Лк 23 Магнитные свойства вещества Магнитное поле

Лк. 23 Магнитные свойства вещества

Магнитное поле в веществе. •

Т. е. магнитный момент - Рm в объеме вещества - V, представляет собой векторную сумму магнитных моментов отдельных молекул. Размерность намагниченности А/м (такая же как у напряженности магнитного поля). Выразим намагниченность через индукцию или напряженность поля в веществе и свяжем последнюю с напряженность внешнего поля. Сделаем это для простого случая, когда намагниченность пропорциональна напряженности поля. Магнитное поле в веществе складывается из двух полей: внешнего поля, с индукцией В 0, и поля, создаваемого намагниченным веществом - Ввнутр. Индукция суммарного поля будет B=B 0 +Bвнутр (23. 2)

Рассмотрим объем вещества в виде кругового цилиндра сечения S и длины l, внесенного в однородное внешнее магнитное поле с индукцией B 0. Если рассмотреть любое сечение цилиндра, перпендикулярное его оси, то во внутренних участках сечения магнетика молекулярные токи соседних атомов направлены навстречу другу и взаимно компенсируются. Некомпенсированными будут лишь молекулярные токи, выходящие на боковую поверхность цилиндра. Эти токи подобны току соленоида и создают магнитное поле с индукцией Bвнутр = μ 0 I/l где I – сила молекулярного тока, а число витков соленоида = 1.

•

•

Классификация веществ по магнитным свойствам • В зависимости от величины магнитной восприимчивости – κ или магнитной проницаемости – μ вещества подразделяются на • Диамагнетики • Парамагнетики • Ферромагнетики • Ферримагнетики • Антиферромагнетики • Рассмотрим классификацию веществ по магнитным свойствам подробнее.

Диамагнетики Это вещества, атомы которых в отсутствии магнитного поля не обладают магнитными моментами. При этом влияние внешнего магнитного поля является проявлением электромагнитной индукции. Согласно правилу Ленца магнитное поле индукционного тока будет направлено против поля, вызвавшего индукционный ток, т. е. против внешнего магнитного поля. В результате магнитная восприимчивость диамагнетика оказывается отрицательной. Диамагнетизм присущ всем веществам. Однако в веществах, атомы которых обладают собственным магнитным моментом он оказывается многократно перекрыт другими магнитными явлениями.

Парамагнетики • Это вещества, атомы которых обладают собственным магнитным моментом, но магнитное взаимодействие их между собой мало. Пока нет внешнего магнитного поля, атомы совершают беспорядочное тепловое движение, а их магнитные моменты ориентированы в пространстве также беспорядочно. В магнитном поле моменты атомов ориентируются преимущественно в направлении поля. Появляется намагниченность и магнитное поле вещества оказывается со направленным с вызвавшим его внешним полем. Суммарное поле в веществе оказывается больше внешнего поля, что соответствует κ >0, или μ > 1. Однако магнитная восприимчивость парамагнетиков значительно меньше 1.

Ферромагнетики Это вещества с сильными магнитными моментами атомов, которые взаимодействуют друг с другом. К ним относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, а также некоторые редкоземельные металлы: При объединении таких атомов в кристаллическую решетку, при не высоких температурах образуются намагниченные области вещества - магнитные домены, обладающие большими магнитными моментами. Суммарное магнитное поле магнитных доменов ферромагнитного образца может быть не нулевым, даже при отсутствии внешнего поля (постоянные магниты).

При наличии внешнего поля магнитные моменты доменов устанавливаются вдоль него, добавляя к индукции внешнего поля индукции поля доменов. Индукция суммарного поля может во много раз превосходить индукцию внешнего поля. Зависимость намагниченности от напряженности внешнего поля имеет сложный характер. Типичный график этой зависимости показан на рисунке. Даже при малых напряженностях внеш. Него поля зависимость от нее намагниченности заметно нелинейная.

С увеличением напряженности внешнего поля намагниченность возрастает вследствие того, что все большее число доменов ориентируются вдоль поля. Этот процесс связан с изменениями доменных границ и сопровождается дополнительными эффектами. Наконец все домены образца оказываются ориентированы вдоль поля, вещество достигло магнитного насыщения. Дальнейшее увеличение напряженности внешнего поля больше не приводит к увеличению намагниченности. Если уменьшать напряженность внешнего поля от насыщающей величины, то график размагничивания не совпадает с графиком намагничивания.

Это явление называется магнитным гистерезисом. При уменьшении намагничивающего поля до нуля ферромагнетик сохраняет некоторую остаточную намагниченность Jост. Для его полного размагничивания необходимо изменить направление намагничивающего поля на противоположное и приложить некоторую напряженность поля Нс, называемую коэрцитивной силой данного образца ферромагнетика.

Ферримагнетики Это вещества у которых магнитные моменты атомов или ионов велики и образуют две (или несколько) магнитных подрешеток с противоположной намагниченностью. Если магнитные поля подрешеток не компенсируют друга, вещество ведет себя подобно ферромагнетику и называется феррит. Широкое использование ферритов обусловлено тем, что они представляют собой соединения окислов и являются диэлектриками. Это качество оказывается очень ценным, поскольку ферромагнентики - это проводники.

• Ферримагнетизм- наиболее общий случай упорядоченного магнитного состояния вещества. Ферромагнетизм и , антиферромагнетизм можно рассматривать как частные случаи ферримагнетизма. • Антиферромагнетики это вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков характерна небольшая положительная магнитная восприимчивость 10 -3 – 10 -5, которая значительно зависит от температуры

Классификация веществ по магнитным свойствам

Действие магнитных сил на контур с током в неоднородном поле

Однородное магнитное поле оказывает на виток с током только вращающее действие. После поворота витка в положение, при котором его магнитный момент совпадет по направлению с вектором индукции повернувшего магнитного поля, силы ампера только растягивают виток в разные стороны и не стремятся переместить или повернуть его.

В случае неоднородного поля его силовые линии не являются параллельными. Они расходятся в направлении убывания индукции поля и сходятся в направлении возрастания. На рисунке для примера показаны силовые линии поля цилиндрической катушки

Если контур с током помещен в неоднородное поле, то силы ампера, наряду с вращающим, будут оказывать на него и перемещающее действие. Определить направление перемещающего действия можно изображением сил Ампера, которые перпендикулярны вектору индукции магнитного поля. Для случая возрастания поля в направлении оси Х изображаем сходящиеся в этом направлении силовые линии и перпендикулярные им силы ампера, которые действуют на контур с током Как видно из рисунка , в этом случае появляется составляющая силы ампера в направлении оси Х, т. е. в направлении увеличения поля.

Если поле убывает в направлении оси Х, то его силовые линии становятся расходящимися в этом направлении, как показано на рис. б. Построение сил ампера в этом случае показывает, что они имеют составляющие, направленные против оси Х, т. е. вновь в направлении возрастания поля.

Силовое действие неоднородного магнитного поля на вещество Диамагнетик выталкивается из области сильного поля. Парамагнетик втягивается в область сильного поля. Ферромагнетик с большой силой втягивается в область сильного поля

Электромагнитные колебания. Существование электроэнергии в виде энергии магнитного и электрического полей напоминает существование механической энергии в виде кинетической энергии движения и потенциальной энергии покоя. Как известно, в механике легко реализуются процессы периодической перекачки энергии из одного вида в другой. Эти процессы называются механическими колебаниями. Аналогичные процессы реализуются и для электроэнергии. Более того, в этом случае удается пространственно разделить накопители электрической и магнитной энергии. Накопителем электрической энергии является конденсатор, а накопителем магнитной - катушка индуктивности. Соединив их вместе, получим цепь, в которой возможны электрические колебания. Данная цепь получила название колебательный контур

•

Это типичное уравнение колебательного процесса, аналогичное уравнению механических колебаний тела с массой m, удерживаемого пружиной с жесткостью k: kx+md 2 x/dt 2=0, где х - координата тела. Продолжая эту аналогию можно сказать, что величина 1/С ассоциируется с жесткостью пружины, а индуктивность L - с массой колеблющегося тела. Более того, потенциальная энергия заряженного конденсатора и сжатой пружины выражаются одинаковыми по виду формулами: WC=(1/C)*(q 2/2), U=k*(x 2/2). Точно такая же аналогия имеется в формулах кинетической энергии движущейся массы и энергии магнитного поля катушки индуктивности: T=mv 2/2, WL=Li 2/2.

•

Имея формулу для заряда конденсатора в колебательном контуре, легко получить выражение для тока в нем: i=dq/dt=-Qωsin(ωt+θ)=Imcos(ωt+θ+π/2) (23. 7) Ток в контуре изменяется во времени также по косинусоидальному закону, но его фаза на π/2 превышает фазу изменения заряда конденсатора. На рисунке 23. 5 показан график изменения во времени заряда и тока

• В начальный момент времени (t=0) заряд конденсатора максима -лен, а ток в цепи равен нулю. Вся энергия сосредоточена в конденсаторе в виде электрического поля между обкладками. Магнитное поле катушки равно нулю. По мере разрядки конденсатора ток в цепи увеличивается (по модулю), что ведет к возрастанию индукции поля в катушке и увеличению энергии магнитного поля. При ωt=π/2 конденсатор полностью разряжен, а ток в цепи (по модулю) и энергия магнитного поля катушки достигают максимальной величины. Вся энергия оказалась передана из конденсатора в катушку. Далее ток в катушке уменьшается (по модулю) и возникающая при этом ЭДС самоиндукции поддерживает неизменным направление тока в контуре. Этот ток заряжает конденсатор но в полярности, противоположной начальной. К моменту времени ωt=π ток в катушке уменьшился до 0, а конденсатор оказался заряженным до первоначальной величины заряда, но в противоположной полярности. Энергия из катушки вновь вернулась в конденсатор. Далее весь процесс колебания повторяется для противоположных начальным полярности заряда конденсатора и направления тока в катушке

Пяитиминутка • Колебательный контур составлен из катушки индуктивности L=1 м. Гн и конденсатора С=10000 п. Ф. Определить частоту собственных колебаний в контуре