73219

Магнетики

Лекция

Физика

В настоящее время установлено, что все материальные тела в той или иной мере обладают магнитными свойствами. Ими обладают не только макроскопические тела, но и отдельные атомы, молекулы, а также электроны и атомные ядра. Все вещества (кроме вакуума) можно назвать магнетиками.

Русский

2014-12-05

279.5 KB

3 чел.

Лекция № 16. Магнетики.

I. Магнитные моменты молекул, атомов и электронов. Вектор намагничивания.

В настоящее время установлено, что все материальные тела в той или иной мере обладают магнитными свойствами. Ими обладают не только макроскопические тела, но и отдельные атомы, молекулы, а также электроны и атомные ядра. Все вещества (кроме вакуума) можно назвать магнетиками. 

Современная теория строения атомов и молекул объясняет, почему вещество обладает магнитными свойствами. Это зависит как от структуры их атомов и молекул, а также от характера их взаимодействий. Вращение электрона вокруг ядра атома можно представить как замкнутый ток, обладающий магнитным моментом:

   

Кроме того электрон вращается вокруг собственной оси и обладает спиновым магнитным моментом  (спиновый: spin – веретено – англ.).

Общий магнитный момент атома или молекулы

           (1)

Наличие у атома или молекулы магнитного момента означает, что атом создает магнитное поле, которое может изменять внешнее поле, а также намагничивается сам. Результирующее магнитное поле (поле в магнетике) можно представить в виде:

,        (2)

где  – индукция внешнего поля;

– магнитная индукция собственного поля магнетика.

Направление  зависит от свойств магнетика, а его значение от значения , а также размеров и формы магнетика.

Связь между :

,        (3)

где æ – магнитная восприимчивость магнетика, безразмерная величина.

Тогда:    ,      (4)

где 1 + æ = – магнитная проницаемость магнетика может принимать любые значения ( > 1 и < 1 )     

 Общий магнитный момент атомов , отнесенный к единице объема, называется намагниченностью магнетика или вектором намагничения .

 Физический смысл :

 I характеризует число ориентированных в пространстве молекул магнетика, а также степень их ориентированности относительно внешнего поля.

 

Теперь, используя уравнение (2) получим:

Результирующая магнитная индукция в веществе

             (5)

В заключение этого параграфа необходимо отметить, что установление аналогии между электростатическим и магнитным полями приводит к следующему:

  а) для характеристики электростатического поля используют две величины  и , для магнитного поля тоже  и ;

  б) поле  внутри диэлектрика характеризует результирующее поле внешних зарядов и молекул диполей диэлектрика и силовое действие определяется через  .

Поле  внутри магнетика характеризует результирующее поле внешних токов и молекулярных токов самого магнетика и силовое действие пропорционально , согласно закону Ампера: F = I·В·l·sinα.

 Вывод: Магнитная индукция  в магнетиках соответствует напряженности электрического поля  в диэлектриках.

в) с другой стороны:  в вакууме и диэлектрике имеет одну и ту же величину (без учета поляризационных зарядов диэлектрика). Аналогично этому  в магнетиках представляет магнитное поле только внешних токов (без учета молекулярных токов магнетика).

 Вывод: Напряженность магнитного поля  в магнетиках соответствует электрическому смещению  в диэлектриках.

Поэтому правильнее бы называть  напряженностью магнитного поля, а  – индукцией. Этого не сделано в силу исторических традиций.

По значениям величин магнитной проницаемости или восприимчивости æ, или магнитного момента атома Рат различают следующие группы магнетиков:

а) < 1

б) > 1

æ < 0

æ > 0

Рат = 0

Рат ≠ 0

диамагнетик

парамагнетик

слабомагнитные

в) >>1

(сотни, тысячи)

æ > 0

Р

ферромагнетик

сильномагнитные

 II. Диа и парамагнетизм. Зависимость магнитной восприимчивости от температуры. Закон Кюри.

Для исследования магнитных свойств вещества из него изготавливают небольшой стерженек (или трубку, если жидкое) и наблюдают поведение вещества в сильном магнитном поле.

Если испытуемый стрженек помещен в поле, то действие поля на него сводится к определению ориентации его в этом поле:

а) если стерженек в однородном поле устанавливается поперек линий поля, а в неоднородном выталкивается в область слабого поля – диамагнетик.

Диамагнетики:

Cu, Bi, Sb, Ag, Au, Pb, J, C, Hg, Si, Zn, S, H2O, N2, CO2,

благородные газы и органические соединения.

б) если стерженек в однородном поле устанавливается вдоль линий индукции поля , а в неоднородном также вдоль линий поля и втягивается в область более сильного поля парамагнетик. 

 

К парамагнетикам относятся: Al, Mn, Cr, Sn, Pt, растворы солей железа, твердый и жидкий О2, воздух, органические соединения…

Как же объяснить магнитные свойства веществ?

А. Парамагнетики.

а)

Их свойства объясняются наличием у атомов магнитного момента . В отсутствие магнитного поля магнитные моменты атомов ориентированы беспорядочно (а). Во внешнем поле (б) на каждый атом действует пара сил и магнитные моменты атомов устанавливаются по полю и . При этом направление намагничения  ( направлено от S к N) оказывается параллельно .

Объяснение парамагнетизма в точности совпадает с теорией поляризации диэлектриков. Отметим: теория парамагнетизма была развита Ланжевеном раньше теории диэлектриков и Дебай перенес эту теорию на диэлектрики.

б)

Парамагнитный эффект зависит от температуры, т.к. тепловое движение атомов или молекул нарушает ориентацию их магнитных моментов во внешнем магнитном поле. Для многих парамагнетиков зависимость изменения æ с температурой подчиняется закону:

 – закон Кюри,      (6)

где С – постоянная Кюри, зависит от рода вещества.

Температура Кюри Тк температура, при которой ферромагнитные свойства исчезают совсем. Для различных веществ она различна:

Кобальт: 1150°С

Никель: 360°С.

При температурах выше температуры Кюри действует другой закон:

 – закон Кюри-Вейсса     (7)

Б. Диамагнетики.

Для диамагнетиков вектор намагничения  направлен против поля . Если попытаться объяснить это явление как и для парамагнетиков, то нужно предположить, что “магнитные диполи” северными концами притягиваются к северному полюсу магнита создающего поля, т.е. нарушить закон взаимодействия магнитных полюсов.

Теория диамагнетизма дана Ланжевеном.

При движении электрона по орбите проявляется кулоновская сила притяжения .

При наложении внешнего поля  появляется магнитная сила , которая в зависимости от направления  будет ↑↑ или ↑↓ силе . Тогда  будет изменяться, а следовательно будет изменяться и величина угловой скорости электрона, т.е.  > или < 0, а это вызовет его ускорение или торможение.

Согласно элементарной теории Бора, можно получить, что орбитальный момент электрона равен:

,

где ω – угловая скорость вращения электрона.

Следовательно его изменение:

, в зависимости от ∆ω может быть:

∆Рорб > 0 или < 0

Вывод: При наложении внешнего магнитного поля возникает противоположный полю момент , что дает намагничивание  в направлении, обратном полю: – это диамагнитный эффект, присущий всем атомам.

Если (диамагнетик) – чистый диамагнитный эффект.

Если (парамагнетик) – уменьшает парамагнитный эффект.

Зависимость намагниченности  диа и парамагнетиков от напряженности поля представлена на графике.

На графике представлена зависимость намагниченности  диа и парамагнетиков от напряженности поля.

III. Ферромагнетизм.

Из элементов периодической системы Менделеева ферромагнитными свойствами обладают Fe, Co, Ni. Кроме того, ферромагнитны некоторые сплавы из неферромагнитных компонентов, например некоторые сплавы на основе Mn и Cr. Все эти вещества ферромагнитны лишь ниже температуры точки Кюри.

Отличительным признаком ферромагнетиков является нелинейная зависимость индукции  и намагниченности  от напряженности  магнитного поля:

  В = Н + 4πIs,

где Is – намагниченность насыщения.

Важной характеристикой ферромагнетиков является кривая магнитной проницаемости:

  

 

Кривая проницаемости носит название кривой Столетова. 

а – начальная проницаемость.

Объяснение ферромагнитных свойств ведется на основе доменов, т.е. областей, в которых магнитные моменты атомов ориентированы одинаково. Но в целом кристалл не намагничен, т.к. магнитные моменты разных доменов ориентированы хаотично.

а)

б)

в)

г)

При внесении такого кристалла в магнитное поле за счет перемагничивания пограничных атомов увеличиваются домены, магнитные моменты которых ориентированы приблизительно по линиям поля, и уменьшаются домены, магнитные моменты которых ориентированы почти против линий поля. В достаточно сильных полях поворачиваются магнитные моменты доменов. В результате этих процессов образец оказывается намагниченным вдоль внешнего поля (рис.) В1↑↑В (качественно, как у парамагнетиков). Но все эти процессы гораздо сильнее, ибо ориентируются суммарные магнитные моменты доменов:

Именно поэтому намагничивание ферромагнетиков заметно даже в слабых полях. Кроме того, величина , оказывается, зависит нелинейно от напряженности магнитного поля и от предыстории образца (от того, в каких магнитных полях образец ранее побывал).

Но ферромагнетизм – не свойство данных элементов. Атомы парообразного железа диамагнитны или слабо парамагнитны. Сплавы ферромагнитных веществ могут быть практически немагнитными. Таков сплав 75% Fe и 25% Ni. Наоборот, сплавы практически немагнитных веществ могут быть ферромагнитны. Например, сплав Гойслера: 60% Cu, 25% Mn, 15% Al. Ферромагнетизм – свойство кристаллической решетки, т.е. свойство большого количества атомов в твердом состоянии вещества. У каждого ферромагнетика есть определенная температура – точка Кюри, при которой разрушаются домены, и ферромагнетик становится парамагнетиком.

Для выяснения характера зависимости   возьмем образец ферромагнетика, не побывавший ранее в каких бы то ни было магнитных полях (практически это можно осуществить, размагнитив образец сильным нагреванием), поместим его внутрь соленоида, по которому можно пропускать определенный ток. Напряженность магнитного поля соленоида численно равна , вектор магнитной индукции можно измерить, например, по силе Ампера. Сначала вектор

индукции растет в зависимости от оН нелинейно, затем наступает насыщение, когда все магнитные моменты доменов ориентированы вдоль линий поля, при дальнейшем увеличении оН вектор магнитной индукции возрастает линейно.

 Экспериментальная кривая с насыщением в точке 1 изображена на рисунке. При уменьшении напряженности магнитного поля вектор  уменьшается линейно по той же прямой до точки 1, затем по кривой 1 –  с запаздыванием (относительно кривой 0 – 1). Это объясняется тем, что в процессе намагничивания внешнее поле заставляло магнитные моменты доменов поворачиваться, а теперь они разориентируются благодаря ослаблению внешнего воздействия, не сразу и хаотично. Когда ток равен нулю, наблюдается остаточное намагничивание , что позволяет изготовлять постоянные магниты. Образец можно размагнитить, включив поле соленоида в обратном направлении(изменив направление тока). При определенном значении напряженности (– коэрцитивная сила) вектор магнитной индукции равен нулю. Дальнейшее увеличение модуля напряженности заставит этот вектор нелинейно изменяться по кривой до насыщения 2, затем линейно. Снова уменьшая абсолютную величину напряженности, мы пройдем через точку 2, остаточное намагничивание – , коэрцитивную силу  до точки 1 и т.д. Мы описали полный цикл гистерезиса.

При заданной напряженности магнитного поля (точка А) вектор магнитной индукции может иметь любое значение из отмеченных фигурной скобкой в зависимости от того, в каких магнитных полях образец был ранее. Поэтому величина для ферромагнетиков определяется неоднозначно и приблизительно по независимо измеренным значениям  и  (хотя в этом случае ее ценность сомнительна).

Естественные, природные магниты большей частью представляют собой куски магнитного железняка. Из сталей с большим остаточным намагничиванием изготовляют искусственные постоянные магниты разной формы. У магнита различают полюса – места, где сильнее всего проявляются магнитные свойства, или части магнита, где наибольшее число линий вектора индукции входит или выходит из магнита в воздух. Нейтральная линия – линия магнита, где не  обнаруживается его притяжение (отталкивание), или часть магнита, где ни одна линия вектора магнитной индукции не входит и не выходит из магнита.

В магнитном поле (например, в присутствии постоянного магнита) не намагниченный ферромагнитный образец намагничивается. Это явление получило название магнитной индукции. На нем основано устройство электромагнита. Его сердечник сделан из железа с малым остаточным намагничиваем; при выключении тока через обмотку он практически размагничивается.

На этом же явлении основано устройство электромагнитного реле, которое “срабатывает” при включении или выключении рабочего тока (ток через катушку М намагничивает сердечник, пластина Р притягивается к сердечнику и замыкает контакты К какой-то другой цепи. После выключения тока через катушку пружина В размыкает контакты К).

На магнитном взаимодействии сердечника и катушки основано устройство электроизмерительных приборов электромагнитной системы.

Такие приборы пригодны для измерений и на постоянном, и на переменном токе, надежны, дешевы. Правда, их точность невелика.


N

S

N

S

N

Диамагнетизм пламени

SSSS

 

NNNN

fм

+

S

N

S

S

N

I

 

+

Fk

+

+

+

+

+

+

+

+

I

парамагнетики

диамагнетики

Is

H

4πIs

Н

μ

μа

Br

μ0Н0

μ0Н

0

B

Br

А = μ0Н0

2

1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9924. Идентификация и аутентификация, управление доступом 141.5 KB
  Идентификация и аутентификация, управление доступом В данной лекции кратко описываются традиционные сервисы безопасности - идентификация и аутентификация, управление доступом. Сервисы безопасности мы будем рассматривать применительно к распреде...
9925. Антивирусная защита информационных технологий 165 KB
  Антивирусная защита информационных технологий Основные угрозы информационной безопасности. Классификация вредоносных программ. Принципы функционирования современной антивирусной защиты, типы и разновидности антивирусных средств. Вряд ли стоит напоми...
9926. Экранирование, анализ защищенности 86 KB
  Экранирование, анализ защищенности Рассматриваются сравнительно новые (развивающиеся с начала 1990-х годов) сервисы безопасности - экранирование и анализ защищенности. Экранирование Основные понятия Формальная постановка задачи экранирования, с...
9927. Обеспечение высокой доступности 90 KB
  Обеспечение высокой доступности Рассматриваются два вида средств поддержания высокой доступности: обеспечение отказоустойчивости (нейтрализация отказов, живучесть) и обеспечение безопасного и быстрого восстановления после отказов (обслуживаемость). ...
9928. Протоколирование и аудит, шифрование, контроль целостности 109.5 KB
  Протоколирование и аудит, шифрование, контроль целостности Описываются протоколирование и аудит, а также криптографические методы защиты. Показывается их место в общей архитектуре безопасности. Протоколирование и аудит Основные понятия Под протоколи...
9929. Криптографические основы безопасности. Основные понятия и определения 142.5 KB
  Криптографические основы безопасности Введение: Даются основные понятия и определения, относящиеся к информационной безопасности: атаки, уязвимости, политика безопасности, механизмы и сервисы безопасности приводится классификация атак рассматриваю...
9930. Сохранность и защита программных систем 6.23 MB
  Сохранность и защита программных систем Цели защиты информации. Теоретические основы компьютерной безопасности. Требования, предъявляемые к обеспечению безопасности информационных технологий. Организационно-правовое обеспечение информационной...
9931. Средства и методы защиты операционных систем 584.5 KB
  Средства и методы защиты операционных систем Технические средства и методы защиты информации. Криптографические методы защиты информации. Программно-аппаратные средства обеспечения информационной безопасности Наши бастионы. Обзор программных...
9932. Безопасность операционных систем. Классификация программных продуктов 4.84 MB
  Безопасность операционных систем Общая характеристика операционных систем назначение и возможности. Организация управления доступом и защиты ресурсов ОС основные механизмы безопасности. Генерация, настройка, измерение производительности и модифика...