Комплексная магнитная проницаемость среды. Магнитные свойства вещества

Магнитное поле катушки определяется током и напряженность этого поля , а индукция поля . Т.е. индукция поля в вакууме пропорциональна величине тока. Если же магнитное поле создается в некой среде или веществе, то поле воздействует на вещество, а оно, в свою очередь, определенным образом изменяет магнитное поле.

Вещество, находящееся во внешнем магнитном поле, намагничивается и в нем возникает добавочное внутреннее магнитное поле. Оно связано с движением электронов по внутриатомным орбитам, а также вокруг собственной оси. Движение электронов и ядер атомов можно рассматривать как элементарные круговые токи.

Магнитные свойства элементарного кругового тока характеризуются магнитным моментом.

При отсутствии внешнего магнитного поля элементарные токи внутри вещества ориентированы беспорядочно (хаотически) и, поэтому общий или суммарный магнитный момент равен нулю и в окружающем пространстве магнитное поле элементарных внутренних токов не обнаруживается.

Влияние внешнего магнитного поля на элементарные токи в веществе состоит в том, что изменяется ориентация осей вращения заряженных частиц причем так, что их магнитные моменты оказываются направленными в одну сторону. (в сторону внешнего магнитного поля). Интенсивность и характер намагничивания у различных веществ в одинаковом внешнем магнитном поле значительно отличаются. Величину, характеризующую свойства среды и влияние среды на плотность магнитного поля, называют абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной проницаемостью среды (μ с ) . Это есть отношение = . Измеряется [μ с ]=Гн/м.

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной μ о =4π 10 -7 Гн/м.

Отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной называют относительной магнитной проницаемостью μ c /μ 0 =μ. Т.е. относительная магнитная проницаемость – это величина, показывающая, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость среды больше или меньше абсолютной проницаемости вакуума. μ - величина безразмерная, изменяющаяся в широких пределах. Эта величина положена в основу деления всех материалов и сред на три группы.

Диамагнетики . У этих веществ μ < 1. К ним относятся - медь, серебро, цинк, ртуть, свинец, сера, хлор, вода и др. Например, у меди μ Cu = 0,999995. Эти вещества слабо взаимодействуют с магнитом.

Парамагнетики . У этих веществ μ > 1. К ним относятся – алюминий, магний, олово, платина, марганец, кислород, воздух и др. У воздуха = 1,0000031. . Эти вещества также, как и диамагнетики, слабо взаимодействуют с магнитом.

Для технических расчетов μ диамагнитных и парамагнитных тел принимается равной единице.

Ферромагнетики . Это особая группа веществ, играющих громадную роль в электротехнике. У этих веществ μ >> 1. К ним относятся железо, сталь, чугун, никель, кобальт, гадолиний и сплавы металлов. Эти вещества сильно притягиваются к магниту. У этих веществ μ = 600- 10 000. У некоторых сплавов μ достигает рекордных значений до 100 000. Следует отметить, что μ для ферромагнитных материалов непостоянна и зависит от напряженности магнитного поля, вида материала и температуры.

Большое значение µ в ферромагнетиках объясняется тем, что в них имеются области самопроизвольного намагничивания (домены), в пределах которых элементарные магнитные моменты направлены одинаково. Складываясь, они образуют общие магнитные моменты доменов.

В отсутствие магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы хаотически и суммарный магнитный момент тела или вещества равен нулю. Под действием внешнего поля магнитные моменты доменов ориентируются в одну сторону и образуют общий магнитный момент тела, направленный в ту же сторону, что и внешнее магнитное поле.

Эту важную особенность используют на практике, применяя ферромагнитные сердечники в катушках, что позволяет резко усилить магнитную индукцию и магнитный поток при тех же значениях токов и числа витков или, иначе говоря, сконцентрировать магнитное поле в относительно малом объеме.

4. Магнитные материалы

Магнитные материалы в электро и радиосвязи играют столь же важную роль, как проводниковые и диэлектрические материалы. В электрических машинах, трансформаторах, дросселях, электрорадиоаппаратуре и измерительных приборах всегда в том или ином виде используют магнитные материалы: в качестве магнитопровода, в виде постоянных магнитов или для экранирования магнитных полей.

Любое вещество, будучи помещенным в магнитное поле, приобретает некоторый магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема называют намагниченностью J м:

J м =M/V. (4.1)

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля:

J м =k м H, (4.2)

где k м – безразмерная величина, характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле и называемая магнитной восприимчивостью .

Первопричиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими токами являются орбитальные спины и орбитальное вращение электронов в атоме. Магнитные моменты протонов и нейтронов примерно в 1000 раз меньше магнитного момента электрона, поэтому магнитные свойства атома целиком определяются электронами, магнитным моментом ядра можно пренебречь.

4.1. Классификация веществ по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и по характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно разделить на пять групп:

• диамагнетики;
• парамагнетики;
• ферромагнетики;
• антиферромагнетики;
• ферримагнетики.

Диамагнетики – магнитная проницаемость m меньше единицы и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электрона при внесении атома в магнитное поле.

Диамагнитный эффект является универсальным, присущим всем веществам. Однако в большинстве случаев он маскируется более сильными магнитными эффектами.

К диамагнетикам относят инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть и др.), большинство полупроводников и органических соединений. Диамагнетики – все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.

Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.

Парамагнетики – вещества с m больше единицы, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля.

Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении.

Парамагнетики, помещенные в магнитное поле, втягиваются в него.

К числу парамагнетиков относятся: кислород, окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

Парамагнитный эффект по физической природе во многом сходен с дипольно-релаксационной поляризацией диэлектриков.

К ферромагнетикам относят вещества с большой магнитной проницаемостью (до10 6), сильно зависящей от напряженности внешнего магнитного поля и температуры.

Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях.

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры Т° спонтанно возникает антипараллельная ориентация магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки

При нагревании антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Tm и др.)

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Магнитная проницаемость у них высока и сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом – различные оксидные соединения, а главный интерес представляют ферриты.

Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют собой сильномагнитные материалы и представляют наибольший интерес.

4.2. Магнитные характеристики материалов

Поведение ферромагнитного материала в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания:

Рис. 4.1. Начальная кривая намагничивания.

Показывающей зависимость магнитной индукции В в материале от напряженности магнитного поля Н.

Свойства магнитных материалов оценивают магнитными характеристиками. Рассмотрим основные из них.

4.2.1. Абсолютная магнитная проницаемость

Абсолютная магнитная проницаемость m а материала представляет собой отношение магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н в заданной точке кривой намагничивания для данного материала и выражается в Гн/м:

m а =В/Н (4.3)

Относительная магнитная проницаемость материала m есть отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной:

m =m а /m о (4.4)

μ 0 – характеризует магнитное поле в вакууме (m 0 =1.256637·10 -6 Гн/м).

Абсолютная магнитная проницаемость применяется только для расчетов. Для оценки же свойств магнитных материалов используют m, не зависящую от выбранной системы единиц. Ее называют магнитной проницаемостью. Магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля:

Рис. 4.2. Зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля.

Различают начальную m н и максимальную магнитную проницаемость m м. Начальную измеряют при напряженностях магнитного поля, близких к нулю.

Большие значения m н и m м показывают, что данный материал легко намагничивается в слабых и сильных магнитных полях.

4.2.2. Температурный коэффициент магнитной проницаемости

Температурный коэффициент магнитной проницаемости ТКm позволяет оценить характер изменения m в зависимости

ТК μ = (μ 2 - μ 1)/ μ 1 (Т 2 – Т 1)

Типичная зависимость μ от Т° приведена на рис.4.3.

Рис.4.3. Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры

Т°, при которой μ падает почти до нуля называется температурой Кюри Т к. При Т > Т к процесс намагничивания расстраивается из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул материала, следовательно, материал перестает быть ферромагнитным.

Так, для чистого железа Т к = 768°C
для никеля Т к = 358°C
для кобальта Т к = 1131°C

4.2.3. Индукция насыщения

Индукция В s , характерная для всех магнитных материалов, называется индукцией насыщения (см.рис.4.4). Чем больше В s при заданной Н, тем лучше магнитный материал.

Если образец магнитного материала намагничивать, непрерывно повышая напряженность магнитного поля Н, магнитная индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой начального намагничивания 1:

Рис.4.4. Петля гистерезиса магнитного материала

Эта кривая заканчивается в точке, соответствующей индукции насыщения В s . При уменьшении Н индукция тоже будет уменьшаться, но начиная с величины В m значения В не будут совпадать с начальной кривой намагничивания.

4.2.4. Остаточная магнитная индукция

Остаточная магнитная индукция В r наблюдается в ферромагнитном материале, когда Н=0. Для размагничивания образца надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на противоположное – Н. Напряженность поля, при которой индукция становится равной нулю, называется коэрцитивной силой Н с. Чем больше Н с, тем в меньшей степени материал способен размагничиваться.

Если после размагничивания материала намагничивать его в противоположном направлении, образуется замкнутая петля, которую называют предельной петлей гистерезиса – петля, снятая при плавном изменении напряженности магнитного поля от +Н до –Н, когда магнитная индукция становится равной индукции насыщения В s .

4.2.5. Удельные потери на гистерезис

Это потери P г, затрачиваемые на перемагничивание единицы массы материала за один цикл [Вт/кг]. Их величина зависит от частоты перемагничивания и значения максимальной индукции. Они определяются (за один цикл) площадью петли гистерезиса.

4.2.6. Динамическая петля гистерезиса

Она образуется при перемагничивании материала переменным магнитным полем и имеет большую площадь, чем статическая, т.к. при действии переменного магнитного поля кроме потерь на гистерезис возникают потери на вихревые токи и магнитное последействие (отставание по времени параметров от Н), которое определяется магнитной вязкостью материала.

4.2.7. Потери энергии на вихревые токи

Потери энергии на вихревые токи Р в зависят от удельного электрического сопротивления материала ρ. Чем больше ρ, тем меньше потери. Р в также зависят от плотности материала и его толщины. Они пропорциональны квадрату амплитуды магнитной индукции В m и частоты f переменного поля.

4.2.8. Коэффициент прямоугольности петли гистерезиса

Для оценки формы гистерезисной петли пользуются коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса:

К п = В r /В m (4.6)

Чем больше К п, тем прямоугольнее петля. Для магнитных материалов, применяемых в автоматике и ЗУ ЭВМ, К п = 0.7-0.9.

4.2.9. Удельная объемная энергия

Это характеристика, применяемая доля оценки свойств магнитно-твердых материалов, выражается формулой:

W м = 1/2(B d ·H d), (4.7)

где B d и H d соответственно индукция и напряженность магнитного поля, соответствующие максимальному значению удельной объемной энергии (рис.4.5).

Рис.4.5. Кривые размагничивания и магнитной энергии

Чем больше объемная энергия, тем лучше магнитный материал и постоянный магнит, из него изготовленный.

4.3. Классификация магнитных материалов

Согласно поведению в магнитном поле все магнитные материалы делятся на две основные группы – магнитно-мягкие (МММ) и магнитно-твердые (МТМ). МММ характеризуются большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемостью и малыми значениями коэрцитивной силы (меньше 4000 А/м). Они легко намагничиваются и размагничиваются, отличаются малыми потерями на гистерезис.

Чем чище МММ, тем лучше его магнитные характеристики.

МТМ обладают большой коэрцитивной силой (больше 4000А/м) и остаточной индукцией (больше 0.1 Тл). Они с большим трудом намагничиваются, но зато могут долго сохранять магнитную энергию, т.е. служить источниками постоянного магнитного поля.

По составу все магнитные материалы делятся на

1. металлические
2. неметаллические
3. магнитодиэлектрики.

Металлические магнитные материалы это чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов.

Неметаллические магнитные материалы – ферриты, получаемые из порошкообразной смеси окислов железа и окислов других металлов. Опрессованные ферритовые изделия подвергаются отжигу, в результате чего они превращаются в твердые монолитные детали.

Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из 60-80% порошкообразного магнитного материала и 40-20% диэлектрика.

Ферриты и магнитодиэлектрики отличаются от металлических магнитных материалов большими ρ(10 2 -10 8 Ом·м), от чего потери на вихревые токи малы. Это позволяет использовать их в высокочастотной технике. Кроме того, ферриты обладают большой стабильностью магнитных параметров в широком диапазоне частот (включая СВЧ).

4.4. Металлические магнитно-мягкие материалы

Основными магнитно-мягкими материалами, применяемыми в радиоэлектронной аппаратуре, являются карбонильное железо, пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые стали.

4.4.1. Карбонильное железо

Представляет собой тонкодисперсный порошок, состоящий из частиц сферической формы диаметром 1–8 мкм.

μ н = 2500 – 3000
μ м = 20000 – 21000
Н с = 4.5 – 6.2 А/м

Его применяют при изготовлении высокочастотных магнитодиэлектрических сердечников.

4.4.2. Пермаллои

Пластичные железоникелевые сплавы с содержанием никеля 45–80%, легко прокатываются в тонкие листы и ленты, толщиной до 1 мкм. При содержании никеля 45–50% называются низконикелевыми, 60–80% - высоконикелевыми.

μ н = 2000 – 14000
μ м = 50000 – 270000
Н с = 2 – 10 А/м
ρ = 0.25 – 0.45 мкОм·м

Для улучшения магнитных характеристик в пермаллои вводят молибден, хром, кремний или медь, отжигают в водороде или вакууме, при помощи турбомолекулярных насосов.

Легированные пермаллои применяют для деталей аппаратуры, работающих на частотах 1–5 МГц. В магнитных усилителях применяют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса.

4.4.3. Альсиферы

Представляют собой нековкие, хрупкие сплавы, состоящие из 5.5–13% алюминия, 9–10% кремния, остальное – железо.

μ н = 6000 – 7000
μ м = 30000 – 35000
Н с = 2.2 А/м
ρ = 0.8 мкОм·м

Из него изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне до 50 кГц.

4.4.4. Низкоуглеродистые кремнистые стали

Представляют собой сплавы железа с 0.8–4.8% кремния, содержание углерода не более 0.08%. Это сравнительно дешевый материал. Введение большого количества кремния улучшает магнитные свойства материала, но повышает его хрупкость (поэтому кремния не более 4.8%).

Листы кремнистой стали изготавливают прокаткой заготовок в нагретом и ненагретом состояниях, поэтому различают горячекатанную и холоднокатанную сталь.

Улучшенные магнитные характеристики холоднокатанных сталей наблюдаются только при совпадении направления магнитного потока с напрвлением пркатки. В противном случае свойства горячекатанных сталей выше.

Таблица 4.1. Стали применяют в менее ответственных узлах РЭА.

4.5. Металлические магнитно-твердые материалы

По составу, состоянию и способу получения магнитно-твердые материалы подразделяются на:

1. легированные стали, закаливаемые на мартенсит;
2. литые магнитно-твердые сплавы;
3. магниты из порошков;
4. магнитно-твердые ферриты;
5. пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты.

Характеристиками материалов для постоянных магнитов служат коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство. Магнитная проницаемость материалов для постоянных магнитов ниже, чем МММ, причем чем выше коэрцитивная сила, тем меньше магнитная проницаемость.

4.5.1. Легированные стали, закаливаемые на мартенсит

Данные стали являются наиболее простым и доступным материалом для постоянных магнитов. Они легируются вольфрамом, хромом, молибденом и кобальтом. Величина W м для мартенситных сталей составляет 1–4 кДж/м 3 . В настоящее время мартенситные стали имеют ограниченное применение из-за невысоких магнитных свойств, но полностью от них не отказываются, т.к. они дешевы и допускают механическую обработку на металлорежущих станках.

4.5.2. Литые магнитно-твердые сплавы

Большую магнитную энергию имеют тройные сплавы Al-Ni-Fe, которые раньше называли сплавами альни . При добавлении кобальта или кремния в эти сплавы их магнитные свойства повышаются. Недостатком этих сплавов является трудность изготовления из них изделий точных размеров вследствие хрупкости и твердости их, допускающих обработку только путем шлифовки.

4.5.3. Магниты из порошков

Необходимость получения особенно мелких изделий со строго выдержанными размерами обусловила привлечение методов порошковой металлургии для получения постоянных магнитов. При этом различают металлокерамические магниты и магниты из зерен порошка, скрепленных тем или иным связующим (металлопластические магниты).

4.5.4. Пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты

К таким сплавам относятся викаллой, кунифе, кунико и некоторые другие. Основные представления об этих сплавах приведены в табл.4.2.

Таблица 4.2.

4.6. Ферриты

Это соединения оксида железа Fe 2 O 3 с оксидами других металлов: ZnO, NiO. Ферриты изготавливают из порошкообразной смеси оксидов этих металлов.

Название ферритов определяется названием одно-, двухвалентного металла, оксид которого входит в состав феррита:

Если ZnO – феррит цинка

NiO – феррит никеля.

Ферриты имеют кубическую кристаллическую решетку, подобную решетке шпинели, встречающейся в природе: MgO·Al 2 O 3 . Большинство соединений указанного типа, как и природный магнитный железняк FeO·Fe 2 O 3 , обладает магнитными свойствами. Однако феррит цинка и феррит кадмия являются немагнитными. Исследования показали, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой этих материалов, и в частности расположением ионов двухвалентных металлов и железа между ионами кислорода. В случае структуры обычной шпинели, когда в центре кислородных тетраэдров расположены ионы Zn ++ или Cd ++ , магнитные свойства отсутствуют. При структуре так называемой обращенной шпинели, когда в центре кислородных тетраэдров расположены ионы Fe +++ , материал обладает магнитными свойствами. Ферриты, в состав которых кроме оксида железа входит только один оксид, называется простым. Химическая формула простого феррита:

MeO x Fe 2 O 3 или MeFe 2 O 4

Феррит цинка – ZnFe 2 O 4 , феррит никеля – NiFe 2 O 4 .

Не все простые ферриты обладают магнитными свойствами. Так CdFe 2 O 4 является немагнитным веществом.

Наилучшими магнитными характеристиками обладают сложные или смешанные ферриты, представляющие твердые растворы одного в другом. В этом случае используются и немагнитные ферриты в сочетании с простыми магнитными ферритами. Общая формула широко распространенных никель-цинковых ферритов имеет следующий вид:

mNiO·Fe 2 O 3 + nZnO·Fe 2 O 3 + pFeO·Fe 2 O 3 , (4.8)

где коэффициенты m, n и p определяют количественные соотношения между компонентами. Процентный состав компонентов играет существенную роль в получении тех или иных магнитных свойств материала.

Наиболее широко в РЭА применяют смешанные магнитно-мягкие ферриты: никель-цинковые, марганец-цинковые и литий-цинковые.

Достоинства ферритов – стабильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые потери на вихревые токи, малый коэффициент затухания магнитной волны, а также простота изготовления ферритовых деталей.

Недостатки всех ферритов – хрупкость и резко выраженная зависимость магнитных свойств от температуры и механических воздействий.

4.7. Магнитодиэлектрики

Это композиционные материалы, состоящие из мелкодисперсных частиц магнитно-мягкого материала, соединенных каким-либо органическим или неорганическим диэлектриком. В качестве мелкодисперсных МММ применяют карбонильное железо, альсиферы и некоторые сорта пермаллоев. В качестве диэлектрика – эпоксидные или бакелитовые смолы, полистирол, жидкое стекло и др.

Назначение диэлектриков не только в том, чтобы соединять частицы магнитного материала, но и создать между ними электроизоляционные прослойки и тем самым повысить электрическое сопротивление магнитодиэлектрика. Это резко снижает потери на вихревые токи и дает возможность работать на частотах 10–100 МГц (в зависимости от состава).

Магнитные характеристики магнитодиэлектриков несколько ниже исходных ферромагнитных наполнителей. Несмотря на это магнитодиэлектрики применяют для изготовления сердечников ВЧ узлов РЭА. Это обусловлено большой стабильностью магнитных характеристик и возможностью изготовления из них сердечников сложной формы. Кроме того, изделия из диэлектриков отличаются высокой чистотой поверхности и точностью размеров.

Лучшие магнитодиэлектрики – с наполнителями: молибденовым пермаллоем или карбонильным железом.

Многочисленные опыты свидетельствуют о том, что все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются и создают собственное магнитное поле, действие которого складывается с действием внешнего магнитного поля:

$$\boldsymbol{\vec{B}={\vec{B}}_{0}+{\vec{B}}_{1}}$$

где $\boldsymbol{\vec{B}}$ - магнитная индукция поля в веществе; $\boldsymbol{{\vec{B}}_{0}}$ - магнитная индукция поля в вакууме, $\boldsymbol{{\vec{B}}_{1}}$ - магнитная индукция поля, возникшего благодаря намагничиванию вещества. При этом вещество может либо усиливать, либо ослаблять магнитное поле. Влияние вещества на внешнее магнитное поле характеризуется величиной μ , которая называется магнитной проницаемостью вещества

$$ \boldsymbol{\mu =\frac{B}{{B}_{0}}}$$

• Магнитная проницаемость - это физическая скалярная величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.

Все вещества состоят из молекул, молекулы - из атомов. Электронные оболочки атомов можно условно рассматривать состоящими из круговых электрических токов, образованных движущимися электронами. Круговые электрические токи в атомах должны создавать собственные магнитные поля. На электрические токи должно оказывать действие внешнее магнитное поле, в результате чего можно ожидать либо усиления магнитного поля при сонаправленности атомных магнитных полей с внешним магнитным полем, либо их ослабления при их противоположной направленности.
Гипотеза о существовании магнитных полей в атомах и возможности изменения магнитного поля в веществе полностью соответствует действительности. Все вещества по действию на них внешнего магнитного поля можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетиками называются вещества, в которых внешнее магнитное поле ослабляется. Это значит, что магнитные поля атомов таких веществ во внешнем магнитном поле направлены противоположно внешнему магнитному полю (µ < 1). Изменение магнитного поля даже в самых сильных диамагнетиках составляет лишь сотые доли процента. Например, висмут обладает магнитной проницаемостью µ = 0,999826.

Для понимания природы диамагнетизма рассмотрим движение электрона, который влетает со скоростью v в однородное магнитное поле перпендикулярно вектору В магнитного поля.

Под действием силы Лоренца электрон станет двигаться по окружности, направление его вращения определяется направлением вектора силы Лоренца. Возникший круговой ток создаёт своё магнитное поле В" . Это магнитное поле В" направлено противоположно магнитному полю В . Следовательно, любое вещество, содержащее свободно движущиеся заряженные частицы, должно обладать диамагнитными свойствами.
Хотя в атомах вещества электроны не свободны, изменение их движения внутри атомов под действием внешнего магнитного поля оказывается эквивалентным круговому движению свободных электронов. Поэтому любое вещество в магнитном поле обязательно обладает диамагнитными свойствами.
Однако диамагнитные эффекты очень слабы и обнаруживаются только у веществ, атомы или молекулы которых не обладают собственным магнитным полем. Примерами диамагнетиков являются свинец, цинк, висмут (μ = 0,9998).

Впервые объяснение причин, вследствие которых тела обладают магнитными свойствами, дал Анри Ампер (1820 г.). Согласно его гипотезе, внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи, которые и определяют магнитные свойства любого вещества.

Рассмотрим причины магнетизма атомов более подробно:

Возьмем некоторое твердое вещество. Его намагниченность связана с магнитными свойствами частиц (молекул и атомов), из которых оно состоит. Рассмотрим, какие контуры с током возможны на микроуровне. Магнетизм атомов обусловлен двумя основными причинами:

1) движением электронов вокруг ядра по замкнутым орбитам (орбитальный магнитный момент ) (рис. 1);

Рис. 2

2) собственным вращением (спином) электронов (спиновой магнитный момент ) (рис. 2).

Так как в атоме плоскости орбит различных электронов не совпадают, то вектора индукций магнитных полей , созданные ими (орбитальные и спиновые магнитные моменты), направлены под разными углами друг к другу. Результирующий вектор индукции многоэлектронного атома равен векторной сумме векторов индукций полей, создаваемых отдельными электронами. Не скомпенсированными полями обладают атомы с частично заполненными электронными оболочками. В атомах с заполненными электронными оболочками результирующий вектор индукции равен 0.

Во всех случаях изменение магнитного поля обусловлено появлением токов намагниченности (наблюдается явление электромагнитной индукции). Иными словами принцип суперпозиции для магнитного поля остается справедливым: поле внутри магнетика является суперпозицией внешнего поля $\boldsymbol{{\vec{B}}_{0}}$ и поля $\boldsymbol{\vec{B"}}$ токов намагничивания i" , которые возникают под действием внешнего поля. Если поле токов намагниченности направлено так же, как и внешнее поле, то индукция суммарного поля будет больше внешнего поля (Рис. 3, а) – в этом случае мы говорим, что вещество усиливает поле; если же поле токов намагниченности направлено противоположно внешнему полю, то суммарное поле будет меньше внешнего поля (Рис. 3, б) – именно в этом смысле мы говорим, что вещество ослабляет магнитное поле.

Рис. 3

В диамагнетиках молекулы не обладают собственным магнитным полем. Под действием внешнего магнитного поля в атомах и молекулах поле токов намагниченности направлено противоположно внешнему полю, поэтому модуль вектора магнитной индукции $ \boldsymbol{\vec{B}}$ результирующего поля будет меньше модуль вектора магнитной индукции $ \boldsymbol{{\vec{B}}_{0}} $ внешнего поля.

Вещества, в которых внешнее магнитное поле усиливается в результате сложения с магнитными полями электронных оболочек атомов вещества из-за ориентации атомных магнитных полей в направлении внешнего магнитного поля, называются парамагнетиками (µ > 1).

Парамагнетики очень слабо усиливают внешнее магнитное поле. Магнитная проницаемость парамагнетиков отличается от единицы лишь на доли процента. Например, магнитная проницаемость платины равна 1,00036. Из – за очень малых значений магнитной проницаемости парамагнетиков и диамагнетиков их влияние на внешнее поле или воздействие внешнего поля на парамагнитные или диамагнитные тела очень трудно обнаружить. Поэтому в обычной повседневной практике, в технике парамагнитные и диамагнитные вещества рассматриваются как немагнитные, то есть вещества, не изменяющие магнитное поле и не испытывающие действия со стороны магнитного поля. Примерами парамагнетиков являются натрий, кислород, алюминий (μ = 1,00023).

В парамагнетиках молекулы обладают собственным магнитным полем. В отсутствии внешнего магнитного поля из-за теплового движения вектора индукций магнитных полей атомов и молекул ориентированы хаотически, поэтому их средняя намагниченность равна нулю (рис. 4, а). При наложении внешнего магнитного поля на атомы и молекулы начинает действовать момент сил, стремящийся повернуть их так, чтобы их поля были ориентированы параллельно внешнему полю. Ориентация молекул парамагнетика приводит к тому, что вещество намагничивается (рис. 4, б).

Рис. 4

Полной ориентации молекул в магнитном поле препятствует их тепловое движение, поэтому магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры. Очевидно, что с ростом температуры магнитная проницаемость парамагнетиков уменьшается.

Ферромагнетики

Вещества, значительно усиливающие внешнее магнитное поле, называются ферромагнетиками (никель, железо, кобальт и др.). Примерами ферромагнетиков являются кобальт, никель, железо (μ достигает значения 8·10 3).

Само название этого класса магнитных материалов происходит от латинского имени железа - Ferrum. Главная особенность этих веществ заключается в способности сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля, все постоянные магниты относятся к классу ферромагнетикам. Кроме железа ферромагнитными свойствами обладают его «соседи» по таблице Менделеева - кобальт и никель. Ферромагнетики находят широкое практическое применение в науке и технике, поэтому разработано значительное число сплавов, обладающих различными ферромагнитными свойствами.

Все приведенные примеры ферромагнетиков относятся к металлам переходной группы, электронная оболочка которых содержит несколько не спаренных электронов, что и приводит к тому, что эти атомы обладают значительным собственным магнитным полем. В кристаллическом состоянии благодаря взаимодействию между атомами в кристаллах возникают области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности - домены. Размеры этих доменов составляют десятые и сотые доли миллиметра (10 -4 − 10 -5 м), что значительно превышает размеры отдельного атома (10 -9 м). В пределах одного домена магнитные поля атомов ориентированы строго параллельно, ориентация магнитных полей других доменов при отсутствии внешнего магнитного поля меняется произвольно (рис. 5).

Рис. 5

Таким образом, и в не намагниченном состоянии внутри ферромагнетика существуют сильные магнитные поля, ориентация которых при переходе от одного домена к другому меняется случайным хаотическим образом. Если размеры тела значительно превышают размеры отдельных доменов, то среднее магнитное поле, создаваемое доменами этого тела, практически отсутствует.

Если поместить ферромагнетик во внешнее магнитное поле B 0 , то магнитные моменты доменов начинают перестраиваться. Однако механического пространственного вращения участков вещества не происходит. Процесс перемагничивания связан с изменением движения электронов, но не с изменением положения атомов в узлах кристаллической решетки. Домены, имеющие наиболее выгодную ориентацию относительно направления поля, увеличивают свои размеры за счет соседних «неправильно ориентированных» доменов, поглощая их. При этом поле в веществе возрастает весьма существенно.

Свойства ферромагнетиков

1) ферромагнитные свойства вещества проявляются только тогда, когда соответствующее вещество находится в кристаллическом состоянии ;

2) магнитные свойства ферромагнетиков сильно зависят от температуры, так как ориентации магнитных полей доменов препятствует тепловое движение. Для каждого ферромагнетика существует определенная температура, при котором доменная структура полностью разрушается, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Это значение температуры называется точкой Кюри . Так для чистого железа значение температуры Кюри приблизительно равно 900°C;

3) ферромагнетики намагничиваются до насыщения в слабых магнитных полях. На рисунке 6 показано, как изменяется модуль индукции магнитного поля B в стали с изменением внешнего поля B 0 :

Рис. 6

4) магнитная проницаемость ферромагнетика зависит от внешнего магнитного поля (рис. 7).

Рис. 7

Это объясняется тем, что вначале с увеличением B 0 магнитная индукция B растет сильнее, а, следовательно, μ будет увеличиваться. Затем при значении магнитной индукции B" 0 наступает насыщение (μ в этот момент максимальна) и при дальнейшем увеличении B 0 магнитная индукция B 1 в веществе перестает изменяться, а магнитная проницаемость уменьшается (стремится к 1):

$$\boldsymbol{\mu = \frac B{B_0} = \frac {B_0 + B_1}{B_0} = 1 + \frac {B_1}{B_0};} $$

5) у ферромагнетиков наблюдается остаточная намагниченность. Если, например, ферромагнитный стержень поместить в соленоид, по которому проходит ток, и намагнитить до насыщения (точка А ) (рис. 8), а затем уменьшать ток в соленоиде, а вместе с ним и B 0 , то можно заметить, что индукция поля в стержне в процессе его размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда B 0 = 0 (ток в соленоиде выключен), индукция будет равна B r (остаточная индукция). Стержень можно вынуть из соленоида и использовать как постоянный магнит. Чтобы окончательно размагнитить стержень, нужно пропустить по соленоиду ток противоположного направления, т.е. приложить внешнее магнитное поле с противоположным направлением вектора индукции. Увеличивая теперь по модулю индукцию этого поля до B oc , размагничивают стержень (B = 0).

• Модуль B oc индукции магнитного поля, размагничивающего намагниченный ферромагнетик, называют коэрцитивной силой .

Рис. 8

При дальнейшем увеличении B 0 можно намагнитить стержень до насыщения (точка А" ).

Уменьшая теперь B 0 до нуля, получают опять постоянный магнит, но с индукцией –B r (противоположного направления). Чтобы вновь размагнитить стержень, нужно снова включить в соленоид ток первоначального направления, и стержень размагнитится, когда индукция B 0 станет равной B oc . Продолжая увеличивать я B 0 , снова намагничивают стержень до насыщения (точка А ).

Таким образом, при намагничивании и размагничивании ферромагнетика индукция B отстает от B 0. Это отставание называется явлением гистерезиса . Изображенная на рисунке 8 кривая называется петлей гистерезиса .

Вид кривой намагничивания (петли гистерезиса) существенно различается для различных ферромагнитных материалов, которые нашли очень широкое применение в научных и технических приложениях. Некоторые магнитные материалы имеют широкую петлю с высокими значениями остаточной намагниченности и коэрцитивной силы, они называются магнитно-жесткими и используются для изготовления постоянных магнитов. Для других ферромагнитных сплавов характерны малые значения коэрцитивной силы, такие материалы легко намагничиваются и перемагничиваются даже в слабых полях. Такие материалы называются магнитно-мягкими и используются в различных электротехнических приборах - реле, трансформаторах, магнитопроводах и др.

Литература

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C.330- 335.
2. Жилко, В. В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В. В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л. Г. Маркович. - Мн.: Нар. асвета, 2002. - С. 291-297.
3. Слободянюк А.И. Физика 10. §13 Взаимодействие магнитного поля с веществом

Примечания

1. Рассматриваем направление вектора индукции магнитного поля только в середине контура.

Называемой магнитной проницаемостью. Абсолютная магнитная проницаемость среды - это отношение B к H. Согласно Международной системе единиц она измеряется в единицах, называемых 1 генри на метр.

Числовое значение ее выражается отношением ее величины к величине магнитной проницаемости вакуума и обозначается µ. Данная величина именуется относительной магнитной проницаемостью (или просто магнитной проницаемостью) среды. Как величина относительная, она не имеет единицы измерения.

Следовательно, относительная магнитная проницаемость µ - величина, показывающая, в какое число раз индукция поля данной среды меньше (или больше) индукции вакуумного магнитного поля.

При воздействии на вещество внешним магнитным полем оно становится намагниченным. Каким образом это происходит? По гипотезе Ампера, в каждом веществе постоянно циркулируют микроскопические электротоки, вызванные движением электронов по своим орбитам и наличием у них собственного В обычных условиях это движение неупорядочено, и поля «гасят» (компенсируют) друг друга. При помещении тела во внешнее поле происходит упорядочивание токов, и тело становится намагниченным (т. е. обладающим своим полем).

Магнитная проницаемость всех веществ различна. Исходя из ее величины, вещества подлежат делению на три большие группы.

У диамагнетиков величина магнитной проницаемости µ - чуть меньше единицы. Например, у висмута µ = 0,9998. К диамагнетикам относятся цинк, свинец, кварц, медь, стекло, водород, бензол, вода.

Магнитная проницаемость парамагнетиков чуть-чуть побольше единицы (у алюминия µ = 1,000023). Примеры парамагнетиков - никель, кислород, вольфрам, эбонит, платина, азот, воздух.

Наконец, к третьей группе принадлежит целый ряд веществ (в основном это металлы и сплавы), чья магнитная проницаемость значительно (на несколько порядков) превышает единицу. Эти вещества - ферромагнетики. В основном сюда относятся никель, железо, кобальт и их сплавы. Для стали µ = 8∙10^3, для сплава никеля с железом µ=2.5∙10^5. Ферромагнетики обладают свойствами, отличающими их от других веществ. Во-первых, они обладают остаточным магнетизмом. Во-вторых, их магнитная проницаемость находится в зависимости от величины индукции внешнего поля. В-третьих, для каждого из них существует определенный порог температуры, называемый точкой Кюри , при котором он теряет ферромагнитные свойства и становится парамагнетиком. Для никеля точка Кюри - 360°C, для железа - 770°C.

Свойства ферромагнетиков определяет не только магнитная проницаемость, но и величина I, именуемая намагниченностью данного вещества. Это сложная нелинейная функция магнитной индукции, рост намагниченности описывается линией, именуемой кривой намагниченности . При этом, достигнув определенной точки, намагниченность практически перестает расти (наступает магнитное насыщение ). Отставание величины намагниченности ферромагнетика от растущей величины индукции внешнего поля называется магнитным гистерезисом . При этом существует зависимость магнитных характеристик ферромагнетика не только от его состояния в настоящий момент, но и от его предшествующей намагниченности. Графическое изображение кривой данной зависимости именуется петлей гистерезиса .

Благодаря своим свойствам, ферромагнетики повсеместно применяются в технике. Их используют в роторах генераторов и электродвигателей, при изготовлении сердечников трансформаторов и в производстве деталей электронно-вычислительных машин. ферромагнетиков используются в магнитофонах, телефонах, на магнитных лентах и других носителях.

Определение магнитной проницаемости вещества. Ее роль в описании магнитного поля

Если провести опыт с соленоидом, который соединен с баллистическим гальванометром, то при включении тока в соленоиде можно определять значение магнитного потока Ф, который будет пропорционален отбросу стрелки гальванометра. Проведем опыт дважды, причем ток (I) в гальванометре установим одинаковый, но в первом опыте соленоид будет без сердечника, а во втором опыте, перед тем как включить ток, введем в соленоид железный сердечник. Обнаруживается, то, что во втором опыте магнитный поток существенно больше, чем в первом (без сердечника). При повторении опыта с сердечниками разной толщины, получается, максимальный поток получается в том случае, когда весь соленоид заполнен железом, то есть обмотка плотно навита на железный сердечник. Можно провести опыт с разными сердечниками. В результате получается, что:

где $Ф$ -- магнитный поток в катушке с сердечником, $Ф_0$ -- магнитный поток в катушке без сердечника. Увеличение магнитного потока при введении в соленоид сердечника объясняется тем, что к магнитному потоку, который создает ток в обмотке соленоида, добавился магнитный поток, создаваемый совокупностью ориентированных амперовых молекулярных токов. Под влиянием магнитного поля молекулярные токи ориентируются, и их суммарный магнитный момент перестает быть равным нулю, возникает дополнительное магнитное поле.

Определение

Величину $\mu $, которая характеризует магнитные свойства среды, называют магнитной проницаемостью (или относительной магнитной проницаемостью).

Это безразмерная характеристика вещества. Увеличение потока Ф в $\mu $ раз (1) означает, что магнитная индукция $\overrightarrow{B}$ в сердечнике во столько же раз больше, чем в вакууме при том же токе в соленоиде. Следовательно, можно записать, что:

\[\overrightarrow{B}=\mu {\overrightarrow{B}}_0\left(2\right),\]

где ${\overrightarrow{B}}_0$ -- магнитная индукция поля в вакууме.

Наряду с магнитной индукцией, которая является основной силовой характеристикой поля, используют такую вспомогательную вектор ную величину как напряженность магнитного поля ($\overrightarrow{H}$), которая связана с $\overrightarrow{B}$ следующим соотношением:

\[\overrightarrow{B}=\mu \overrightarrow{H}\left(3\right).\]

Если формулу (3) применить к опыту с сердечником, то получим, что в отсутствии сердечника:

\[{\overrightarrow{B}}_0={\mu }_0\overrightarrow{H_0}\left(4\right),\]

где $\mu $=1. При наличии сердечника мы получаем:

\[\overrightarrow{B}=\mu {\mu }_0\overrightarrow{H}\left(5\right).\]

Но так как выполняется (2), то получается, что:

\[\mu {\mu }_0\overrightarrow{H}={\mu м}_0\overrightarrow{H_0}\to \overrightarrow{H}=\overrightarrow{H_0}\left(6\right).\]

Мы получили, что напряженность магнитного поля не зависит от того, каким однородным веществом заполнено пространство. Магнитная проницаемость большинства веществ около единицы, исключения составляют ферромагниетики.

Магнитная восприимчивость вещества

Обычно вектор намагниченности ($\overrightarrow{J}$) связывают с вектором напряженности в каждой точке магнетика :

\[\overrightarrow{J}=\varkappa \overrightarrow{H}\left(7\right),\]

где $\varkappa $ -- магнитная восприимчивость, безразмерная величина. Для неферромагнитных веществ и в не больших полях $\varkappa $ не зависит от напряженности, является скалярной величиной. В анизотропных средах $\varkappa $ является тензором и направления $\overrightarrow{J}$ и $\overrightarrow{H}$ не совпадают.

Связь между магнитной восприимчивостью и магнитной проницаемостью

Подставим в (8) выражение для вектора намагниченности (7), получим:

\[\overrightarrow{H}=\frac{\overrightarrow{B}}{{\mu }_0}-\overrightarrow{H}\left(9\right).\]

Выразим напряженность, получим:

\[\overrightarrow{H}=\frac{\overrightarrow{B}}{{\mu }_0\left(1+\varkappa \right)}\to \overrightarrow{B}={\mu }_0\left(1+\varkappa \right)\overrightarrow{H}\left(10\right).\]

Сравнивая выражения (5) и (10), получим:

\[\mu =1+\varkappa \left(11\right).\]

Магнитная восприимчивость может быть как положительной так и отрицательной. Из (11) следует, что магнитная проницаемость может быть как больше единицы, так и меньше нее.

Пример 1

Задание: Вычислите намагниченность в центре кругового витка радиуса R=0,1 м с током силой I=2A, если он погружен в жидкий кислород. Магнитная восприимчивость жидкого кислорода равна $\varkappa =3,4\cdot {10}^{-3}.$

За основу решения задачи примем выражение, которое отражает связь напряженности магнитного поля и намагниченности:

\[\overrightarrow{J}=\varkappa \overrightarrow{H}\left(1.1\right).\]

Найдем поле в центре витка с током, так как намагниченность нам необходимо вычислит в этой точке.

Выберем на проводнике с током элементарный участок (рис.1), в качестве основы для решения задачи используем формулу напряженности элемента витка с током:

где$\ \overrightarrow{r}$- радиус-вектор, проведенный из элемента тока в рассматриваемую точку, $\overrightarrow{dl}$- элемент проводника с током (направление задано направлением тока), $\vartheta$ -- угол между $\overrightarrow{dl}$ и $\overrightarrow{r}$. Исходя из рис. 1 $\vartheta=90{}^\circ $, следовательно (1.1) упростится, кроме того расстояние от центра окружности (точки, где мы ищем магнитное поле) элемента проводника с током постоянно и равно радиусу витка (R), следовательно имеем:

Результирующий вектор напряженности магнитного поля направлен по оси X, его можно найти как сумму отдельных векторов$\ \ \overrightarrow{dH},$ так как все элементы тока создают в центре вика магнитные поля, направленные вдоль нормали витка. Тогда по принципу суперпозиции полную напряженность магнитного поля можно получить, если перейти к интегралу:

Подставим (1.3) в (1.4), получим:

Найдем намагниченность, если подставим напряженность из (1.5) в (1.1), получим:

Все единицы даны в системе СИ, проведем вычисления:

Ответ: $J=3,4\cdot {10}^{-2}\frac{А}{м}.$

Пример 2

Задание: Вычислите долю суммарного магнитного поля в вольфрамовом стержне, который находится во внешнем однородном магнитном поле, которую определяют молекулярные токи. Магнитная проницаемость вольфрама равна $\mu =1,0176.$

Индукцию магнитного поля ($B"$), которая приходится на долю молекулярных токов, можно найти как:

где $J$ -- намагниченность. Она связана с напряженностью магнитного поля выражением:

где магнитную восприимчивость вещества можно найти как:

\[\varkappa =\mu -1\ \left(2.3\right).\]

Следовательно, магнитное поле молекулярных токов найдем как:

Полное поле в стержне вычисляется в соответствии с формулой:

Используем выражения (2.4) и (2.5) найдем искомое соотношение:

\[\frac{B"}{B}=\frac{{\mu }_0\left(\mu -1\right)H}{\mu {\mu }_0H}=\frac{\mu -1}{\mu }.\]

Проведем вычисления:

\[\frac{B"}{B}=\frac{1,0176-1}{1,0176}=0,0173.\]

Ответ:$\frac{B"}{B}=0,0173.$