Есть микроскопические круговые токи (молекулярные токи ). Эта идея в дальнейшем, после открытия электрона и строения атома, подтвердилась: эти токи создаются движением электронов вокруг ядра и, так как ориентированы одинаково, в сумме образуют поле внутри и вокруг магнита.
На рисунке а плоскости, в которых размещены элементарные электрические токи , ориентированы беспорядочно из-за хаотичного теплового движения атомов, и вещество не проявляет магнитных свойств. В намагниченном состоянии (под действием, например, внешнего магнитного поля) (рисунок б ) эти плоскости ориентированы одинаково, и их действия суммируются.
Магнитная проницаемость.
Реакция среды на воздействие внешнего магнитного поля с индукцией В0 (поле в вакууме) определяется магнитной восприимчивостью μ :
где В — индукция магнитного поля в веществе. Магнитная проницаемость аналогична диэлектрической проницаемости ɛ .
По своим магнитным свойствам вещества разделяются на диамагнетики , парамагнетики и фер ромагнетики . У диамагнетиков коэффициент μ , который характеризует магнитные свойства среды, меньше единицы (к примеру, у висмута μ = 0,999824); у парамагнетиков μ > 1 (у платины μ - 1,00036); у ферромагнетиков μ ≫ 1 (железо , никель , кобальт).
Диамагнетики отталкиваются от магнита, парамагнетики — притягиваются к нему. По этим призна-кам их можно отличить друг от друга. У многих веществ магнитная проницаемость почти не отличается от единицы, но у ферромагнетиков сильно превосходит ее, достигая нескольких десятков тысяч единиц.
Ферромагнетики.
Самые сильные магнитные свойства проявляют ферромагнетики. Магнитные поля, которые создаваются ферромагнетиками, гораздо сильнее внешнего намагничивающего по-ля. Правда, магнитные поля ферромагнетиков создаются не вследствие обращения электронов вокруг ядер — орбитального магнитного момента , а вследствие собственного вращения электрона — собственного магнитного момента, называемого спином .
Температура Кюри (Т с ) — это температура, выше которой ферромагнитные материалы те-ряют свои магнитные свойства. Для каждого ферромагнетика она своя. Например, для железа Т с = 753 °С, для никеля Т с = 365 °С, для кобальта Т с = 1000 °С. Существуют ферромагнитные спла-вы, у которых Т с < 100 °С.
Первые детальные исследования магнитных свойств ферромагнетиков были выполнены выдающимся русским физиком А. Г. Столетовым (1839-1896).
Ферромагнетики применяются довольно широко: в качестве постоянных магнитов (в электроизмерительных приборах, громкоговорителях, телефонах и так далее), стальных сердечников в транс-форматорах, генераторах, электродвигателях (для усиления магнитного поля и экономии элек-троэнергии). На магнитных лентах, которые изготовлены из ферромагнетиков, осуществляется запись звука и изображения для магнитофонов и видеомагнитофонов. На тонкие магнитные пленки про-изводится запись информации для запоминающих устройств в электронно-вычислительных ма-шинах.
Магнитные свойства веществ
Подобно тому, как электрические свойства вещества характеризуются диэлектрической проницаемостью, магнитные свойства вещества характеризуются магнитной проницаемостью.
Благодаря тому, что все вещества, находящиеся в магнитном поле, создают собственное магнитное поле, вектор магнитной индукции в однородной среде отличается от вектора в той же точке пространства в отсутствие среды, т. е. в вакууме.
Отношение называется магнитной проницаемостью среды.
Итак, в однородной среде магнитная индукция равна:
Величина m у железа очень велика. В этом можно убедиться на опыте. Если вставить в длинную катушку железный сердечник, то магнитная индукция, согласно формуле (12.1), увеличится в m раз. Следовательно, во столько же раз увеличится поток магнитной индукции. При размыкании цепи, питающей намагничивающую катушку постоянным током, во второй, небольшой катушке, намотанной поверх основной, возникает индукционный ток, регистрируемый гальванометром (рис. 12.1).
Если в катушку вставлен железный сердечник, то отклонение стрелки гальванометра при размыкании цепи будет в m раз больше. Измерения показывают, что магнитный поток при внесении в катушку железного сердечника может увеличиться в тысячи раз. Следовательно, магнитная проницаемость железа огромна.
Существует три основных класса веществ с резко различающимися магнитными свойствами: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.
Ферромагнетики
Вещества, у которых, подобно железу, m >> 1, называются ферромагнетиками. Кроме железа, ферромагнетиками являются кобальт и никель, а также ряд редкоземельных элементов и многие сплавы. Важнейшее свойство ферромагнетиков – существование у них остаточного магнетизма. Ферромагнитное вещество может находиться в намагниченном состоянии и без внешнего намагничивающего поля.
Железный предмет (например, стержень), как известно, втягивается в магнитное поле, т. е. перемещается в область, где магнитная индукция больше. Соответственно, он притягивается к магниту или электромагниту. Это происходит потому, что элементарные токи в железе ориентируются так, что направление магнитной индукции их поля совпадает с направлением индукции намагничивающего поля. В результате железный стержень превращается в магнит, ближайший полюс которого противоположен полюсу электромагнита. Противоположные же полюса магнитов притягиваются (рис. 12.2).
Рис. 12.2 
СТОП! Решите самостоятельно: А1–А3, В1, В3.
Парамагнетики
Существуют вещества, которые ведут себя подобно железу, т. е. втягиваются в магнитное поле. Эти вещества называются парамагнитными . К их числу относятся некоторые металлы (алюминий, натрий, калий, марганец, платина и др.), кислород и многие другие элементы, а также различные растворы электролитов.
Так как парамагнетики втягиваются в поле, то линии индукции создаваемого ими собственного магнитного поля и намагничивающего поля направлены одинаково, поэтому поле усиливается. Таким образом, у них m > 1. Но от единицы m отличается крайне незначительно, всего на величину порядка 10 –5 ...10 –6 . Поэтому для наблюдения парамагнитных явлений требуются мощные магнитные поля.
Диамагнетики
Особый класс веществ представляют собой диамагнетики , открытые Фарадеем. Они выталкиваются из магнитного поля. Если подвесить диамагнитный стерженек возле полюса сильного электромагнита, то он будет отталкиваться от него. Следовательно, линии индукции созданного им поля направлены противоположно линиям индукции намагничивающего поля, т. е. поле ослабляется (рис. 12.3). Соответственно у диамагнетиков m < 1, причем отличается от единицы на величину порядка 10 –6 . Магнитные свойства у диамагнетиков выражены слабее, чем у парамагнетиков.
Рис. 12.3
Рис. 12.4
|
К диамагнетикам относятся висмут, медь, сера, ртуть, хлор, инертные газы и практически все органические соединения. Диамагнитным является пламя, например пламя свечи (главным образом за счет углекислого газа). Поэтому пламя выталкивается из магнитного поля (рис. 12.4).
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.
Магнитная проницаемость различна для разных сред и зависит от ее свойств, поэтому принято говорить о магнитной проницаемости конкретной среды (имея вввиду ее состав, состояние, температуру и т. д.).
В случае однородной изотропной среды магнитная проницаемость μ:
μ = В/(μ o Н),
В анизотропных кристаллах магнитная проницаемость - тензор.
Большинство веществ по значению магнитной проницаемости делятся на три класа:
- диамагнетики (μ < 1 ),
- парамагнетики (μ > 1 )
- ферромагнетики (обладающие более выраженными магнитными свойствами, например железо).
Магнитная проницаемость сверхпроводников равна нулю.
Абсолютная магнитная проницаемость воздуха приблизительно равна магнитной проницаемости вакуума и в технических расчетах принимается равной 4π · 10 -7 Гн/м
μ = 1 + χ (в единицах СИ);
μ = 1 + 4πχ (в единицах СГС).
Магнитная проницаемость физического вакуума μ =1, так как χ=0.
Магнитная проницаемость показывает, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость данного материала больше магнитной постоянной, т.е., во сколько раз магнитное поле макротоков Н усиливается за счет поля микротоков среды. Магнитная проницаемость воздуха и большинства веществ, за исключением ферромагнитных материалов, близка к единице.
В технике используется несколько видов магнитной проницаемости в зависимости от конкретных применений магнитного материала. Относительная магнитная проницаемость показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между проводами с током изменяется по сравнению с вакуумом. Численно равна отношению абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной. Абсолютная магнитная проницаемость равна произведению магнитной проницаемости на магнитную постоянную.
У диамагнетиков χμχ>0 и μ > 1. В зависимости от того, измеряется ли μ ферромагнетиков в статическом или переменном магнитном поле, ее называют соответственно статической или динамической магнитной проницаемостью.
Магнитная проницаемость ферромагнетиков сложным образом зависит от Н . Из кривой намагничивания ферромагнетика можно построить зависимость магнитной проницаемости от Н.
Магнитную проницаемость, определенную по формуле:
μ = В/(μ o Н),
называют статической магнитной проницаемостью.
Она пропорциональна тангенсу угла наклона секущей, проведенной из начала координат через соответствующую точку на основной кривой намагничивания. Предельное значение магнитной проницаемости μ н при напряженности магнитного поля, стремящейся к нулю, называют начальной магнитной проницаемостью. Эта характеристика имеет важнейшее значение при техническом использовании многих магнитных материалов. Экспериментально ее определяют в слабых магнитных полях с напряженностью порядка 0, 1 А/м.
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.
