Магнитные свойства вещества

 Магнитная проницаемость вещества

Экспериментальные исследования показали, что все вещества в большей или меньшей степени обладают магнитными свойствами. Индукция магнитного поля, создаваемого электрическими токами в веществе, отличается от индукции магнитного поля, создаваемого теми же токами в вакууме.

Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукции магнитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью:

,

где B – магнитная индукция в однородной среде,

В₀ – в вакууме.

Вещества по своим магнитным свойствам делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Вещества, ослабляющие внешнее магнитное поле, называют диамагнетиками.

Вещества, усиливающие внешнее магнитное поле, — парамагнетики.

Для диамагнетиков μ<1, для парамагнетиков μ>1. Н

о в том и другом случае отличие  от 1 невелико (несколько десятитысячных или стотысячных долей единицы).

Некоторые вещества вызывают очень большое усиление внешнего поля.

Их называют ферромагнетиками. Для них  μ = 10³-10⁵.

Гипотеза Ампера

Впервые объяснение причин, вследствие которых тела обладают магнитными свойствами, дал Ампер. Согласно его гипотезе, внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи, которые и определяют магнитные свойства любого вещества. Мы знаем, что эти токи образуются вследствие движения электронов в атомах. Если плоскости, в которых циркулируют эти токи, расположены беспорядочно по отношению друг к другу из-за теплового движения молекул (а), то их действия взаимно компенсируются, и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает. В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы так, что их действия складываются.

В настоящее время установлено, что все атомы и элементарные частицы действительно обладают магнитными свойствами. Магнитные свойства атомов в основном определяются входящими в их состав электронами.

 Диамагнетики

Диамагнетики:  вода, висмут, медь, золото, сера, ртуть, хлор, инертные газы и практически все органические соединения. Если стержень из диамагнетика подвесить в вакууме в однородном магнитном поле, то в положении равновесия он установится перпендикулярно линиям магнитной индукции

Диамагнетик в магнитном поле намагничивается таким образом, что на том его конце, где входят линии внешнего поля, образуется северный полюс, а с противоположной стороны южный.

Диамагнетик не усиливает, а ослабляет внешнее магнитное поле. μ < 1 (например, для золота μ = 0,999961). Собственное магнитное поле, созданное диамагнетиком, направлено противоположно внешнему, и индукция внутри диамагнетика В меньше индукции В₀ при отсутствии поля. Магнитное поле внутри диамагнитных веществ несколько слабее, чем снаружи. Внешнее поле вблизи диамагнетика искажается; силовые линии поля как бы выталкиваются из диамагнитного тела

 Если диамагнетик поднести к определенному полюсу магнита, то он будет отталкиваться. Например, так как продуктами сгорания свечи являются диамагнитные частицы, то пламя свечи в магнитном поле будет отклоняться

Парамагнетики

Парамагнетики: алюминий, кислород, молибден, платина, кальций, хром, соли железа, никеля, марганец. Если стержень из парамагнетика подвесить в вакууме в однородном магнитном поле, то он установится вдоль линий магнитной индукции. Парамагнитные вещества не имеют остаточного магнетизма и после выключения намагничивающего поля, они теряют свои магнитные свойства.

Парамагнетиками называются вещества, которые, попав в магнитное поле, несколько усиливают его за счет своего магнетизма. Объясняется это тем, что частицы парамагнетиков обладают собственным магнитным полем, образованным вращением электронов вокруг ядер их атомов. Это магнитное поле подобно полю кругового тока, поэтому вращение электрона можно назвать молекулярным током.

При намагничивании парамагнетика его молекулярные токи располагаются так, что общее магнитное поле частиц оказывается направленным вдоль внешнего поля, намагничивающего парамагнетик. Действительно, каждая частица парамагнетика является элементарным магнитиком. Внешнее магнитное поле заставляет северные полюсы частиц поворачиваться в направлении внешнего поля. Магнитное поле, созданное парамагнетиком, усиливает, хотя и незначительно внешнее магнитное поле, поэтому индукция В результирующего поля больше магнитной индукции В₀ поля при отсутствии парамагнетика.

Ферромагнетики

Ферромагнетики кристаллическое железо, никель, кобальт, многие сплавы этих элементов между собой и с другими неферромагнитными соединениями, а также сплавы и соединения хрома и марганца с неферромагнитными элементами. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется и после выключения внешнего поля.

Ферромагнетики во внешнем магнитном поле намагничиваются подобно парамагнетикам, они создают собственное магнитное поле. Это вещества, которые имеют самостоятельно намагниченные области (домены от франц. domaine - владение).

Понятие домена было введено П. Вейсом в 1907 г. Вейс представлял домены в виде небольших «колоний» атомов, в пределах которых магнитные моменты всех атомов в силу каких-то причин вынуждены сохранять одинаковую ориентацию, так что каждый домен намагничен до насыщения. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм и соответственно объем порядка 10^-6 мм³.

Домены разделены так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. Такие стенки представляют собой «переходные слои», в которых происходит изменение направления намагниченности доменов.

В ненамагниченном веществе оси доменов ориентированы хаотично. Общий магнитный эффект весьма мал или равен нулю. Когда же все домены ориентируются в одном направлении, то вещество намагничивается, имея полюсы возле концов.

Если все домены в ферромагнетике перемагнитятся в направлении внешнего поля, то дальнейшее усиление этого поля уже не вызовет дополнительного намагничивания ферромагнетика. Состояние наибольшего намагничивания ферромагнетика называется магнитным насыщением. Впервые с большим успехом это явление исследовал русский ученый А. Г. Столетов Магнитное поле внутри ферромагнитных веществ во много раз сильнее, чем в парамагнетиках

Ферромагнитными веществами или ферромагнетиками являются вещества, магнитная проницаемость которых значительно превышает единицу, μ >> 1 (например, для чистого железа μ = 104) от 5000 (для Fe) до 800 000 (для супермаллоя). Внешнее поле вокруг ферромагнетика оказывается значительно более искаженным, чем в случае парамагнетика, и имеет такой вид, как если бы его силовые линии оказались втянутыми и ферромагнетик.

Температура Кюри температура, при которой ферромагнетики теряют свои магнитные свойства и ведут себя как парамагнетики

Магнитный гистерезис обычно проявляется в ферромагнетиках Fe, Co, Ni и сплавах на их основе. Именно магнитным гистерезисом объясняется существование постоянных магнитов. Магнитный гистерезис явление зависимости вектора намагничивания и вектора напряженности магнитного поля в веществе не только от приложенного внешнего поля, но и от предыстории данного образца.

Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетика. Пусть первоначально он был полностью размагничен. Сначала индукция быстро возрастает за счет того, что магнитные диполи ориентируются по силовым линиям поля, добавляя свой магнитный поток к внешнему. Затем ее рост замедляется по мере того, как количество неориентированных диполей уменьшается и, наконец, когда практически все они ориентируются по внешнему полю рост индукции прекращается и наступает режим насыщения.

Если в процессе намагничивания довести напряженность поля до некоторого значения, а затем начать уменьшать, то уменьшение индукции будет происходить медленнее, чем при намагничивании и новая кривая будет отличаться от первоначальной. Кривая изменения индукции при увеличении напряженности поля для предварительно полностью размагниченного вещества называется начальной кривой намагничивания . На рисунке она показана утолщенной линией.

После нескольких (около 10) циклов изменения напряженности от положительного до отрицательного максимальных значений зависимость B =f (H ) начнет повторяться и приобретет характерный вид симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса. Гистерезисом называют отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля .

Ферромагнитная жидкость

Применение ферромагнетиков

Ферромагнетики имеют наибольшее практическое применение, хотя их и не так много в природе. Железный или стальной сердечник в катушке во много раз усиливает создаваемое этой катушкой поле, не увеличивая силу тока в катушке. Это экономит электроэнергию. Сердечники трансформаторов, генераторов, электродвигателей и других устройств изготавливают из ферромагнетиков. При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остаётся намагниченным, то есть создаёт магнитное поле в окружающем его пространстве. Упорядоченная ориентация элементарных токов не исчезает при выключении внешнего магнитного поля. Благодаря этому существуют постоянные магниты. Постоянные магниты находят широкое применение в элеяктроизмерительных приборах, громкоговорителях, телефонах, в устройствах звукозаписи, магнитных компасах и т.д.

 Большое распространение получили ферриты - ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока. Они представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. Первый из известных человеку ферромагнитных материалов - магнитный железняк - является ферритом.

Примеры решения заданий:

Задача 1. Для каких целей применяют ферромагнитные материалы? Выберите один правильный ответ.

Варианты ответов:

1) для усиления силы тока;

2) для ослабления магнитного поля;

3) для усиления магнитного поля;

4) для ослабления силы тока.

Пояснение: ферромагнетики и ферромагнитные материалы это вещества, которые создают наиболее сильные магнитные поля. Правильный ответ: 3) для усиления магнитного поля.

Задача 2. По графику определите магнитную проницаемость стали при индукции В₀ намагничивающего поля 1) 0,4 мТл, 2) 1,2 мТл.

Задачи:

1. В однородном магнитном поле с индукцией 2·10^-4 Тл помещен перпендикулярно к силовым линиям прямолинейный длинный проводник с током 50 А. Найти геометрическое место точек, в которых индукция магнитного поля равна нулю. Найти силу, в действующую в воздухе на отрезок проводника длиной 50 см.

2. В однородное магнитное поле индукцией В = 10 мТл перпендикулярно линиям индукции влетает электрон с кинетической энергией 30 кэВ. Каков радиус кривизны траектории движения электрона в поле?

3. Найти скорость и заряженной частицы, которую она приобрела, пройдя ускоряющее напряжение U и, попав в магнитное поле индукцией В, описала окружность радиусом R.

Домашнее задание:

Задача: Найти скорость и заряженной частицы, которую она приобрела, пройдя ускоряющее напряжение U и, попав в магнитное поле индукцией В, описала окружность радиусом R.

Контрольные вопросы:

1. Какое вещество называют ферромагнетиками?

2. Для каких целей применяют ферримагнитные материалы?

3. Чем диамагнетик отличается от парамагнетика?

4. Что называется магнитной проницаемостью?