Магнітне поле в речовині Намагнічування речовини Магнітний момент

Магнітне поле в речовині Намагнічування речовини. Магнітний момент. Вектор намагнічування. Магнітне поле в магнетиках. Теорема про циркуляцію напруженості магнітного поля Діамагнетики. Парамагнетики. Феромагнетики. Магнітний гістерезис.

Намагнічування речовини Якщо в магнітне поле , що створене у вакуумі, помістити будь-яку речовину, то магнітне поле зміниться. Це пояснюється тим, що всяка речовина є магнетиком, тобто здатна під дією магнітного поля набувати магнітний момент (намагнічуватися). Намагнічена речовина створює додаткове поле , що разом з зовнішнім полем утворює результуюче поле

Яким чином буде створюватися власне поле магнетика залежить від магнітних моментів в речовині. Нагадаємо, що за означенням магнітним моментом називається величина Напрямок магнітного моменту пов’язаний з напрямком струму правилом правого гвинта

На початку дослідження магнітних властивостей речовини Ампер для пояснення намагнічування тіл припустив (гіпотеза Ампера), що в молекулах речовини циркулюють кругові струми (молекулярні струми). Кожний такий струм має магнітний момент і створює в навколишньому просторі магнітне поле. За умови відсутності зовнішнього поля молекулярні струми орієнтовані безладно, тому результуюче поле, що обумовлене ними, в середньому дорівнює нулю. Внаслідок хаотичної орієнтації магнітних моментів окремих молекул сумарний магнітний момент тіла також дорівнює нулю. Під дією зовнішнього поля магнітні моменти молекул отримують переважну орієнтацію в одному напрямку, внаслідок чого речовина намагнічується – її сумарний магнітний момент стає відмінним від нуля. Магнітні поля окремих молекулярних струмів у цьому випадку вже не компенсують один одного, і тому виникає додаткове поле.

Намагнічування речовини характеризують вектором намагніченості. Вектором намагніченості називають магнітний момент одиниці об’єму де – фізично нескінченно малий об'єм, узятий біля деякої точки простору; – магнітний момент окремої молекули. Підсумовування виконується за всіма молекулами, що знаходяться в об'ємі . Намагніченість у системі СІ вимірюється в амперах поділених на метр (А/м). Отже, якщо вектор намагніченості деякої речовини є відмінним від нуля, то навколо цієї речовини створюватиметься магнітне поле.

Теорема Гауса для індукції магнітного поля в речовині. Існування в речовині молекулярних струмів призводить до виникнення у правій частині теореми Гауса іще одного доданку Тут ми зіштовхуємося з утрудненням: для того щоб знайти циркуляцію індукції поля , потрібно знати суму молекулярних струмів, яка, у свою чергу, залежить від індукції поля.

Напруженість магнітного поля. Теорема про циркуляцію напруженості магнітного поля Обійти це ускладнення можна у такий спосіб - знайти допоміжну величину, циркуляція якої визначається лише сумою макроскопічних (зовнішніх) струмів, значення яких легко віднайти. Цю допоміжну величину називають напруженістю магнітного поля й позначають буквою . Вона дорівнює

Теорема про циркуляцію вектора напруженості магнітного поля циркуляція вектора напруженості магнітного поля по деякому контуру дорівнює алгебраїчній сумі макроскопічних (зовнішніх) струмів, які охоплюються цим контуром. У вакуумі , тому перетворюється в , і формула обчислення циркуляції напруженості магнітного поля переходить у формулу для циркуляції індукції магнітного поля у вакуумі. Напруженість магнітного поля вимірюється в амперах поділених на метр (А/м).

Магнітна проникність, магнітна сприйнятливість Дослід показує, що в кожній точці магнетика де – характерна для даного магнетика величина, яка називається магнітною сприйнятливістю Підставивши цей вираз у формулу, що виражає означення напруженості магнітного поля, отримаємо , звідки відносною магнітною проникністю, або просто магнітною проникністю речовини. Вона показує, у скільки разів Безрозмірна величина підсилюється поле в магнетику. називається

Тоді напруженість магнітного поля буде пов’язана з індукцією наступним співвідношенням Таким чином, для обчислення поля у магнетиках спочатку за допомогою теореми про циркуляцію напруженості магнітного поля необхідно знайти значення напруженості , а потім, використовуючи наведений вище зв’язок, обрахувати індукцію магнітного поля. Значення магнітної проникності – або затабульована величина, або знаходиться зі спеціальних графіків.

Парамагнетики. Діамагнетики. Феромагнетики. Магнітний гістерезис. На відміну від діелектриків, які завжди зменшують напруженість електричного поля, магнетики можуть як зменьшувати індукцію зовнішнього магнітного поля (для цих речовин магнітна сприйнятливість від’ємна χ <0, проникність меньша одиниці μ <1), так і збільшувати її (для цих речовин χ >0, а μ >1), причьому у деяких випадках дуже суттєво (для них μ >>1).

В усіх випадках поле всередині магнетика буде складатися з зовнішнього поля (створюваного зовнішніми джерелами) та власного, яке виникає під дією зовнішнього (поля молекулярних струмів намагніченості). Якщо поле струмів намагніченості напрямлене подібно до зовнішнього, то індукція сумарного поля буде більшою за індукцію зовнішнього поля – в цьому випадку ми говоримо, що речовина підсилює поле; якщо ж поле струмів намагніченості напрямлене протилежно зовнішньому полю, то сумарне поле буде меншим зовнішнього поля – саме в цьому сенсі кажуть, що речовина послаблює зовнішнє поле.

Парамагнетики – речовини, молекули яких мають власний магнітний момент. У зовнішньому магнітному полі парамагнетики намагнічуються по напрямку зовнішнього поля, що призводить до його підсилення. За відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні момент атомів та молекул внаслідок теплового руху зорієнтовані хаотично, тому їх середня намагніченість дорівнює нулю (рис. 1). При накладанні зовнішнього магнітного поля на атоми і молекули починає діяти момент сил, який намагається повернути їх таким чином, щоб магнітний момент був орієнтований паралельно полю. Виникнення набутої орієнтації молекул парамагнетика призводить до того, що речовина намагнічується, тобто в ньому виникає ненульовий магнітний момент. Причому магнітне поле, яке створюється цим магнітним моментом, буде співнапрямленим із зовнішнім полем. Тому парамагнетики підсилюють зовнішнє поле. Також таке намагнічування призводить до того, що парамагнетики втягуються в область більш сильного магнітного поля.

Діамагнетики Діамагнетиками називаються речовини, молекули яких не мають власного магнітного моменту. Під дією зовнішнього магнітного поля в атомах і молекулах наводиться (індукується) магнітний момент, спрямований протилежно вектору індукції зовнішнього поля. Такий напрям індукованого магнітного моменту призводить до того, що діамагнетики виштовхуються з магнітного поля. Діамагнитный ефект властивий усім речовинам без виключення, проте у багатьох випадках він маскується іншими сильнішими магнітними явищами. Детальний механізм виникнення магнітного моменту дещо різний для різних видів речовин (атомів, багатоатомних молекул, кристалів) і коректно пояснюється тільки в рамках квантової теорії будови речовини.

Не претендуючи на кількісну відповідність результатів розрахунків і експериментальних даних, якісно зрозуміти механізм виникнення магнітного моменту можна і у рамках класичної фізики. Нехай в деякому атомі два валентних електрони обертаються на зовнішній оболонці ядра по однакових кругових орбітах в протилежні сторони (рис. 2). На електрони діє кулонівська сила з боку ядра, яка і забезпечує доцентрове прискорення електронів. Кожен з електронів, що рухаються, є круговим струмом, який має магнітний момент. Зрозуміло, що в цій моделі, оскільки електрони обертаються в протилежних напрямах, сумарний магнітний момент усієї системи дорівнює нулю. Якщо ж цей атом помістити в зовнішнє магнітне поле (для простоти перпендикулярне площині орбіт), то на електрони, що рухаються, почне діяти сила Лоренца (рис. 3), причому ця сила для одного електрона буде спрямована до центру кола, а для іншого - від центру. Ці сили змінять швидкості руху електронів: швидкість одного зросте, а іншого зменшиться, внаслідок чого магнітні моменти електронів змінюватися, а атом в цілому придбає магнітний момент, спрямований протилежно зовнішньому полю. Діамагнетиками з подібним механізмом намагнічення являються інертні гази, газоподібний водень. Діиамагнітный ефект для них надзвичайно малий

В усіх речовинах окрім орієнтації молекул в магнітному полі, індукується магнітний момент, спрямований протилежно зовнішньому полю, тобто є присутнім діамагнитный ефект. Проте, намагніченість, що виникає завдяки орієнтації, значно перевищує діамагнитный ефект. Строго кажучи, поведінка молекул, що мають власний магнітний момент, в магнітному полі значно складніше, описаного вище. Річ у тому, що такі атоми і молекули у вільному стані володіють і власним моментом імпульсу (механічним моментом). Тому їх поведінка подібно до поведінки дзиги яка обертається. Якщо на дзигу діє момент зовнішніх сил, то її вісь починає описувати конус, тобто прецесувати навколо вектору індукції поля. Тому осі прецесії усіх молекул співпадають. Саме такий рух молекул призводить до виникнення намагнічення речовини. Помітимо, що прецесія молекул в магнітному полі називається прецесією Лармора, на честь французького вченого, що уперше описав це явище.

Феромагнетики. Магнітний гістерезис

Розглянемо процес перемагнічування феромагнетика. Хай він був повністю розмагнічений. Спочатку індукція швидко зростає за рахунок того, що магнитні диполі орієнтуються по силових лініях поля, додаючи свій магнітний потік до зовнішнього. Потім її зростання сповільнюється у міру того, як кількість неорієнтованих диполів зменшується і, нарешті, коли практично всі вони орієнтуються по зовнішньому полю зростання індукції припиняється і наступає режим насичення Якщо в процесі намагнічення довести напруженість поля до деякого значення, а потім почати зменшувати, то зменшення індукції відбуватиметься повільніше, ніж при намагніченні і нова крива відрізнятиметься від первинної. Крива зміни індукції при збільшенні напруженості поля для заздалегідь повністю розмагніченої речовини називається початковою кривою намагнічення. Після декількох (близько 10) циклів зміни напруженості від позитивного до негативного максимальних значень залежність B=f(H) почне повторюватися і набуде характерного виду симетричної замкнутої кривої, яка називається петлею гістерезису. Гістерезисом називають відставання зміни індукції від напруженості магнітного поля. Явище гістерезису характерне взагалі для всіх процесів, в яких спостерігається залежність якої-небудь величини від значення інший не тільки в поточному, але і в попередньому стані Петлі гістерезису можна отримати при різних значеннях максимальної напруженості зовнішнього поля. Геометричне місце точок вершин симетричних циклів гістерезису називається основною кривою намагнічення. Основна крива намагнічення практично співпадає з початковою кривою. Симетрична петля гістерезису, отримана при максимальній напруженості поля Hm , відповідній насиченню феромагнетика, називається граничним циклом. Для граничного циклу встановлюють також значення індукції Br при H = 0, яке називається залишковою індукцією, і значення Hc при B = 0, зване коерцитивной силою. Коерцитивна (що утримує) сила показує, яку напруженість зовнішнього поля слід прикласти до речовини, щоб зменшити залишкову індукцію до нуля. Форма і характерні точки граничного циклу визначають властивості феромагнетика. Речовини з великою залишковою індукцією, коерцитивной силою і площею петлі гістерезису називаються магнітотвердими. Вони використовуються для виготовлення постійних магнітів. Речовини з малою залишковою індукцією і площею петлі гістерезису називаються магнітном’якими і використовуються для виготовлення магнітопроводів електротехнічних пристроїв, що працюють при магнітному потоці, що періодично змінюється.

Домашнє завдання n n n n n Намагнічування речовини Магнітний момент Вектор намагніченості Напруженість магнітного поля Теорема про циркуляцію напруженості магнітного поля Магнітна сприйнятливість та магнітна проникність Парамагнетизм Діамагнетизм Феромагнетики. Магнітний гістерезис