Магнітні властивості речовини

  1. Діамагнетик
  2. парамагнетики
  3. ферромагнетики

Магнентікі - речовини, що володіють магнітними властивостями. Магнетик є всі речовини, оскільки згідно гіпотезі Ампера , Магнітні властивості створюються елементарними струмами (рухом електрона в атомі).

гіпотезі Ампера

Електрон, що обертається по замкнутій орбіті, є струм, напрямок якого протилежно руху електрона. Тоді цей рух створює магнітне поле, магнітний момент якого pm = IS спрямований за правилом правої руки перпендикулярно площині орбіти.

Тоді цей рух створює магнітне поле, магнітний момент якого pm = IS спрямований   за правилом правої руки   перпендикулярно площині орбіти

Крім того, незалежно від орбітального руху, електрони володіють власним магнітним моментом (спіном). Таким чином, магнетизм атомів обумовлений двома причинами: рухом електронів по орбітах і власним магнітним моментом.

Таким чином, магнетизм атомів обумовлений двома причинами: рухом електронів по орбітах і власним магнітним моментом

При внесенні магнетика в зовнішнє магнітне поле з індукцією В0 він намагнічується, тобто створює власне магнітне поле з індукцією В ', яке складивется із зовнішнім:

В = В0 + В '

Індукція власного магнітного поля залежить як від зовнішнього поля, так і від магнітної сприйнятливості χ речовини:

В '= χ В0

Тоді В = В0 + χ В0 = В0 (1 + χ)

Але магнітна індукція всередині магнетика залежить від магнітної проникності вещевтва:

В = μ В0

Звідси μ = 1 + χ.

Магнітна сприйнятливість χ - фізична величина, що характеризує зв'язок між магнітним моментом (намагниченностью) речовини і магнітним полем в цій речовині

Магнітна сприйнятливість χ - фізична величина, що характеризує зв'язок між магнітним моментом (намагниченностью) речовини і магнітним полем в цій речовині

Магнітна проникність μ - коефіцієнт (залежить від властивостей середовища), що характеризує зв'язок між магнітною індукцією і напруженістю магнітного поля в речовині

Магнітна проникність μ - коефіцієнт (залежить від властивостей середовища), що характеризує зв'язок між магнітною індукцією і напруженістю магнітного поля в речовині

На відміну від діелектричної проникності речовини, яка завжди більше одиниці, магнітна проникність може бути як більше, так і менше одиниці. Розрізняють Діамагнетик <1), парамагнетики (μ> 1) і феромагнетики >> 1).

Діамагнетик

Діамагнетиками називаються речовини, які намагнічуються у зовнішньому магнітному полі в напрямку, протилежному напрямку вектора магнітної індукції поля.

До діамагнетиків відносяться речовини, магнітні моменти атомів, молекул або іонів яких за відсутності зовнішнього магнітного поля дорівнюють нулю. Діамагнетиками є інертні гази, молекулярний водень і азот, цинк, мідь, золото, вісмут, парафін і багато інших органічні та неорганічні сполуки.

У разі відсутності магнітного поля діамагнетик немагнітний, оскільки в даному випадку магнітні моменти електронів взаємно компенсуються, і сумарний магнітний момент атома дорівнює нулю.

Оскільки діамагнітний ефект обумовлений дією зовнішнього магнітного поля на електрони атомів речовини, то диамагнетизм властивий всім речовинам.

Слід зазначити, що магнітна проникність у діамагнетіков μ <1. Ось, наприклад, у золота μ = 0,999961, у міді μ = 0,9999897 і т.д.

У магнітному полі Діамагнетик розташовуються перпендикулярно силовим лініям зовнішнього магнітного поля.

У магнітному полі Діамагнетик розташовуються перпендикулярно силовим лініям зовнішнього магнітного поля

парамагнетики

Парамагнетики - речовини, намагнічуватися в зовнішньому магнітному полі у напрямку поля.

У парамагнітних речовин при відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти електронів не компенсують один одного, і атоми (молекули) парамагнетиков завжди мають магнітним моментом. Однак внаслідок теплового руху молекул їх магнітні моменти орієнтовані безладно, тому парамагнітні речовини магнітними властивостями не володіють. При внесенні парамагнетиков в зовнішнє магнітне поле встановлюється переважна орієнтація магнітних моментів атомів по полю (повної орієнтації перешкоджає тепловий рух атомів).

Таким чином, парамагнетик намагнічується, створюючи власне магнітне поле, що збігається по напрямку з зовнішнім полем і підсилює його.

При ослабленні зовнішнього магнітного поля до нуля орієнтація магнітних моментів внаслідок теплового руху порушується і парамагнетик розмагнічується.

Ось деякі парамагнітні речовини: а люміній μ = 1,000023; в Повітря μ = 1,00000038.

У зовнішньому магнітному полі парамагнетики розташовуються уздовж силових ліній.

У зовнішньому магнітному полі парамагнетики розташовуються уздовж силових ліній

ферромагнетики

Феромагнетиками називаються тверді речовини, що володіють при не дуже високих температурах мимовільної (спонтанної) намагніченістю, яка сильно змінюється під впливом зовнішніх впливів - магнітного поля, деформації, зміни температури.

Ферромагнетики на відміну від слабомагнітних діа- і парамагнетиків є сильномагнітних середовищами:

внутрішнє магнітне поле в них може в сотні і тисячі разів перевершувати зовнішнє поле.

Феромагнітні матеріали у великій чи меншою мірою володіють магнітною анізотропією, тобто властивістю намагнічуватися з різним ступенем труднощі в різних напрямках.

Магнітні властивості феромагнітних матеріалів зберігаються до тих пір, поки їх температура не досягне значення, званого точкою Кюрі. При температурах вище точки Кюрі феромагнетик веде себе в зовнішньому магнітному полі як парамагнітне речовина. Він не тільки втрачає свої феромагнітні властивості, але у нього змінюється теплоємність, електропровідність і деякі інші фізичні характеристики.

Точка Кюрі для різних матеріалів різна:

Залізо (Fe) 780 ο С Нікель (Ni) 350 ο С Кобальт (Co) 1130 ο С Гадолиний (Gd) 16 ο С Діспрозій (Dy) -186 ο С

Природа феромагнетизму:

Згідно з уявленнями Вейсса (1865-1940), його описової теорії феромагнетизму, ферромагнетики при температурах нижче точки Кюрі мають спонтанної намагніченістю незалежно від наявності зовнішнього що намагнічує поле. Однак це вносило певна суперечність, тому що багато феромагнітні матеріали при температурах нижче точки Кюрі НЕ намагнічені.

Для усунення цього протиріччя Вейсс ввів гіпотезу, згідно з якою ферромагнетик нижче точки Кюрі розбивається на велике число малих мікроскопічних (близько 10-3- 10-2 см) областей - доменів, мимовільно намагнічених до насичення.

При відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти окремих атомів орієнтовані хаотично і компенсують один одного, тому результуючий магнітний момент ферромагнетика дорівнює нулю, тобто ферромагнетик НЕ намагнічений.

Зовнішнє магнітне поле орієнтує по полю магнітні моменти не окремих атомів, як в парамагнетика, а цілих областей спонтанної намагніченості. Тому з ростом H намагніченість J і магнітна індукція B вже в слабких полях росте досить швидко.

Тому з ростом H    намагніченість J і магнітна індукція B вже в слабких полях росте досить швидко

Різні феромагнітні матеріали мають неоднакову здатність проводити магнітний потік. Основною характеристикою феромагнітного матеріалу є петля магнітного гістерезису В (Н). Ця залежність визначає значення магнітної індукції, яка буде порушена в муздрамтеатрі з даного матеріалу при впливі деякої напруженості поля.

Ця залежність визначає значення магнітної індукції, яка буде порушена в муздрамтеатрі з даного матеріалу при впливі деякої напруженості поля

Розглянемо процес перемагнічування феромагнетика. Нехай спочатку він був повністю розмагнічений. Спочатку індукція швидко зростає за рахунок того, що магнітні диполі орієнтуються по силових лініях поля, додаючи свій магнітний потік до зовнішнього. Потім її зростання сповільнюється в міру того, як кількість неорієнтованих диполів зменшується і, нарешті, коли практично всі вони орієнтуються по зовнішньому полю зростання індукції припиняється і настає режим насичення.

Гістерезисом називають відставання зміни індукції від напруженості магнітного поля.

Симетрична петля гістерезису, отримана при максимальній напруженості поля Hm, відповідної насиченню феромагнетика, називається граничним циклом.

Для граничного циклу встановлюють також значення індукції Br при H = 0, яке називається залишкової індукцією, і значення Hc при B = 0, зване коерцитивної силою. Коерцитивна (утримує) сила показує, яку напруженість зовнішнього поля слід докласти до речовини, щоб зменшити залишкову індукцію до нуля.

Форма і характерні точки граничного циклу визначають властивості феромагнетика. Речовини з великою залишковою індукцією, коерцитивної силою і площею петлі гистерезиса називаються магнітнотвердимі.

Вони використовуються для виготовлення постійних магнітів. Речовини з малою залишковою індукцією і площею петлі гистерезиса (крива 2 рис.8) називаються магнітномягкімі і використовуються для виготовлення магнітопроводів електротехнічних пристроїв, особливо працюючих при періодично змінюється магнітному потоці.

Площа петлі гистерезиса характеризує роботу, яку необхідно зробити для перемагнічування феромагнетика. Якщо за умовами роботи ферромагнетик повинен перемагнічуватися, то його слід робити з магніто-м'якого матеріалу, площа петлі гістерезису якого мала. З м'яких феромагнетиків роблять сердечники трансформаторів.

З жорстких ферромагнетиков (сталь і її сплави) роблять постійні магніти.

З жорстких ферромагнетиков (сталь і її сплави) роблять постійні магніти