Магнитное поле в веществе

Магнитное поле в веществеФерромагнетики.

Электростати­ческое взаимодействие неподвижных зарядов зависит от свойств среды, в которой они находятся. Опыт по­казывает, что от свойств среды за­висит и магнитное взаимодействие токов. Если около большой катушки подвесить на двух тонких проводах вторую небольшую катушку, то при подключении катушек к источ­нику тока наблюдается отклонение маленькой катушки от вертикального положения. При внесении в большую катушку железного сердечника от­клонение малой катушки существен­но увеличивается. Увеличение силы Ампера, действующей на малую ка­тушку, показывает, что индукция магнитного поля, создаваемого током в большой катушке, увеличивается при внесении железного сердечника в катушку. Вещества, которые значительно усиливают магнитное поле, называют ферромагнетиками.

Кроме железа к ферромагнетикам отно­сятся никель, кобальт и некоторые сплавы – электротехнические стали, пермаллой, пермендюр, альнико, ин­вар и др.

Магнитная проницаемость.

У ферромагнетиков значения маг­нитной проницаемости достигают не­скольких десятков, сотен и даже ты­сяч единиц. Магнитная проницае­мость ферромагнетиков не является постоянной величиной, она зависит от индукции намагничивающего поля В0. Кроме того, процесс намагничи­вания ферромагнетиков зависит от предыдущей истории намагничивания вещества. Это явление называ­ется гистерезисом.

Петлю гестерезиса можно получить следующим образом. Из­готовим сердечник из размагничен­ного ферромагнетика в форме тороида с малой поперечной прорезью и обмотаем его равномерно проводни­ком. Меняя силу тока в обмотке, бу­дем менять индукцию намагничивающего поля В0. Индукцию магнит­ного поля будем измерять в зазоре. Вначале индукция магнитного поля в ферромагнетике растет вмес­те с увеличением индукции намагничивающего поля В0. Этот рост изо­бражен кривой OS. Дальнейшее воз­растание индукции намагничивающего поля (В0>В0S) не приводит к увеличению индукции поля в ферро­магнетике, индукция сохраняет пос­тоянное значение Bs, называемое на­магниченностью насыщения.

Уменьшая силу тока в обмотке, мы будем уменьшать индукцию на­магничивающего поля В0 и тем са­мым индукцию поля в ферромагнети­ке. При этом мы увидим, что индук­ция поля в сердечнике в процессе его размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничи­вания. Когда сила тока в обмотке станет равна нулю, исчезнет и на­магничивающее поле. Но сердечник, сохранит остаточную намагничен­ность – остаточную индукцию Вr. Чтобы полностью размагнитить ферромагнитный сердечник, надо че­рез обмотку пропустить ток противо­положного направления и тем самым создать магнитное поле с противоположно направленной индукцией (-Вс). Значение индукции Вс при ко­торой сердечник размагничивается, называется коэрцитивной силой.

Если далее увеличивать силу тока в обмотке, то процесс намагничива­ния повторится до насыщения. Затем можно повторить процесс размагни­чивания, и мы получим на графике замкнутую петлю гистерезиса.

Форма гистерезисной петли и зна­чение коэрцитивной силы определя­ют область применения тек или иных ферромагнетиков.

Материалы с малой коэрцитивной силой называются «магнитно-мягкими». Эти материалы используются для изготовления сер­дечников электромагнитов, транс­форматоров, машин постоянного и переменного тока (генераторов, дви­гателей).

«Магнитно-твердыми» (или «маг­нитно-жесткими») называются мате­риалы с большим значением коэр­цитивной силы, которые трудно размагнитить. Эти мате­риалы используются для изготовле­ния постоянных магнитов.

Парамагнетики и диамагнетики.

Если в опыте по обнаружению маг­нитного взаимодействия катушек с током в большую катушку вносить стержни из меди, алюминия, стекла, фарфора, дерева и т. п., то существенного изменения от­клонения маленькой катушки заме­тить не удается. Однако эксперимен­ты с применением более чувствитель­ных приборов позволяют установить, что все вещества способны в той или иной мере намагничиваться. По ха­рактеру производимых изменений внешнего поля неферромагнитные вещества делятся на парамагнетики и диамагнетики.

Парамагнетиками называют ве­щества, которые слабо намагничи­ваются в направлении индукции внешнего поля. Магнитная проницае­мость даже наиболее сильных пара­магнетиков мало отличается от еди­ницы: 1,00036 у платины и 1,0034 у жидкого кислорода.

Диамагнетиками называются ве­щества, которые слабо намагничи­ваются в направлении, противопо­ложном индукции намагничивающе­го поля, т.е. они ослабляют внеш­нее магнитное поле. Диамагнитными свойствами обладают, например, се­ребро, свинец, кварц, большинство газов. Магнитная проницаемость диамагнетиков отличается от еди­ницы не более чем на десятитысяч­ные доли. Самый сильный из диамагнетиков — висмут — обладает маг­нитной проницаемостью, равной 0,999824.

Природа диа- и парамагнетизма.

Электроны в оболочке атомов ве­щества движутся по различным ор­битам. Если для упрощения считать чти орбиты круговыми, то каждый электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, можно рассматри­вать как круговой электрический ток. Каждый электрон как круговой ток создает магнитное поле, которое на­зывается орбитальным. Кроме того, у электрона в атоме есть собственное магнитное поле, называемое спи­новым (от англ. spin — вращение, т. е. электрон как бы вращается как волчок).

У атомов одних веществ магнит­ные поля электронов полностью с компенсированы. У этих веществ, при от­сутствии внешнего магнитного поля атомы (и молекулы) не имеют собст­венного магнитного поля. Эти ве­щества являются диамагнетиками. Под действием внешнего магнитного поля орбитальное движение электро­нов меняется таким образом, что ком­пенсация орбитальных магнитных по­лей нарушается. При этом вектор индукции орбитального магнитного поля атома оказывается направлен­ным против индукции внешнего поля. Поэтому диамагнетик выталкивается из внешнего магнитного поля. Диамагнитный эффект присущ всем веществам, но проявиться он может лишь у тех веществ, у ко­торых орбитальные и спиновые маг­нитные поля атомов скомпенсиро­ваны.

У других веществ магнитные поля электронов в атомах скомпенси­рованы не полностью, и атом в це­лом оказывается подобным малень­кому постоянному магниту. Обычно в веществе все эти маленькие маг­ниты ориентированы произвольно, и суммарная магнитная индукция всех их полей равна нулю. Если же поместить вещество в маг­нитное поле, то все маленькие магниты-атомы повернутся во внешнем магнитном поле подобно стрелкам компаса. Векторы индукции магнит­ных полей атомов оказываются пре­имущественно направленными при­мерно вдоль направления вектора ин­дукции внешнего поля, поэтому маг­нитное поле в веществе усиливается. Этот эффект называет­ся парамагнитным. Вещества, в ко­торых этот эффект проявляется, на­зываются парамагнетиками.

Заметим, что полная ориентация магнитных полей атомов возможна только вблизи абсолютного нуля.

Природа ферромагнетизма. До­мены.

Ферромагнетизм также каче­ственно объясняется магнитными свойствами электронов. Каждый электрон в атоме обладает собствен­ным (спиновым) магнитным полем. Во всех газах, жидкостях и в боль­шинстве кристаллов спиновые маг­нитные поля взаимно компенсируют­ся благодаря попарной антипаралле­льной ориентации спинов электро­нов в атомах, молекулах или крис­таллах. Лишь в некоторых кристал­лах, например в кристаллах железа, возникают условия для параллельной ориентации векторов индукции спи­новых магнитных полей части элект­ронов и их сложения. В резуль­тате этого внутри кристалла фер­ромагнетика возникают намагни­ченные области протяженностью 10-2– 10-4см. Эти области самопроизвольного намагничивания называют доменами. В разных доменах индукции магнитных полей имеют различные на­правления, и в большом кристалле поля взаимно компенсируют друг друга. При внесении ферромагнит­ного образца во внешнее магнитное поле происходит смещение границ отдельных доменов так, что объем доменов, ориентированных по внеш­нему полю, увеличивается. Поэтому с увеличением индукции внешнего поля В0 возрастает магнитная ин­дукция намагниченного вещества.

При значениях индукции внешне­го поля S0>S0S смещение границ доменов достигает максимально воз­можного значения, так как все до­мены оказываются ориентированны­ми вдоль индукции внешнего поля. Поэтому возрастание магнитной индукции В с увеличе­нием магнитной индукции So внешне­го поля прекращается. Это явление называется магнитным насыщением.

При вынесении ферромагнитного образца из внешнего магнитного поля значи­тельная часть доменов сохраняет упорядоченную ориентацию. Магнит­но-твердый образец становится пос­тоянным магнитом. Для изготовле­ния постоянных магнитов использу­ются специальные стали, сплавы же­леза с алюминием, никелем и кобаль­том, оксиды железа и некоторых дру­гих металлов.

Температура Кюри.

Упорядочен­ная ориентация магнитных полей атомов в доменах ферромагнетика может быть нарушена за счет энер­гии тепловых колебаний атомов в кристалле. Чем выше температура кристалла, тем быстрее разрушается порядок в ориентации доменов и об­разец размагничивается. Температу­ра, выше которой вещество теряет ферромагнитные свойства и стано­вится парамагнетиком, называется температурой, (или точкой) Кюри.

Исчезновение ферромагнитных свойств при высокой температуре можно наблюдать в опыте с лезви­ем бритвы. При комнатной температуре оно притягивается к магниту; при нагревании в пламени отпадает от магнита, т. е. ферромагнитные свойства стального лезвия теряются. После охлаждения образца его ферромагнитные свойства восстанав­ливаются, однако магнитно-твердый материал может стать магнитно-мяг­ким. Дело в том, что в процессе отжига меняется структура кристал­лической решетки, изменяются упру­гие, магнитные и другие свойства вещества.