Cодержание предыдущей лекции Источники магнитного поля Закон Ампера

Cодержание предыдущей лекции Источники магнитного поля Закон Ампера. Магнитные моменты атомов. Обобщенная форма закона Ампера. Ток смещения и обощенная форма закона Ампера. Магнитный поток. Закон Гаусса в магнетизме. Дивергенция магнитного поля. Ротор магнитного поля. Эффект Холла и его применение. Mагнетизм в веществе Магнитные моменты атомов. Вектор намагничивания и напряженность магнитного поля. 1

Контрольный вопрос С потолка свисает растянутая пружина. Если по пружине пропустить ток, то кольца пружины: а) притянутся друг к другу, б) оттолкнутся друг от друга, в) ничего не произойдет? Токи направлены в одну сторону, поэтому витки пружины притянутся друг к другу, и пружина сожмется. 2

Магнетизм в веществе (продолжение) 3

Cодержание сегодняшней лекции Maгнетизм в веществе Классификация материалов по магнитным свойствам. Ферромагнетизм. Парамагнетизм. Диамагнетизм. Условия на границе между двумя магнетиками. 4

Классификация материалов по магнитным свойствам Ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики – три категории материалов в зависимости от их магнитных свойств. Атомы парамагнитных и ферромагнитных материалов обладают Атомы диамагнитных материалов не обладают постоян- постоянными магнитными моментами. M = H, где - безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью. Мaгнитная восприимчивость – мера склонности вещества к намагничиванию. 5

Классификация материалов по магнитным свойствам Парамагнитные вещества - положительна и M H. Диамагнитные вещества - отрицательна и M H. Магнитные восприимчивости при 300 К Парамагнитные вещества Алюминий 2. 3 10 -5 Висмут – 1. 66 10 -5 Кальций 1. 9 10 -5 Медь – 9. 8 10 -6 Хром 2. 7 10 -4 Алмаз – 2. 2 10 -5 Литий 2. 1 10 -5 Золото – 3. 6 10 -5 Магний 1. 2 10 -5 Свинец – 1. 7 10 -5 Ниобий 2. 6 10 -4 Ртуть – 2. 9 10 -5 Кислород 2. 1 10 -6 Азот – 5. 0 10 -9 Платина 2. 9 10 -4 Серебро – 2. 6 10 -5 Вольфрам 6. 8 10 -5 Кремний – 4. 2 10 -6 Диамагнитные вещества 6

Классификация материалов по магнитным свойствам B = 0 (H + M) = 0 (H + H) = 0 (1 + ) H B = m H Магнитная проницаемость m = 0(1 + ). Парамагнетики: m > 0. Диамагнетики: m < 0. Парамагнетики и диамагнетики: очень мала и m 0. Ферромагнетики: m 103 0, M – нелинейная функция H, Зависимость m от предыстории ферромагнетика. очень велика, 7

Ферромагнетизм Ферромагнетики - небольшое число кристаллических веществ, обладающих ярко выраженными магнитными свойствами. Ферромагнетики (железо, кобальт, никель, гадолиний, диспрозий и т. д. ) – сохранение намагниченного состояния даже после отключения внешнего магнитного поля. Строение ферромагнетиков - микроскопические области спонтанной (самопроизвольной намагниченности), называемые доменами. Параллельная ориентация всех магнитных моментов атомов внутри каждого домена. Примерный объем отдельного домена – от 10 -12 дo 10 -8 м 3, количество атомов в домене - от 1017 дo 1021. Различная ориентация границ между доменами, называемых доменными стенками. 8

Ферромагнетизм Хаотическая ориентация атомных магнитных диполей в доменах ненамагниченного вещества. Рост размера доменов с ориентацией, совпадающей с ориентацией магнитного поля B 0, M 0. Уменьшение размера доменов с ориентацией векторов магнитных моментов, не совпадающей с ориентацией внешнего поля. 9

Ферромагнетизм кривая намагничивания насыщение остаточная намагниченность петля магнитного гистерезиса насыщение Использование тороидальной катушки для измерения магнитных свойств вещества. Кривая намагничивания ферромагнитного вещества. 10

Ферромагнетизм Петля гистерезиса магнитотвердого ферромагнитного материала. Петля гистерезиса магнитомягкого ферромагнитного материала. Размагничивание ферромагнитного материала путем выполнения последовательности гистерезисных циклов. 11

Ферромагнетизм Соответствие площади петли гистерезиса энергии, необходимой для совершения полного цикла перемагничивания материала. Обеспечение энергии для перемагничивания за счет энергии внешнего магнитного поля (работы ЭДС в контуре тороидальной катушки). Рассеивание энергии (диссипативные процессы) в материале за счет затрат энергии на переориентацию магнитных моментов атомов. Увеличение температуры вещества. Использование сердечников, изготовленных из магнитомягких ферромагнитных материалов в устройствах, находящихся под воздействием переменных магнитных полей (миниатюрные выпрямители переменного тока для мобильных телефонов, электроинструменты и т. д. ). Магнитомягкие материалы – узкие петли гистерезиса и маленькие потери энергии за цикл перемагничивания. 12

Ферромагнетизм Запись информации в накопителях на жестких и мягких дисках, на аудио и видеолентах в результате воздействия на них переменного магнитного поля B. Быстрое перемещение магнитного материала вблизи от маленьких токопроводящих витков записывающей магнитной головки. Создание переменного магнитного поля, намагничивающего материал, в результате изменения тока в витках магнитной головки. 13

Ферромагнетизм Перемещение намагниченного материала вблизи катушки воспроизводящего устройства для воспроизведения записанной информации. Индуцирование тока в катушке изменяющимся магнитным полем. Последующее усиление индуцированного тока в аудио или видеоустройстве, или его обработка в компьютерном процессоре. 14

Ферромагнетизм Температуры выше температуры Кюри: потеря веществом остаточной намагниченности и его переход в парамагнитное состояние. T < TКюри – ориентация магнитных моментов атомов упорядочена, вещество в ферромагнитном состоянии. T > TКюри – тепловое возбуждение достаточно для хаотической ориентации магнитных моментов атомов вещество в парамагнитном состоянии. Температура Кюри некоторых ферромагнитных материалов Парамагнетик 1043 Кобальт 1394 Никель 631 Гадолиний Температурная зависимость намагниченности в ферромагнетике. ТКюри(К) Железо Ферромагнетик Вещество 317 Fe 2 O 3 893 15

Ферромагнетизм 2012 г. – фирма IBM Research – демонстрация возможности хранения информации кластером из 12 атомов. Предшествующие технологии – минимальный размер кластера в 100 -10000 раз больше. Группировка 12 атомов методом сканирующего туннельного микроскопа для хранения бита в течение нескольких часов при низкой температуре. Возможность более плотной записи информации – в 100 раз, чем память на жестких дисках, в 160 раз, чем у флэш-памяти, в 417 -1000 раз, чем у ОЗУ.

Парамагнетизм Пaрамагнетики - обладание постоянными маленькими атомными магнитными моментами и положительной магнитной восприимчивостью (0 < << 1). B 0 = 0: слабое взаимодействие между магнитными моментами атомов, хаотичная ориентация. B 0 0: выстраивание магнитных моментов атомов вдоль поля и их тепловая разориентация. Закон Кюри: C – постоянная Кюри Притяжение парамагнитного жидкого азота к полюсам магнита. 17

Диамагнетизм Ланжевен (1905) – классическая теория диа- и парамагнетизма. Подобие между электроном, движущимся по орбите, и гироскопом. B ′ Магнитное поле отлично от нуля: вовлечение орбитального механического момента L в прецессию. -e Стремление вращательного момента = [ , B] сориентировать oрбитальный магнитный момент электрона параллельно магнитному полю B. L d d. L I′ ′ 18

Диамагнетизм B ′ -e Частота ларморовой прецессии L d d. L I′ ′ - одинакова для всех электронов в атоме. 19

Диамагнетизм Результат прецессии орбиты электрона в магнитном поле B – дополнительное вращение электрона в направлении ′. B Появление дополнительного тока I′, направленного согласно правилу левой руки по отношению к направлению магнитного поля B. ′ -e L d I′ d. L ′ Создание дополнительным током I′ дополнительного индуцированного магнитного момента ′, направленного противоположно магнитному полю B. Индуцированный магнитный момент атома векторная сумма индуцированных магнитных моментов отдельных электронов атома, направлен противоположно магнитному полю B. Результат: диамагнитный материал слабо отталкивается магнитом. Диамагнетизм – очень слабый эффект - может наблюдаться, когда B = 0, если атомы не обладают постоянными магнитными моментами. 20

Условия на границе между двумя магнетиками B B 1 B Bn 1 2 1 H 1 4 H 2 a 2 b x 3 B 2 21

Контрольный вопрос В какой последовательности растет величина для различных контуров Ампера (а, b, c, d)? 22