне, внутрішнє магнітне поле (отримувати власний магнітний момент, намагнічуватися).

Для пояснення намагнічування тіл Ампер припустив, що в молекулах речовин циркулюють кругові молекулярні струми. Кожен такий мікроструммає власний магнітний момент і створює в навколишньому просторі магнітне поле (рис.1).У відсутності зовнішнього поля молекулярні струми і пов'язані з ними орієнтовані хаотично, тому результуюче поле всередині речовини і сумарний момент всієї речовини дорівнюють нулю. Помістивши речовину в зовнішнє магнітне поле магнітні моменти молекул здобувають переважно орієнтацію в одному напрямку, сумарний магнітний момент стає відмінним від нуля, магнетик намагнічується. Магнітні поля окремих молекулярних струмів вже не компенсують один одного і всередині магнетика виникає його власне внутрішнє поле.

Розглянемо причину цього явища з точки зору будови атомів на основі планетарної моделі атома. Згідно Резерфорда, в центрі атома розташовується позитивно заряджене ядро, навколо якого по стаціонарних орбітах обертаються негативно заряджені електрони. Електрон, що рухається по круговій орбіті навколо ядра, можна розглядати як круговий струм (мікро струм). Оскільки за напрямок струму умовно прийнято напрямок руху позитивних зарядів, а заряд електрона негативний, напрямок мікрострумів протилежно напрямку руху електрона (рис.2).Величину мікрострумівможна визначити наступним чином. Якщо за час t електрон зробив N обертів навколо ядра, то через площадку, розташовану в будь-якому місці на шляху електрона, був перенесений заряд

Згідно з визначенням сили струму

(1)

де частота обертання електрона.

Якщо струм I тече по замкнутому контуру, то такий контур має магнітним моментом, модуль якого дорівнює

(2)

де S - площа, обмежена контуром.

Для мікро струмів такою площею є площа орбіти (r - радіус орбіти), а його магнітний момент (3) дорівнює:

(3)

де - циклічна частота, - лінійна швидкість електрона.

Момент обумовлений рухом електрона по орбіті, тому називається орбітальним магнітним моментом електрона.

Магнітний момент , яким володіє електрон внаслідок свого руху по орбіті, називається орбітальним магнітним моментом електрона.

Напрямок векторів утворює з напрямком мікро струму правогвинтову систему. Як будь-яка матеріальна точка, що рухається по колу, електрон має моментом імпульсу:

(4)

Момент імпульсу L, яким володіє електрон внаслідок свого руху по орбіті, називається орбітальним механічним моментом. Він утворює правогвинтову систему з напрямком руху електрона. Як видно з рис.2, напрями векторів і протилежні.

Виявилося, що, крім орбітальних моментів (тобто обумовлених рухом по орбіті), електрон має власні механічним і магнітним моментами.Спочатку існування і намагалися пояснити, розглядаючи електрон як кулька, що обертається навколо своєї власної осі, тому власний механічний момент імпульсу електрона отримав назву спін (від англ. Spin - обертатися). Надалі виявилося, що таке уявлення призводить до ряду протиріч і від гіпотези про «обертається» електроні відмовилися.В даний час встановлено, що спін електрона і пов'язаний з ним власний (спіновий) магнітний момент є невід'ємною властивістю електрона, подібно до його заряду і масі. Магнітний момент електрона в атомі (5) складається з орбітального і спину моментів:

(5)

Магнітний момент атома складається з магнітних моментів входять до його складу електронів (магнітним моментом ядра зважаючи на його малість нехтують):



(6)

магнітне поле електрон атом феромагнетик



3 Намагнічення речовини

Розглянемо механізм дії зовнішнього магнітного поля на рухомі в атомі електрони, тобто на мікро струми. Як відомо, при приміщенні контуру зі струмом в магнітне поле з індукцією виникає обертальний момент сил

(7)

під дією якого контур орієнтується таким чином, що площина контуру розташовується перпендикулярно, а магнітний момент - вздовж напрямку вектора (рис.3). Аналогічно поводиться електронний мікрострум. Однако орієнтація орбітального мікроструму в магнітному полівідбувається не зовсім так, як контуру зіструмом. Справа в тому, що електрон, що рухається навколо ядра і володіє моментом імпульсу, подібний до вовчка, отже, йомувластивівсіособливостіповедінкигіроскопівпіддієюзовнішніх сил, зокрема, гіроскопічний ефект. Тому, коли помістити атома в магнітне поле на орбітальний мікрострум и починає діяти обертальний момент

(7)



що прагне встановити орбітальний магнітний момент електрона вздовж напрямку поля, виникає прецесія векторів і навколо напрямку вектора (внаслідок гіроскопічного ефекту). Частота цієї прецесії

(8)

Називається Ларморовою частотою і однакова для всіх електронів атомів.

Таким чином, при приміщенні будь-якої речовини в магнітне поле кожен електрон атома за рахунок прецесії своєї орбіти навколо напрямку зовнішнього поля породжує додаткове індуковане магнітне поле, спрямоване проти зовнішнього і послаблює його. Оскільки індуковані магнітні моменти всіх електронів направлені однаково (протилежно вектору), сумарний індукований момент атома також спрямований проти зовнішнього поля.Таким чином, причина появи додаткових магнітних моментів - прецесія орбіти електрона. Явище виникнення в магнетиках індукованого магнітного поля (викликаного прецесією електронних орбіт в зовнішньому магнітному полі), спрямованого протилежно зовнішньому полю і послаблює його, називається діамагнітним ефектом. Діамагнетизм притаманний усім природнимречовинам.

Діамагнітний ефект призводить до ослаблення зовнішнього магнітного поля в магнетиках.Однак, можливе виникнення ще одного ефекту, названого парамагнітним. За відсутності магнітного поля магнітні моменти атомів внаслідок теплового руху орієнтовані безладно і результуючий магнітний момент речовини дорівнює нулю (рис.4, а).

При внесенні такої речовини в однорідне магнітне поле з індукцією поле прагне встановити магнітні моменти атомів уздовж, тому вектори магнітних моментів атомів (молекул) рухаються прецесійно навколо напрямку вектора. Тепловий рух і взаємні зіткнення атомів призводять до поступового загасання прецесії і зменшенні кутів між напрямками векторів магнітних моментів і вектора . Спільна дія магнітного поля і теплового руху,переважно, призводить до орієнтації магнітних моментів атомів уздовж поля(Рис.4, б), тим більшою, чим більше і тим меншою, чим вище температура. В результаті сумарний магнітний момент всіх атомів речовини стане відмінним від нуля, речовина намагнітиться, в ньому виникає власне внутрішнє магнітне поле, співнапрямлене із зовнішнім полем і підсилює його.

Явище виникнення в магнетиках власного магнітного поля, викликаного орієнтацією магнітних моментів атомів вздовж напрямку зовнішнього поля і підсилює його, називається парамагнітним ефектом.

Парамагнітний ефект призводить до посилення зовнішнього магнітного поля в магнетиках.

При приміщенні будь-якої речовини в зовнішнє магнітне поле воно намагнічується, тобто набуває магнітний момент за рахунок діа- або парамагнітного ефекту, в самій речовині виникає її власне внутрішнє магнітне поле (поле мікро струмів) з індукцією.

Для кількісного опису намагнічення речовини вводять поняття намагніченості.Намагніченість магнетика - це векторна фізична величина, що дорівнює сумарному магнітному моменту одиниці об'єму магнетика:

(9)

В СІ намагніченість вимірюється в A / м.

Намагніченість залежить от магнітних властивостей речовини, величини зовнішнього поля і температури. Очевидно, що намагніченість магнетика пов'язана з індукцією.

Як показує досвід, для більшості речовин і в не дуже сильних полях намагніченість прямо пропорційна напруженості зовнішнього поля, що викликає намагнічення:

= ч, (10)

де ч - магнітна сприйнятливість речовини, безрозмірна величина.

Чим більше величина ч, тим більше намагніченим виявляється речовина при заданому зовнішньому полі.

Можна довести, що

=J(11)

Магнітне поле в речовині є векторною сумою двох полів: зовнішнього магнітного поля і внутрішнього, або власного магнітного поля, створюваного мікрострумами. Вектор магнітної індукції магнітного поля в речовині характеризує результуюче магнітне поле і дорівнює геометричній сумі магнітних індукцій зовнішнього і внутрішнього магнітних полів:

. (12)

(13)

Відносна магнітна проникність речовини показує, у скільки разів індукція магнітного поля змінюється в даній речовині.

Що саме відбувається з магнітним полем в даному конкретному речовині - посилюється воно або послаблюється - залежить від величини магнітного моменту атома (або молекули) даної речовини.



4 Діамагнетики і парамагнетики

Магнетик називаються речовини, здатні в зовнішньому магнітному полі набувати магнітних властивостей, намагнічуватися, тобто створювати власне внутрішнє магнітне поле.

Як вже говорилося, всі речовини є магнетиками, так як їх власне внутрішнє магнітне поле визначається векторною сумою мікрополів, породжуваних кожним електроном кожного атома:

=?(14)

Магнітні властивості речовини визначаються магнітними властивостями електронів і атомів даної речовини. За своїм магнітним властивостям магнетики підрозділяються на діамагнетик, парамагнетики, феромагнетики, антиферомагнетики і ферити. Розглянемо послідовно ці класи речовин. Ми з'ясували, що при приміщенні речовини в магнітне поле можуть виникнути два ефекту:

1. Парамагнітний, що приводить до посилення магнітного поля в магнетику внаслідок орієнтації магнітних моментів атомів вздовж напрямку зовнішнього поля.

2. Діамагнітний, що приводить до ослаблення поля внаслідок прецесії електронних орбіт в зовнішньому полі.

Як визначити, який з цих ефектів виникне (або обидва одночасно), який з них виявляється сильнішим, що відбувається в кінцевому підсумку з магнітним полем в даному речовині - посилюється воно або послаблюється?

Як нам вже відомо, магнітні властивості речовини визначаються магнітними моментами його атомів, а магнітний момент атома складається з орбітальних і власних спінових магнітних моментів, що входять до його складу електронів:



(15)

У атомів деяких речовин векторна сума орбітальних та спінових магнітних моментів електронів дорівнює нулю, тобто магнітний момент всього атома дорівнює нулю, При внесенні таких речовин в магнітне поле парамагнетичний ефект, природно, виникнути не може, так як він виникає тільки за рахунок орієнтації магнітних моментів атомів в магнітному полі, тут же їх немає.

А ось прецесія електронних орбіт в зовнішньому полі, яка обумовить діамагнітний ефект, виникає завжди, тому діамагнітний ефект виникає у всіх речовин при приміщенні їх в магнітне поле.

Таким чином, якщо магнітний момент атома (молекули) речовини дорівнює нулю (за рахунок взаємної компенсації магнітних моментів електронів), то при приміщенні такого речовини в магнітне поле в ньому буде виникати тільки діамагнітний ефект. При цьому власне магнітне поле магнетика направлено протилежно зовнішньому полю і послаблює його. Такі речовини називають діамагнетиками.

Діамагнетиками називають речовини, магнітні моменти атомів або молекул яких дорівнюють нулю, коли немає зовнішнього магнітного поля.

В цих речовинах спінові та орбітальні магнітні моменти електронів взаємно скомпенсовані. Діамагнетик в зовнішньому магнітному полі намагнічуються проти напрямку зовнішнього поля і послаблюють його, тому



, m

(16)

ч < 0; µ < 1; 

ч ~ 10^-5 ч 10^-7.

До діамагнетиків належать інертні гази He, Ne, Ar, Kr, Xe,а також такі речовини, якC, Cu, Zn, Ag, Sb, Hg, Pb, Bi,багато органічних сполук тощо.Ослаблення поля в діамагнетиком дуже незначне. Наприклад, для одного з найбільш сильних діамагнетиків, вісмуту, m »0,99998.

Якщо векторна сума орбітальних магнітних моментів усіх електронів атома або молекули не дорівнює нулю, то атом загалом має деякий магнітний момент . Такі атоми (молекули) називаються парамагнітними, а речовини, що складаються з них - парамагнетиками.

До парамагнетиків належать речовини, атоми яких мають незабудовану до кінця зовнішню електронну підоболонку: Mg, Al, Ca,Cr, Mn, Pt,кисень атомарний і молекулярний, солі заліза, кобальту, нікелю, рідкісноземельних елементів тощо.

За відсутності зовнішнього магнітного поля парамагнетик ненамагнічений, оскільки внаслідок теплового руху власні магнітні моменти атомів орієнтовані хаотично .

Розглянемо, що станеться при внесенні парамагнетика в однорідне магнітне поле, магнітна індукція якого дорівнює.

Кожен електрон атома парамагнітного тіла бере участь у двох рухах: орбітальному і прецесійному. Згідно з теоремою Лармора, всі магнітні моменти електронів атома і результуючий магнітний момент атома прецесують навколо напрямку з однаковою кутовою швидкістю.

Тепловий рух атомів парамагнетика і їх зіткнення спричинюють поступове згасання прецесії магнітних моментів атомів, а також зменшення кутів між напрямами і. Отже, незважаючи на утворюване тепловим рухом „розкидання” атомів, цей рух водночас сприяє переважній орієнтації магнітних атомів у напрямку зовнішнього магнітного поля, оскільки саме по собі магнітне поле може спричинювати лише процесіюнавколо напрямку.

Магнітний момент окремого атома має величину, але сукупна дія магнітних моментів усіх атомів, що містяться в одиниці об'єму речовини приводить до ефекту намагнічування, що значно перевищує діамагнітний ефект. Тому парамагнетик намагнічується „за полем”, тобто в напрямку магнітної індукціїзовнішнього магнітного поля.

, (17)

ч > 0; µ > 1; 

ч ~ 10^-3 ч 10^-5

4.1Формула Ланжевена і закон Кюрі

Класичну теорію парамагнетизму розвинув П. Ланжевен, який розглянув задачу про поведінку молекулярних струмів в однорідному магнітному полі.

Орієнтуючадія магнітного поля на атом залежить від магнітного моменту атома і від магнітної індукціїполя.

„Розкидаюча” дія теплового руху визначається величиноюkT, пропорційною до середньої теплової енергії однієї частинки. Виявилося, що результуюча дія двох протилежних факторів залежить від відношення

(18)

Ланжевен знайшов залежність намагніченостіJпарамагнетика від параметра:

, (19)

де - класична функція Ланжавена, яка має вигляд:

(20)

Якщо , то;

Якщо , тоді.

При умова=1 може справджуватися лише в дуже сильних магнітних полях.

У дуже сильних магнітних полях або при дуже низьких температурах, коли більша частина векторів „орієнтована” вздовж напрямку індукції магнітного поля, спостерігаєтьсяявище насиченості: намагніченість не залежить відB. Далеко від області насиченості , тоді

ч (21)



Магнітна сприйнятливість парамагнітних речовин

(22)

Отже ч > 0і значення ч ~ 10^-3 ч 10^-5.

Макроскопічно парамагнетизм виявляється в тому, що парамагнетики втягуються в неоднорідне магнітне поле, а в однорідному полі парамагнітний стрижень орієнтується паралельно до ліній індукції магнітного поля.

При нагріванні парамагнетика, який внесений у зовнішнє магнітне поле, тепловий рух атомів зростатиме і руйнуватиме ту орієнтацію елементарних магнітних моментів частини атомів, яка встановилася під дією зовнішнього поля. Отже, магнітна сприйнятливість парамагнетиків як величина, що характеризує з макроскопічного погляду магнітні властивості речовини, повинна залежати від T:, (23)де C =- стала Кюрі.

Це співвідношення виражає закон Кюрі: магнітна сприйнятливість парамагнетика обернено пропорційна до його термодинамічної температури.

4.2 Рух парамагнітних і діамагнітних тіл у магнітному полі. Досліди Фарадея

Рис2



Притягання залізних предметів до магнітів є най простішим і кидається в очі проявом магнітного поля ,що історично стало основою розвитку всього навчання про магнетизм. Воно зводиться до впливу магнітного поле на орієнтовані молекулярні струми заліза, що намагнітилося. Так само, але тільки значно слабкіше повинне діяти магнітне поле і на парамагнітні тіла, тому що й у парамагнітних тілах орієнтація елементарних струмів відбувається так само, як у феромагнітних: магнітний потік елементарних струмів підсилює, хоча і незначно, магнітний потік що орієнтує поле і, отже, парамагнітні тіла притягаються до магніту (рис. 2, а).

При намагнічуванні парамагнітного чи феромагнітного тіла на найближчому до магніту кінці виникає полюс, різнойменний з полюсом магніту, що намагнічує. Парамагнітне тіло притягається до магніту,

б) У тих же умовах на найближчому до магніту кінці діамагнітного тіла виникає полюс однойменний. Діамагнітне тіло відштовхується від магніту.

На відміну від тіл парамагнітних діамагнітні тіла зменшують магнітний потік котушки. Це означає, що в діамагнітному тілі під дією зовнішнього поле виникають елементарні колові струми такого напрямку, що їхнє магнітне поле протилежне напрямку зовнішнього магнітного поле. Отже, і дія зовнішнього магнітного поле на діамагнітні тіла протилежно по напрямку дії його на тіла феромагнітні і парамагнітні, тобто діамагнітні тіла відштовхуються від магніту (рис. 2, б).

Ми можемо виразити цей факт і трохи інакше. Коли підносити до магніту яке-небудь залізне тіло, то воно намагнічується так, що на тій стороні , що повернена до магніту, виникає полюс, різнойменний з полюсом магнітутак само й у випадку парамагнітного тіла (рис. 2, а). Навпроти, у випадку діамагнітного тіла на стороні, найближчої до полюса магніту, що намагнічує, виникає полюс, однойменний з цим полюсом магніту (рис. 2, б). 

Саме такі дії і були виявлені Фарадеєм. У 1845 р., використавши сильний електромагніт, Фарадей установив здатність усіх тіл намагнічуватися і відкрив, що одні тіла притягаються до магніту, а інші відштовхуються від нього. Він запропонував для перших назва парамагнітних, для других назва діамагнітних. Індукційні досліди з пари- і діамагнітними тілами, були зроблені значно пізніше, коли магнітні властивості діамагнітних і парамагнітних тіл були уже встановлені на підставі досліджень Фарадея.

По силі притягання чи відштовхування можна судити кількісно про здатність тіла намагнічуватися, тобто можна визначити величину магнітної проникності для даної речовини. Цей метод виміру величини , заснований на вивченні притягання чи відштовхування маленького тіла з даної речовини, теоретично більш складний, ніж описаний раніше метод, заснований на вимірі індукції.



5. Феромагнетики

Всі діа- і парамагнетики - це речовини, намагнічуватися вельми слабо, їх магнітна проникність близька до одиниці і не залежить від напруженості магнітного поля Н. Поряд з діа- і парамагнетиками є речовини, здатні сильно намагнічуватися. Вони називаються феромагнетиками.

Феромагнетики або феромагнітні матеріали отримали свою назву від латинського найменування основного представника цих речовин - заліза (ferrum). До феромагнетиків, крім заліза, відносяться кобальт, нікель гадоліній, багато сплавів і хімічних сполук. Феромагнетики - це речовини, здатні дуже сильно намагнічуватися, в яких внутрішнє (власне) магнітне поле може в сотні і тисячі разів перевищувати викликало його зовнішнє магнітне поле.

5.1 Модель внутрішньої будови феромагнетиків

Модель внутрішньої будовиферомагнетика служить для пояснення утворення доменів у феромагнетику і їхньої переорієнтації при намагнічуванні.

Прилад складається з рамки з дном з органічного скла і встановленими на ньому двадцятьма вістрями. Вістря розміщені в чотири ряди на відстані приблизно 15 мм друг від друга. На кожне вістря насаджений сталевий намагнічений циліндрик з одним закругленим торцем. Зверху рамка закрита склом, що охороняє циліндрики від зіскакування з вістря. Прилад пристосований для горизонтальної проекції.

При випадковому розташуванні магнітиків останні мимовільно групуються так, що в кожній групі магнітики мають визначену орієнтацію (домени, або області мимовільного намагнічування). Під дією зовнішнього магнітного поля всі магнітики орієнтуються уздовж його силових ліній.

5.2 Циклічне перемагнічування. Петля гістерезису

Розглянемо процес перемагнічування феромагнетиків.

Допустимо , що кільцевий магнітопровід з феромагнітного матеріалу не намагнічений і струму у витках котушки ні, тобто B=0 і H=0 (початок координат на рис. 4). При поступовому збільшенні струму , що намагнічує, тобто МРС (магнітно-рушійна сила), а отже, і напруженості поля від нуля до деякого найбільшого значення

(24)

Магнітної індукції збільшується по кривій початкового намагнічування (Оа) і досягає відповідного максимального значення Ba.

Якщо потім струм і напруженість поля зменшуються, то і магнітній індукції зменшується, при відповідних значеннях напруженості магнітна індукція трохи більше , ніж при збільшенні напруженості. Крива зміни магнітної індукції (ділянка aб на рис. 4) розташовується вище кривій початкового намагнічування. При нульових значеннях струму і напруженості поля магнітна індукція має деяке значення Br, так звана залишкова індукція

Таким чином, магнітна індукція у феромагнітному матеріалі залежить не тільки від напруженості поля, але і від попереднього стану феромагнетика. Це явище називається гістерезисом. Воно обумовлено ніби внутрішнім тертям, що виникає при зміні орієнтації магнітних моментів доменів.

При зміні напрямку струму , що намагнічує, а, отже, і напрямку напруженості поля і поступовому збільшенні струму зворотного напрямку напруженість досягає значення Hc, називаного коерцитивною(затримуючою) силою (відрізок Ов), при якому магнітна індукція B=0. При подальшому збільшенні струму і напруженості магнітопровід намагнічується в протилежному напрямку і при напруженості Hг = -Ha магнітна індукція досягне значення Bг = -Ba. Потім при зменшенні струму і напруженості поля до нуля магнітна індукція Bд стає рівною -Bб. Нарешті, при наступній зміні напрямку струму і напруженості поля і збільшення її до колишнього значення На магнітна індукція збільшиться також до колишнього значення Ba. Розглянутий цикл перемагнічування феромагнетика по кривій абвгдеа називається гістерезисним циклом (петлею гістерезису).

Така симетрична замкнута петля гістерезису(рис.4) виходить у дійсності тільки після декількох перемагнічувань зі збільшенням струму до значення Іa. При перших циклах перемагнічування петля несиметрична і незамкнута. Найбільша замкнута петля, що може бути отримана для даного феромагнітного матеріалу, називається граничної (рис. 5). При напруженості H > виходить уже безгістерезисна ділянка кривій B(H).

Якщо для даного феромагнітного матеріалу, вибираючи різні найбільші значення струму Іa, одержати кілька симетричних петель гістерезису (рис. 5) і з'єднати вершини петель, то одержимо криву, називану основній кривій намагнічування, близьку до кривої початкового намагнічування.

Циклічне перемагнічування можна застосувати для розмагнічування магнітопроводу, тобто для зменшення залишкової індукції до нульового значення. З цією метою магнітопровід піддають впливові змінюються по напрямку і поступово зменшуваного магнітного поля.

Періодичне перемагнічування зв'язане з витратою енергії, що, перетворюючи в тепло, викликає нагрівання магнітопроводу. Площа петлі гістерезису пропорційна втратам енергії при певному масштабі, яка витратилася на перемагнічування при одному циклі. Цю витрачену енергії не як не використовують, тому її називають втратами енергії на перемагнічування матеріалу осердя (чи втратами енергії від гістерезису). Досліди перемагнічування сталі були проведенні уперше руським вченим А.Г.Столетовим у 1872 році й положенні в основу розрахунку електричних машин та апаратів.

Питома потужність втрат від гістерезису визначається за емпіричною формулою Штейнметца. Згідно якої енергія втрачається на один повний цикл перемагнічування в одиниці об'єму речовини дорівнює

(25)

де - постійний коефіцієнт, що характеризує дану речовину, - амплітуда індукції і n - показник ступеня, що залежить від амплітуди індукції. Для значень індукції 0.1 <Bm<1.0 Тл n = 1.6, а для 0.1>Bmі

1.0 <Bm<1.6 Тл n = 2.

Звідси потужність, що витрачається на перемагнічування або, інакше кажучи, втрати на гістерезис рівні

(26)

5.3 Особливості феромагнітних тіл

Особливістю феромагнітних тіл є їхня здатність до сильного намагнічування, унаслідок якої магнітна проникність цих є дуже велико. У заліза, наприклад, величина досягає значень, що у тисячі разів перевершують значення в парамагнітних і діамагнітних речовин. Намагнічування феромагнітних тіл було вивчено в досвідах А. Г. Столетова й інших учених.

Ці досліди показали, що на відміну від парамагнітних і діамагнітних речовин, магнітна проникність феромагнітних речовин сильно залежить від напруженості магнітного поля, при якій роблять її вимір. Так, наприклад, у слабких полях магнітна проникність , заліза досягає значень 5-6 тисяч, а в сильних полях значення , падають до кількох сотень і нижче.

Намагнічування тіла, поміщеного в магнітне поле, наприклад, усередину соленоїда зі струмом, викликає зміна магнітного потоку. Тому величину намагнічування матеріалу можна характеризувати різницею між магнітним потоком, що дає соленоїд, заповнений даною речовиною, і тим потоком, що дає при тому ж струмі цей соленоїд без осердя в повітрі (чи, точніше, у вакуумі). Якщо порожній соленоїд дає потік , а заповнений -- потік Ф, то, відповідно до теорії магнітної проникності, . Таким чином, величина

(27)

являє собою той додатковий магнітний потік, що створюється намагніченою речовиною. Цю величину ми і будемо називати намагнічуванням даної речовини. Намагнічування залежить від магнітної проникності речовини і від величини потоку , у якому утворюється намагнічування.

Ми вибираємо соленоїд з визначеною площею перетину 1, тому що величина потоку залежить від площі перетину соленоїда.

Вивчення залежності намагнічування заліза й інших феромагнітних матеріалів від напруженості зовнішнього магнітного поля виявляє ряд особливостей цих речовин, що мають важливе практичне значення. Візьмемо шматок ненамагніченого заліза, помістимо його в магнітне поле і будемо вимірювати намагнічування заліза J, поступово збільшуючи напруженість зовнішнього магнітного поле H. Намагнічування J зростає спочатку різко, потім усе повільніше і, нарешті, при значеннях H біля кількох сотень ерстед намагнічування перестає зростати:всі елементарні струми вже орієнтовані, залізо досягло магнітного насичення. Графічно залежність величини J(H) в описуваному досвіді зображується кривої ОА на рис. 8. Горизонтальна частина цієї кривої поблизу А відповідає магнітному насиченню.

Досягши насичення, почнемо послабляти зовнішнє магнітне поле. При цьому намагнічування заліза зменшується, але убування йде повільніше, ніж раніш йшло його зростання. Залежність між величинами J(H) у цьому випадку зображується областю кривоїАС на рис. 8. Ми бачимо, що тому самому значенню H можуть відповідати різні значення намагнічування (точки х, х и х" на рис. 8) у залежності від того, чи підходимо ми до цього значення з боку малих чи з боку великих значень H. Отже, намагнічування заліза залежить не тільки від того, у якому полі даний шматок знаходиться, але і від попередньої історії цього шматка. Це явище одержало назву магнітного гістерезису.

Коли зовнішнє магнітне поле стає рівним нулю, залізо продовжує зберігати деяке залишкове намагнічування, величина якого характеризується відрізком ОС нашого графіка. У цьому і полягає причина того, щоможна виготовляти постійні магнітиз заліза чи сталі.

Рис.8 Крива намагнічування заліза: залежність намагнічування I віднапруженості зовнішнього магнітного поле H (стрілки вказують напрямок процесу)

Для подальшого розмагнічування заліза потрібно прикласти зовнішнє магнітне поле, спрямоване в протилежну сторону. Хід зміни намагнічування J при зростанні напруженості цього протилежно спрямованого поля зображується областюCDE кривої. Лише коли напруженість цього поле досягне визначеного значення (у нашому досліді значення, зображуваноговідрізком OD), залізо буде цілком розмагнічене (точка D).

Таким чином, величина напруженості що розмагнічує поле (відрізок OD) є мірою того, наскільки міцно утримується стан намагнічування заліза. Її називають коерцитивною силою. При зменшенні напруженості поля зворотного напрямку і потім при зростанні напруженості поля первісного напрямку хід зміни намагнічування заліза зображується галуззю кривої EC'A. При новому повторенні всього циклу розмагнічування, перемагнічування і повторного намагнічування заліза в первісному напрямку форма цієї кривої повторюється.

(Галузь ОА зображує хід намагнічування вихідного ненамагніченого матеріалу і не повторюється при повторних циклах. Для того щоб знову відтворити галузь ОА, необхідно привести матеріал у первісний ненамагнічений стан. Для цього досить, наприклад, сильно нагріти його.)

З рис.8 видно, що ця крива, що зображує хід залежності намагнічування заліза J від напруженості зовнішнього поляH, має вигляд петлі. Її називають петлею гістерезису для даного сорту заліза чисталі. Форма петлі гістерезису є найважливішою характеристикою магнітних властивостей того чи іншого феромагнітного матеріалу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

8

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис.9. Криві намагнічування для різних сортів заліза і сталі:

1-м'яке залізо; 2-загартована сталь;  3-незагартована сталь.



Зокрема, знаючи її, ми можемо визначити такі важливі характеристики цього матеріалу, як його магнітне насичення, залишкове намагнічування і коерцитивну силу.

На рис. 9 показана форма петлі гістерезисудля різних сортів заліза і сталі. За формою цієї петлі можна вибрати матеріал, що щонайкраще підходить для тієї чи іншої практичної задачі. Так, для виготовлення постійних магнітів необхідний матеріал з великий коерцитивною силою (сталь і особливо спеціальні сорти кобальтової сталі); для електричних машин і особливо для трансформаторів вигідні матеріали з дуже малою площею петлі гістерезису, тому що вони, як виявляється, найменше нагріваються при перемагнічуванні; для деяких спеціальних приладів важливі матеріали, магнітне насичення яких досягається при малих полях і т.д.

На відміну від тіл парамагнітних і діамагнітних для феромагнетиків величина (28) не залишається постійною, а залежить від зовнішньої напруженості що намагнічує поле Н. Ця залежність для магнітного сплаву (пермалой) і для м'якого заліза показана на рис.10.

Як можна помітити, дана величина має малі початкові значення в слабких полях, потім наростає до максимального значення і при подальшому збільшенні поле в котушці знову зменшується.

Важливо відзначити, що при досягненні визначеної температури магнітна проникність феромагнітних тіл різко падає до значення, близького до 1. Ця температура, характерна для кожної феромагнітної речовини, зветься точою Кюрі.

При температурах вище точки Кюрі усі феромагнітні тіла стають парамагнітними. У заліза точка Кюрі дорівнює 767°С, у нікелю 360°С, у кобальту близько 1130°С. У деяких феромагнітних сплавів точка Кюрі лежить поблизу 100°С.



Рис. 10. Залежність від Н магнітного сплаву пермалоя (1) і в м'якого заліза (2).

Періодичне перемагнічування феромагнітного зразка зв'язано з витратою енергії на його нагрівання. Площа петлі гістерезису пропорційна кількості теплоти, що виділяється в одиниця об'єму феромагнетика за один цикл перемагнічування.

При температурах нижче точки Кюрі феромагнітний зразок розбитий на малі області мимовільної (спонтанної) однорідної намагніченості, називані доменами. Лінійні розміри доменів порядку (10^-5 - 10^-4 м). Усередині кожного домена речовина намагнічена до насичення .

Під час відсутності зовнішнього магнітного поле магнітні моменти доменів орієнтовані в просторі так, що результуючий магнітний момент розмагніченого зразка дорівнює нулю.

Намагнічування феромагнітного зразка в зовнішньому магнітному полі полягає, по-перше, у зсуві границь доменів і росту розмірів тих доменів, вектори магнітних моментів яких близькі в напрямку до магнітної індукції В поля, і, по-друге, у повороті магнітних моментів цілих доменів по напрямку поляВ. У досить сильному магнітному полі досягається стан магнітного насичення, коли весь зразок намагнічений по полю і його намагніченість J не змінюється при подальшому збільшенні В.

Виміри гіромагнітного відношення для феромагнетиків показали, що елементарними носіями магнетизму в них є спінові магнітні моменти електронів. У сучасній квантово-механічній теорії феромагнетизму пояснена природа мимовільної намагніченості феромагнетиків і природа виникнення сильного внутрішнього поля.

Феромагнітними властивостями можуть володіти кристали речовин, атоми яких мають не заповнені електронами внутрішні оболонки , так що проекція результуючого спінового магнітного моменту на напрямок магнітного поля відмінна від нуля. За певних умов завдяки обмінній взаємодії між електронами сусідніх атомів, що має особливу квантово-механічну природу, виявляється стійким такий стан феромагнетиків, коли спини електронів всіх атомів у межах одного домена орієнтовані однаково. У такий спосіб виникає спонтанне намагнічування доменів до насичення. При нагріванні феромагнетика до точки Кюрі тепловий рух руйнує області спонтанної намагніченості і речовина втрачає свої особливі магнітні властивості. При відсутності зовнішнього магнітного поле магнітні моменти окремих доменів орієнтовані хаотично і компенсують один одного, тому результуючий магнітний момент феромагнетика дорівнює нулю і феромагнетик не намагнічений. Зовнішнє магнітне поле орієнтує по полю магнітні моменти не окремих атомів, як це має місце у випадку парамагнетиків, а цілі області спонтанної намагніченості. Тому з ростом Н, намагніченістьJ і магнітна індукція В у досить слабких полях зростають дуже швидко. Цим пояснюється також збільшення m феромагнетиків до максимального значення в слабких полях. Експерименти показали, що залежність B від Н не є плавною, а має східчастий вид. Це свідчить про те, що усередині феромагнетика домени повертаються по полю стрибком.

Рис. 1 Рис.2



При ослабленні зовнішнього магнітного поля до нуля феромагнетики зберігають залишкове намагнічення, тому що тепловий рух не в змозі швидко дезорієнтувати магнітні моменти настільки великих утворень, якими є домени. Тому і спостерігається явище магнітного гістерезису (рис.1). Для того щоб розмагнітитиферомагнетик, необхідно прикласти коерцитивну силу; розмагнічуванню сприяють також струшування і нагрівання феромагнетика. Точка Кюрі виявляється тією температурою, вище якої відбувається руйнування доменної структури(рис.2).

Існування доменів у феромагнетиків доведено експериментально. Прямим експериментальним методом їхнього спостереження є метод порошкових фігур. На ретельно відполіровану поверхню феромагнетика наноситься водяну суспензію дрібного феромагнітного порошку (наприклад, магнетиту). Частки осідають переважно в місцях максимальної неоднорідності магнітного поля, тобто на границях між доменами. Тому осілий порошок окреслює границі доменів і подібну картину можна сфотографувати під мікроскопом. Лінійні розміри доменів виявилися рівними 10^-4-10^-2 .

Подальший розвиток теорії феромагнетизму Френкелем і Гейзенбергом, а також ряд експериментальних фактів дозволили з'ясувати природу елементарних носіїв феромагнетизму. В даний час установлено, що магнітні властивості феромагнетиків визначаються спіновими магнітними моментами електронів. Установлено також, що феромагнітними властивостями можуть володіти тільки кристалічні речовини, в атомах яких є недобудовані внутрішні електронні оболонки з нескомпенсованими спінами. У подібних кристалах можуть виникати сили, що змушують спінові магнітні моменти електронів орієнтуватися паралельно одне до одного, що і приводить до виникнення областей спонтанногонамагнічення- магнітних доменів. Ці сили, називають обмінними силами, мають квантову природу -- вони обумовлені хвильовими властивостями електронів.

Тому що феромагнетизм спостерігається тільки в кристалах, а для них характерна анізотропія, тоді в монокристалах феромагнетиків повинна мати місце анізотропія магнітних властивостей (їхня залежність від напрямку в кристалі). Дійсно, досвід показує, що в одних напрямках у кристалійого намагніченість при даному значенні напруженості магнітного поля найбільша (напрямок найлегшогонамагнічення), в інші -- найменша (напрямок важкого намагнічення). З розгляду магнітних властивостей феромагнетиків випливає, що вони схожі на сегнетоелектрики .

Існують речовини, у яких обмінні взаємодії приводять до антипаралельної орієнтації спінових магнітних моментів сусідніх електронів. Існування таких речовин було теоретично передбачене у 1933 році радянським фізиком Л.Д.Ландау, і вони називаються антиферомагнетиками. До таких речовин відносяться деякі сполуки марганцю (MnО, MnF2), заліза (Fe, FeCl2), хрому та інших елементів. Через антипаралельну орієнтацію спінових моментів електронів сусідніх атомів, антиферомагнетики володіють малою магнітною сприйнятливістю і поводяться, як дуже слабкі парамагнетики. Для них також існує характерна температура ТN, називана антиферомагнітною точкою Кюрі (точкою Нееля), при якій антипаралельне магнітне упорядкування спінових магнітних моментів порушується, а антиферомагнетик перетворюється на парамагнетик. У деяких антиферомагнетиків (ербію, диспрозію, сплавів марганцю і міді) таких температур дві - верхня і нижня точки Нееля, причому антиферомагнітні властивості спостерігаються тільки при проміжних температурах. Понад верхню точку Нееля речовина поводиться як парамагнетик, а нижче нижньої точки - стає феромагнетиком.

Останнім часом великого значення набули напівпровідникові феромагнетики - ферити, сполуки типу MeОЧFe2O3, де Ме - іон двовалентного металу (Mn, Co, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd, Fe). Вони відрізняються помітними феромагнітними властивостями та великим питомим електричним опором. Ферити застосовуються для виготовлення постійних магнітів, феритових антен, осердя радіочастотних контурів, елементів оперативної пам'яті у обчислювальній техніці, для покриття плівок у магнітофонах та відеомагнітофонах і таке інше.



Висновки

На диво довго вчені не звертали уваги на електромагнітну взаємодію, хоча з її різних проявів буквально витканий навколишній світ. Електромагнітним силам природа надала найширшу арену діяльності - побудова атомних оболонок, зчеплення атомів у молекули й утворення газів, рідин, кристалів. Світло теж має електромагнітну природу. Якби електромагнетизм раптом зник, миттєво не залишилося б нічого, крім елементарних часток: електронів, нуклонів, нейтрино...

Так, у розумінні природи електричних і магнітних явищ виділяють кілька етапів. Перший, найдовший - «медичний», тому що протягом цього етапу були відкриті різні способи електризації тіл і лікарі намагалися застосувати властивості електризації для лікування недуг.

Потім наступив «механічний» етап, коли електричні й магнітні явища тлумачили по аналогії теорії тяжіння Ньютона. У наші дні цією аналогією зазвичай користуються для того, щоб пояснити фізичний зміст поняття напруженості поля. Про те, що поле й речовина - принципово різні форми матерії, першим догадався Х. Лоренц при розробці мікроскопічної електродинаміки.

Численні цікаві і цінні властивості феромагнетиків дозволяють широко використовувати їх в різних областях науки і техніки: для виготовлення сердечників трансформаторів і електро-механічних випромінювачів ультразвуку, в якості постійних магнітів і т.д. Феромагнітні матеріали знаходять застосування у військовій справі: в різних електро- і радіоприладах; як джерела ультразвуку - в гідролокації, навігації, звуко-підводного зв'язку; як постійні магніти - при створенні магнітних хв. і для магнітометричної розвідки. Магнітометричних розвідка дозволяє виявляти і пізнавати об'єкти, що містять феромагнітні матеріали; використовується в системі боротьби з підводними човнами і морськими мінами.



Література

1. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. М.: Высш. шк., 1991.

2.Каганов М.И., Цукерник В.М. Природа магнетизма. М.: Наука, 1982. (Б-чка “Квант”).

3.Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1984. (Проблемы науки и техническогопрогресса).

4.Кандаурова Г.С., Оноприенко Л.Г. Доменная структура магнетиков. Основныевопросымикромагнетики. Свердловск: УрГУ, 1986.

5.Парселл. Берклеевский курс физики, электричество и магнетизм. - М.: Мир,1983.

6.Вонсовский, Сергей Васильевич Магнетизм. Магнитные свойства диа-, пара-, ферро-,антиферро - и ферримагнетиков [Текст] / С. В. Вонсовский. - М. : Наука, 1971. (2экз)

7.Ю.М. Поплавко ОСНОВЫ ФИЗИКИ МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ В КРИСТАЛЛАХ: Учебноепособие. Киев: НТУУ «КПИ». 2004. ? ....с. Ил. 72. Библ.: 9 назв.

8.Тикадзуми C. Физика ферромагнетизма Магнитные свойства вещества М.: Мир, 1983. - 304 с, Пер. с японского.

Размещено на Allbest.ru