Jakie substancje nazywane są magnetycznymi. Magnesy i właściwości magnetyczne materii
Są dwa magnesy różne rodzaje... Niektóre z nich to tak zwane magnesy trwałe wykonane z materiałów „magnetycznie twardych”. Ich właściwości magnetyczne nie są związane z wykorzystaniem zewnętrznych źródeł lub prądów. Innym rodzajem są tak zwane elektromagnesy z „miękkim magnesem” żelaznym rdzeniem. Tworzone przez nie pola magnetyczne wynikają głównie z tego, że prąd elektryczny przepływa przez drut nawojowy otaczający rdzeń.
Bieguny magnetyczne i pole magnetyczne.
Właściwości magnetyczne magnes sztabkowy jest najbardziej widoczny na jego końcach. Jeśli taki magnes jest zawieszony w środkowej części, aby mógł swobodnie obracać się w płaszczyźnie poziomej, wówczas zajmie pozycję w przybliżeniu odpowiadającą kierunkowi z północy na południe. Koniec słupka wskazującego północ nazywany jest biegunem północnym, a przeciwny koniec nazywany jest biegunem południowym. Przeciwne bieguny dwóch magnesów są przyciągane do siebie, a bieguny o tej samej nazwie są wzajemnie odpychane.
Jeśli sztabka nienamagnesowanego żelaza zostanie zbliżona do jednego z biegunów magnesu, ten drugi zostanie tymczasowo namagnesowany. W tym przypadku biegun namagnesowanego pręta najbliżej bieguna magnesu będzie miał przeciwną nazwę, a dalszy biegun będzie miał taką samą nazwę. Przyciąganie między biegunem magnesu a przeciwległym biegunem indukowane przez niego w pręcie i wyjaśnia działanie magnesu. Niektóre materiały (takie jak stal) same stają się słabymi magnesami trwałymi po znalezieniu się w pobliżu magnesu trwałego lub elektromagnesu. Pręt stalowy można namagnesować, po prostu przesuwając koniec magnesu stałego pręta wzdłuż jego końca.
Tak więc magnes przyciąga inne magnesy i przedmioty wykonane z materiałów magnetycznych bez kontaktu z nimi. To działanie na odległość tłumaczy się istnieniem w przestrzeni wokół magnesu pole magnetyczne... Pewne wyobrażenie o natężeniu i kierunku tego pola magnetycznego można uzyskać, posypując opiłkami żelaza arkusz tektury lub szkła umieszczony na magnesie. Trociny ułożą się łańcuchami w kierunku pola, a gęstość linii trocin będzie odpowiadać intensywności tego pola. (Najgrubsze są na końcach magnesu, gdzie pole magnetyczne jest najsilniejsze.)
M. Faraday (1791–1867) wprowadził koncepcję zamkniętych linii indukcyjnych dla magnesów. Linie indukcyjne wychodzą w otaczającą przestrzeń z magnesu w jego biegun północny, są zawarte w magnesie y biegun południowy i przejść wewnątrz materiału magnesu z bieguna południowego z powrotem na północ, tworząc zamkniętą pętlę. Całkowita liczba linii indukcyjnych wychodzących z magnesu nazywana jest strumieniem magnetycznym. Indukcja magnetyczna lub indukcja magnetyczna ( V) jest równa liczbie linii indukcyjnych przechodzących wzdłuż normalnej przez elementarny obszar wielkości jednostkowej.
Indukcja magnetyczna określa siłę, z jaką pole magnetyczne działa na znajdujący się w nim przewodnik przewodzący prąd. Jeśli przewodnik, przez który płynie prąd i, leży prostopadle do linii indukcji, to zgodnie z prawem Ampere’a siła F oddziaływanie na przewodnik jest prostopadłe zarówno do pola, jak i do przewodnika i jest proporcjonalne do indukcji magnetycznej, natężenia prądu i długości przewodnika. Tak więc dla indukcji magnetycznej b możesz napisać wyrażenie
gdzie F- siła w niutonach, i- prąd w amperach, ja- długość w metrach. Jednostką do pomiaru indukcji magnetycznej jest Tesla (T).
Galwanometr.
Galwanometr to czuły przyrząd do pomiaru słabych prądów. Galwanometr wykorzystuje moment obrotowy generowany przez oddziaływanie magnesu stałego w kształcie podkowy z małą cewką przewodzącą prąd (słaby elektromagnes) zawieszoną w szczelinie między biegunami magnesu. Moment obrotowy, a co za tym idzie ugięcie cewki, jest proporcjonalny do prądu i całkowitej indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej, dzięki czemu skala urządzenia jest prawie liniowa przy niewielkich odchyleniach cewki.
Siła magnesowania i natężenie pola magnetycznego.
Następnie należy wprowadzić inną wielkość charakteryzującą działanie magnetyczne prąd elektryczny... Załóżmy, że prąd przepływa przez drut długiej cewki zawierającej materiał do namagnesowania. Siła magnesująca jest iloczynem prądu elektrycznego w cewce przez liczbę jej zwojów (siła ta jest mierzona w amperach, ponieważ liczba zwojów jest wielkością bezwymiarową). Siła pola magnetycznego n równa sile magnesującej na jednostkę długości cewki. Tak więc ilość n mierzone w amperach na metr; określa namagnesowanie nabyte przez materiał wewnątrz cewki.
W próżni, indukcja magnetyczna b proporcjonalna do natężenia pola magnetycznego n:
gdzie m 0 - tzw. stała magnetyczna o wartości uniwersalnej 4 P H 10 – 7 H / m. W wielu materiałach wartość b w przybliżeniu proporcjonalny n... Jednak w materiałach ferromagnetycznych stosunek b oraz n nieco bardziej skomplikowany (o czym zostanie omówione poniżej).
Na ryc. 1 przedstawia prosty elektromagnes do chwytania ładunków. Źródłem energii jest akumulator prąd stały... Rysunek pokazuje również linie siły pola elektromagnesu, które można wykryć zwykłą metodą opiłków żelaza.
Duże elektromagnesy z żelaznymi rdzeniami i bardzo dużą liczbą amperokrętów, pracujące w trybie ciągłym, mają dużą siłę magnesowania. Tworzą między biegunami indukcję magnetyczną do 6 T; indukcja ta jest ograniczona jedynie naprężeniami mechanicznymi, nagrzewaniem się cewek i nasyceniem magnetycznym rdzenia. W Cambridge i w Instytucie P.L. Kapitza (1894-1984) zaprojektował szereg gigantycznych elektromagnesów (bez rdzenia) z chłodzeniem wodnym, a także instalacje do wytwarzania impulsowych pól magnetycznych problemy fizyczne Akademia Nauk ZSRR i F. Bitter (1902-1967) w Massachusetts Instytut Technologii... Na takich magnesach udało się osiągnąć indukcję do 50 T. W Laboratorium Narodowym Losalamos opracowano stosunkowo niewielki elektromagnes, generujący pola do 6,2 T, zużywający 15 kW energii elektrycznej i chłodzony ciekłym wodorem. Takie pola uzyskuje się w temperaturach kriogenicznych.
Przenikalność magnetyczna i jej rola w magnetyzmie.
Przepuszczalność magnetyczna m Jest wielkością charakteryzującą właściwości magnetyczne materiału. Metale ferromagnetyczne Fe, Ni, Co i ich stopy mają bardzo wysoką maksymalną przepuszczalność - od 5000 (dla Fe) do 800 000 (dla supermaloju). W takich materiałach przy stosunkowo niskich natężeniach pola h występują duże indukcje b, ale zależność między tymi wielkościami, ogólnie rzecz biorąc, jest nieliniowa ze względu na zjawiska nasycenia i histerezy, które omówiono poniżej. Materiały ferromagnetyczne są silnie przyciągane przez magnesy. Tracą swoje właściwości magnetyczne w temperaturach powyżej punktu Curie (770 ° C dla Fe, 358 ° C dla Ni, 1120 ° C dla Co) i zachowują się jak paramagnesy, dla których indukcja b do bardzo wysokich wartości naciągu h proporcjonalna do niego - tak jak to bywa w próżni. Wiele pierwiastków i związków jest paramagnetycznych we wszystkich temperaturach. Substancje paramagnetyczne charakteryzują się tym, że są namagnesowane w zewnętrznym polu magnetycznym; jeśli to pole zostanie wyłączone, paramagnesy powracają do stanu nienamagnesowanego. Namagnesowanie w ferromagnesach jest utrzymywane nawet po wyłączeniu pola zewnętrznego.
Na ryc. 2 przedstawia typową pętlę histerezy dla magnetycznie twardego (duże straty) materiału ferromagnetycznego. Charakteryzuje niejednoznaczną zależność namagnesowania materiału uporządkowanego magnetycznie od natężenia pola magnesującego. Wraz ze wzrostem natężenia pola magnetycznego od punktu początkowego (zerowego) ( 1 ) namagnesowanie przebiega wzdłuż linii przerywanej 1 –2 i ilość m zmienia się znacząco wraz ze wzrostem namagnesowania próbki. W punkcie 2 nasycenie zostanie osiągnięte, tj. przy dalszym wzroście napięcia namagnesowanie nie wzrasta. Jeśli teraz stopniowo zmniejszamy wartość h do zera, to krzywa b(h) nie podąża już poprzednią ścieżką, ale przechodzi przez punkt 3 , odsłaniając niejako „pamięć” materiału o „ przeszła historia„stąd nazwa „histereza”. Oczywiście w tym przypadku pewne namagnesowanie szczątkowe zostaje zachowane (segment) 1 –3 ). Po zmianie kierunku pola magnesującego na przeciwny krzywa V (n) mija punkt 4 i segment ( 1 )–(4 ) odpowiada sile przymusu, która zapobiega rozmagnesowaniu. Dalszy wzrost wartości (- h) przenosi krzywą histerezy do trzeciego kwadrantu - przekroju 4 –5 ... Kolejny spadek wartości (- h) do zera, a następnie wzrost wartości dodatnich h doprowadzi do zamknięcia pętli histerezy przez punkty 6 , 7 oraz 2 .
Materiały magnetycznie twarde charakteryzują się szeroką pętlą histerezy obejmującą duży obszar na schemacie i tym samym odpowiadającą dużym wartościom namagnesowania szczątkowego (indukcji magnetycznej) oraz siły przymusu. Wąska pętla histerezy (rys. 3) jest charakterystyczna dla materiałów magnetycznie miękkich, takich jak stal miękka i stopy specjalne o wysokiej przenikalności magnetycznej. Takie stopy zostały stworzone z myślą o ograniczeniu strat energii na skutek histerezy. Większość z tych specjalnych stopów, podobnie jak ferryty, ma wysoką oporność elektryczną, co zmniejsza nie tylko straty magnetyczne, ale także elektryczne wywołane prądami wirowymi.
Materiały magnetyczne o wysokiej przepuszczalności wytwarzane są przez wyżarzanie prowadzone przez wygrzewanie w temperaturze ok. 1000°C, a następnie odpuszczanie (stopniowe schładzanie) do temperatury pokojowej. W tym przypadku bardzo ważna jest wstępna obróbka mechaniczna i termiczna oraz brak zanieczyszczeń w próbce. Do rdzeni transformatorowych na początku XX wieku. opracowano stale krzemowe, rozmiar m która wzrosła wraz ze wzrostem zawartości krzemu. W latach 1915-1920 pojawił się permalloy (stopy Ni-Fe) z charakterystyczną wąską i prawie prostokątną pętlą histerezy. Szczególnie wysokie wartości przepuszczalności magnetycznej m przy małych wartościach h stopy hypernik (50% Ni, 50% Fe) i mu-metal (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr) różnią się, natomiast w Perminvarze (45% Ni, 30% Fe, 25% Co ) wartość m praktycznie stały w szerokim zakresie natężenia pola. Wśród nowoczesnych materiałów magnetycznych należy wymienić supermallę - stop o najwyższej przenikalności magnetycznej (zawiera 79% Ni, 15% Fe i 5% Mo).
Teorie magnetyzmu.
Po raz pierwszy przypuszczenie, że zjawiska magnetyczne ostatecznie sprowadzają się do elektryczności, pojawiło się w Ampere w 1825 roku, kiedy wyraził ideę zamkniętych wewnętrznych mikroprądów krążących w każdym atomie magnesu. Jednak bez żadnego eksperymentalnego potwierdzenia obecności takich prądów w materii (elektron odkrył J. Thomson dopiero w 1897 r., a opis budowy atomu podali Rutherford i Bohr w 1913 r.), teoria ta „zanikła”. ”. W 1852 r. W. Weber zasugerował, że każdy atom materia magnetyczna jest malutkim magnesem lub dipolem magnetycznym, dzięki czemu pełne namagnesowanie substancji uzyskuje się, gdy wszystkie poszczególne magnesy atomowe są ułożone w określonej kolejności (ryc. 4, b). Weber uważał, że „tarcie” molekularne lub atomowe pomaga tym elementarnym magnesom utrzymać porządek pomimo zakłócającego wpływu drgań termicznych. Jego teoria była w stanie wyjaśnić namagnesowanie ciał w kontakcie z magnesem, a także ich rozmagnesowanie po uderzeniu lub podgrzaniu; w końcu „pomnażanie” magnesów zostało również wyjaśnione, gdy namagnesowana igła lub pręt magnetyczny zostały pocięte na kawałki. Teoria ta nie wyjaśniała jednak ani pochodzenia samych magnesów elementarnych, ani zjawisk nasycenia i histerezy. Teoria Webera została udoskonalona w 1890 r. przez J. Ewinga, który zastąpił swoją hipotezę tarcia atomowego ideą międzyatomowych sił ograniczających, które pomagają utrzymać uporządkowanie elementarnych dipoli tworzących magnes trwały.
Podejście do problemu, zaproponowane niegdyś przez Ampere, zyskało drugie życie w 1905 r., kiedy P. Langevin wyjaśnił zachowanie materiałów paramagnetycznych, przypisując każdemu atomowi wewnętrzny nieskompensowany prąd elektronowy. Według Langevina to właśnie te prądy tworzą maleńkie magnesy, zorientowane losowo, gdy nie ma pola zewnętrznego, ale nabierające uporządkowanej orientacji po przyłożeniu. W tym przypadku podejście do pełnego zamówienia odpowiada nasyceniu namagnesowania. Ponadto Langevin wprowadził pojęcie momentu magnetycznego, równego dla pojedynczego magnesu atomowego iloczynowi „ładunku magnetycznego” bieguna przez odległość między biegunami. Tak więc słaby magnetyzm materiałów paramagnetycznych jest spowodowany całkowitym momentem magnetycznym wytworzonym przez nieskompensowane prądy elektronowe.
W 1907 roku P. Weiss wprowadził pojęcie „domeny”, które stało się ważnym wkładem do współczesna teoria magnetyzm. Weiss wyobrażał sobie domeny w postaci małych „kolonii” atomów, w których momenty magnetyczne wszystkich atomów z jakiegoś powodu są zmuszone do utrzymywania tej samej orientacji, tak że każda domena jest namagnesowana do nasycenia. Oddzielna domena może mieć wymiary liniowe rzędu 0,01 mm i odpowiednio objętość rzędu 10 – 6 mm 3. Domeny są oddzielone tzw. ścianami Blocha, których grubość nie przekracza 1000 wymiarów atomowych. „Ściana” i dwie przeciwnie zorientowane domeny są pokazane schematycznie na ryc. 5. Takie ściany są „warstwami przejściowymi”, w których zmienia się kierunek namagnesowania domeny.
W ogólnym przypadku na krzywej namagnesowania początkowego można wyróżnić trzy sekcje (rys. 6). W początkowej części ściana pod działaniem pola zewnętrznego przesuwa się przez grubość substancji, aż napotka wadę sieci krystalicznej to ją powstrzymuje. Zwiększając siłę pola, możesz zmusić ścianę do dalszego przesuwania się przez środkowy odcinek między przerywanymi liniami. Jeśli siła pola zostanie następnie ponownie zmniejszona do zera, ścianki nie powrócą już do swojej pierwotnej pozycji, tak że próbka pozostanie częściowo namagnesowana. To wyjaśnia histerezę magnesu. Na końcu krzywej proces kończy się nasyceniem namagnesowania próbki ze względu na uporządkowanie namagnesowania wewnątrz ostatnich nieuporządkowanych domen. Ten proces jest prawie całkowicie odwracalny. Twardość magnetyczna przejawia się w tych materiałach, w których sieć atomowa zawiera wiele defektów utrudniających ruch ścian międzydomenowych. Można to osiągnąć przez obróbkę mechaniczną i termiczną, na przykład przez prasowanie, a następnie spiekanie materiału proszkowego. W stopach alnico i ich analogach ten sam wynik osiąga się poprzez stapianie metali w złożoną strukturę.
Oprócz materiałów paramagnetycznych i ferromagnetycznych istnieją materiały o tzw. właściwościach antyferromagnetycznych i ferrimagnetycznych. Różnicę między tymi rodzajami magnetyzmu ilustruje ryc. 7. Opierając się na koncepcji domen, paramagnetyzm można uznać za zjawisko spowodowane obecnością w materiale małych grup dipoli magnetycznych, w których poszczególne dipole oddziałują ze sobą bardzo słabo (lub w ogóle nie oddziałują) i dlatego , w przypadku braku pola zewnętrznego, przyjmij tylko przypadkowe orientacje ( rys. 7, a). Jednak w materiałach ferromagnetycznych w obrębie każdej domeny występuje silna interakcja między poszczególnymi dipolami, prowadząca do ich uporządkowanego równoległego ustawienia (rys. 7, b). Natomiast w materiałach antyferromagnetycznych oddziaływanie między poszczególnymi dipolami prowadzi do ich przeciwrównoległego uporządkowania, tak że całkowity moment magnetyczny każdej domeny wynosi zero (rys. 7, v). Wreszcie w materiałach ferrimagnetycznych (na przykład ferrytach) występuje zarówno uporządkowanie równoległe, jak i antyrównoległe (ryc. 7, g), co powoduje słaby magnetyzm.
Są dwa przekonujące eksperymentalne potwierdzenie istnienie domen. Pierwszym z nich jest tzw. efekt Barkhausena, drugim jest metoda pudrowej figury. W 1919 r. G. Barckhausen ustalił, że po przyłożeniu zewnętrznego pola do próbki materiału ferromagnetycznego jego namagnesowanie zmienia się w małych, dyskretnych porcjach. Z punktu widzenia teorii domen jest to nic innego jak skokowy postęp ściany międzydomenowej, która napotyka na indywidualne defekty, które ją opóźniają. Efekt ten jest zwykle wykrywany za pomocą cewki, w której umieszczony jest pręt lub drut ferromagnetyczny. Jeśli silny magnes jest naprzemiennie wkładany i wyjmowany z próbki, próbka zostanie namagnesowana i ponownie namagnesowana. Nagłe zmiany namagnesowania próbki zmieniają strumień magnetyczny przez cewkę i wzbudzany jest w niej prąd indukcyjny. Napięcie generowane w tej cewce jest wzmacniane i podawane na wejście pary słuchawek akustycznych. Kliknięcia słyszalne w słuchawkach wskazują na nagłą zmianę namagnesowania.
Aby ujawnić strukturę domenową magnesu metodą figur proszkowych, kroplę koloidalnej zawiesiny proszku ferromagnetycznego (zwykle Fe 3 O 4) nakłada się na dobrze wypolerowaną powierzchnię namagnesowanego materiału. Cząsteczki proszku osadzają się głównie w miejscach o maksymalnej niejednorodności pola magnetycznego - na granicach domen. Tę strukturę można badać pod mikroskopem. Zaproponowano również metodę opartą na przepuszczaniu spolaryzowanego światła przez przezroczysty materiał ferromagnetyczny.
Oryginalna teoria magnetyzmu Weissa w swoich podstawowych cechach zachowała swoje znaczenie do chwili obecnej, otrzymując jednak zaktualizowaną interpretację opartą na koncepcji nieskompensowanych spinów elektronów jako czynnika determinującego magnetyzm atomowy. Hipotezę o istnieniu momentu własnego elektronu wysunęli w 1926 r. S. Goudsmit i J. Uhlenbeck, a obecnie to elektrony jako nośniki spinu uważane są za „magnesy elementarne”.
Aby wyjaśnić tę koncepcję, rozważmy (rys. 8) wolny atom żelaza - typowy materiał ferromagnetyczny. Jego dwie muszle ( K oraz L) najbliżej jądra są wypełnione elektronami, z których pierwszy zawiera dwa, a drugi - osiem elektronów. V K-powłoka, spin jednego z elektronów jest dodatni, a drugiego ujemny. V L-shell (dokładniej w dwóch jego podpowłokach), cztery z ośmiu elektronów mają spiny dodatnie, a pozostałe cztery mają spiny ujemne. W obu przypadkach spiny elektronów w jednej powłoce są całkowicie skompensowane, tak że całkowity moment magnetyczny wynosi zero. V m-powłoka, sytuacja jest inna, ponieważ z sześciu elektronów w trzeciej podpowłoce, pięć elektronów ma spiny skierowane w jedną stronę, a tylko szósty w drugą. W rezultacie pozostają cztery nieskompensowane spiny, które determinują właściwości magnetyczne atomu żelaza. (W zewnętrznym n-powłoka, istnieją tylko dwa elektrony walencyjne, które nie przyczyniają się do magnetyzmu atomu żelaza.) Magnetyzm innych ferromagnetyków, takich jak nikiel i kobalt, wyjaśnia się w podobny sposób. Ponieważ sąsiednie atomy w próbce żelaza silnie ze sobą oddziałują, a ich elektrony są częściowo skolektywizowane, wyjaśnienie to należy traktować jedynie jako poglądowy, ale bardzo uproszczony wykres rzeczywistej sytuacji.
Teoria magnetyzmu atomowego, oparta na uwzględnieniu spinu elektronu, jest poparta dwoma interesującymi eksperymentami żyromagnetycznymi, z których jeden przeprowadzili A. Einstein i W. de Haas, a drugi S. Barnett. W pierwszym z tych eksperymentów zawieszono walec wykonany z materiału ferromagnetycznego, jak pokazano na ryc. 9. Jeżeli przez drut nawojowy przepływa prąd, cylinder obraca się wokół własnej osi. Kiedy zmienia się kierunek prądu (a tym samym pola magnetycznego), zmienia się on w przeciwnym kierunku. W obu przypadkach obrót cylindra wynika z uporządkowania spinów elektronów. W eksperymencie Barnetta przeciwnie, zawieszony cylinder, ostro wprowadzony w stan wirowania, zostaje namagnesowany przy braku pola magnetycznego. Efekt ten tłumaczy się tym, że gdy magnes się obraca, powstaje moment żyroskopowy, który ma tendencję do obracania momentów spinowych w kierunku własnej osi obrotu.
W celu pełniejszego wyjaśnienia natury i pochodzenia sił bliskiego zasięgu porządkujących sąsiednie magnesy atomowe i przeciwdziałających nieuporządkowanemu wpływowi ruchu termicznego, należy zwrócić się do: mechanika kwantowa... Kwantowo-mechaniczne wyjaśnienie natury tych sił zaproponował w 1928 roku W. Heisenberg, który postulował istnienie interakcji wymiennych między sąsiednimi atomami. Później G. Bethe i J. Slater wykazali, że siły wymiany znacznie wzrastają wraz ze zmniejszaniem się odległości między atomami, ale po osiągnięciu pewnej minimalnej odległości międzyatomowej spadają do zera.
WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNE SUBSTANCJI
Jedno z pierwszych szeroko zakrojonych i systematycznych badań właściwości magnetycznych materii podjął P. Curie. Odkrył, że zgodnie z ich właściwościami magnetycznymi wszystkie substancje można podzielić na trzy klasy. Pierwsza obejmuje substancje o wyraźnych właściwościach magnetycznych, podobnych do żelaza. Takie substancje nazywane są ferromagnetycznymi; ich pole magnetyczne jest zauważalne ze znacznych odległości ( cm. nad). Druga klasa obejmuje substancje zwane paramagnetycznymi; ich właściwości magnetyczne są generalnie podobne do właściwości ferromagnetycznych, ale znacznie słabsze. Na przykład siła przyciągania do biegunów potężnego elektromagnesu może wyrwać żelazny młotek z rąk, a aby wykryć przyciąganie substancji paramagnetycznej do tego samego magnesu, zwykle potrzebna jest bardzo czuła waga analityczna. Ostatnia, trzecia klasa obejmuje tzw. substancje diamagnetyczne. Są odpychane przez elektromagnes, tj. siła działająca na diamagnesy jest skierowana przeciwnie do tej, która działa na ferro- i paramagnesy.
Pomiar właściwości magnetycznych.
W badaniu właściwości magnetycznych najważniejsze są pomiary dwóch typów. Pierwszym z nich jest pomiar siły działającej na próbkę w pobliżu magnesu; w ten sposób określa się namagnesowanie próbki. Drugi obejmuje pomiary częstotliwości „rezonansowych” związanych z namagnesowaniem substancji. Atomy to maleńkie „żyroskopy”, które w polu magnetycznym przechodzą (jak normalny wierzchołek pod wpływem momentu obrotowego generowanego przez grawitację) z częstotliwością, którą można zmierzyć. Ponadto siła działa na swobodne, naładowane cząstki poruszające się pod kątem prostym do linii indukcji magnetycznej, a także na prąd elektronowy w przewodniku. Sprawia, że cząstka porusza się po orbicie kołowej, której promień określa wyrażenie
r = mv/eB,
gdzie m- masa cząstek, v- jego prędkość, mi Czy jego opłata, i b- indukcja magnetyczna pola. Częstotliwość takich ruch kołowy jest równe
gdzie F mierzone w hercach, mi- w zawieszkach, m- w kilogramach, b- w teslach. Częstotliwość ta charakteryzuje ruch naładowanych cząstek w substancji w polu magnetycznym. Oba rodzaje ruchu (precesja i ruch po orbitach kołowych) mogą być wzbudzane przez zmienne pola o częstotliwościach rezonansowych równych częstotliwościom „naturalnym” charakterystycznym dla danego materiału. W pierwszym przypadku rezonans nazywany jest magnetycznym, aw drugim cyklotronem (ze względu na podobieństwo do cyklicznego ruchu cząstki subatomowej w cyklotronie).
Mówiąc o właściwościach magnetycznych atomów, należy zwrócić uwagę zwłaszcza na ich moment pędu. Pole magnetyczne działa na obracający się dipol atomowy, dążąc do jego obracania i ustawiania równolegle do pola. Zamiast tego atom zaczyna poruszać się wokół kierunku pola (rys. 10) z częstotliwością zależną od momentu dipolowego i siły przyłożonego pola.
Precesji atomowej nie da się zaobserwować bezpośrednio, ponieważ wszystkie atomy w próbce precesują w innej fazie. Jeżeli zastosujemy małe pole przemienne skierowane prostopadle do stałego pola porządkującego, to między precesującymi atomami ustali się pewna zależność fazowa i ich całkowity moment magnetyczny zaczyna precesować z częstotliwością równą częstotliwości precesji poszczególnych momentów magnetycznych. Jest ważne prędkość kątowa precesja. Z reguły jest to wartość rzędu 10 10 Hz/T dla namagnesowania związanego z elektronami i rzędu 107 Hz/T dla namagnesowania związanego z ładunkami dodatnimi w jądrach atomów.
Schemat ideowy obiektu do obserwacji magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) przedstawiono na ryc. 11. Badana substancja jest wprowadzana w jednorodne stałe pole między biegunami. Jeśli wtedy, za pomocą małej cewki pokrywającej probówkę, wzbudzone zostanie pole o częstotliwości radiowej, wówczas można uzyskać rezonans o określonej częstotliwości równej częstotliwości precesji wszystkich „żyroskopów” jądrowych w próbce. Pomiary są podobne do dostrojenia odbiornika radiowego do częstotliwości danej stacji.
Metody rezonansu magnetycznego umożliwiają badanie nie tylko właściwości magnetycznych poszczególnych atomów i jąder, ale także właściwości ich otoczenia. Faktem jest, że pola magnetyczne w ciała stałe a cząsteczki są niejednorodne, ponieważ są zniekształcone przez ładunki atomowe, a szczegóły eksperymentalnej krzywej rezonansowej są określone przez lokalne pole w regionie, w którym znajduje się poprzedzające jądro. Umożliwia to badanie cech strukturalnych konkretnej próbki metodami rezonansowymi.
Obliczanie właściwości magnetycznych.
Indukcja magnetyczna pola Ziemi wynosi 0,5 x 10 –4 T, podczas gdy pole pomiędzy biegunami silnego elektromagnesu wynosi około 2 T lub więcej.
Pole magnetyczne wytworzone przez dowolną konfigurację prądów można obliczyć za pomocą wzoru Biota-Savarta-Laplace'a na indukcję magnetyczną pola wytworzonego przez element prądowy. Obliczenie pola generowanego przez kontury o różnych kształtach i cewki cylindryczne jest w wielu przypadkach bardzo skomplikowane. Poniżej znajdują się wzory dla kilku prostych przypadków. Indukcja magnetyczna (w teslach) pola wytworzonego przez długi prosty drut z prądem i
Pole namagnesowanego pręta żelaznego jest podobne do pola zewnętrznego długiego solenoidu z liczbą amperokrętów na jednostkę długości odpowiadającą prądowi w atomach na powierzchni namagnesowanego pręta, ponieważ prądy wewnątrz pręta są wzajemnie kompensowane (ryc. 12). Pod nazwą Ampere taki prąd powierzchniowy nazywa się Ampere. Siła pola magnetycznego Ha generowany przez prąd amperowy jest równy momentowi magnetycznemu na jednostkę objętości pręta m.
Jeśli do solenoidu włożony jest żelazny pręt, to oprócz tego, że prąd solenoidu wytwarza pole magnetyczne h, uporządkowanie dipoli atomowych w namagnesowanym materiale pręta powoduje namagnesowanie m... W tym przypadku całkowity strumień magnetyczny jest określony przez sumę prądów rzeczywistych i amperowych, tak że b = m 0(h + Ha), lub b = m 0(H + M). Nastawienie m/h nazywa podatność magnetyczna i jest oznaczona grecką literą C; C Jest wielkością bezwymiarową charakteryzującą zdolność materiału do namagnesowania w polu magnetycznym.
wielkość b/h charakteryzujący właściwości magnetyczne materiału nazywa się przenikalnością magnetyczną i jest oznaczany przez ja, oraz ja = m 0m, gdzie ja- bezwzględny, i m- przepuszczalność względna,
W substancjach ferromagnetycznych ilość C mogą mieć bardzo duże wartości - do 10 4 ё 10 6. wielkość C materiały paramagnetyczne mają nieco więcej niż zero, podczas gdy materiały diamagnetyczne mają nieco mniej. Tylko w próżni i w bardzo słabych polach wielkości C oraz m są stałe i nie zależą od pola zewnętrznego. Zależność indukcyjna b z h zwykle nieliniowa, a jej wykresy tzw. krzywe namagnesowania dla różnych materiałów, a nawet w różnych temperaturach mogą się znacznie różnić (przykłady takich krzywych pokazano na rys. 2 i 3).
Magnetyczne właściwości materii są bardzo złożone, a ich dogłębne zrozumienie wymaga dokładnej analizy budowy atomów, ich interakcji w cząsteczkach, ich zderzeń w gazach oraz ich wzajemnego oddziaływania w ciałach stałych i cieczach; właściwości magnetyczne cieczy są nadal najmniej zbadane.
Substancje umieszczone w MP zachowują się inaczej. Szereg materiałów, takich jak złoto, srebro, miedź, cynk itp., nieznacznie osłabia MF wewnątrz substancji. Nazywane są diamagnesami. Platyna, magnez, aluminium, chrom, pallad, metale alkaliczne, tlen itp. wręcz przeciwnie, nieznacznie zwiększ MF. Nazywane są paramagnesami.
Substancje, w których samoistne (wewnętrzne) MF może setki i tysiące razy przewyższać zewnętrzne MF, które je spowodowały, nazywane są ferromagnesami. Należą do nich żelazo (Fe), kobalt (Co), nikiel (№), niektóre pierwiastki ziem rzadkich, a także stopy na bazie tych pierwiastków.
W elektrotechnice zwyczajowo dzieli się wszystkie substancje na magnetyczne (ferromagnesy) i niemagnetyczne (diamagnesy i paramagnesy).
Ponieważ MF w materiałach niemagnetycznych praktycznie nie zmienia się pod wpływem zewnętrznego MF, ferromagnesy są szczególnie interesujące.
Ferromagnetyzm wynika z obecności w substancji namagnesowanych obszarów - domen, w których momenty magnetyczne atomów mają ten sam kierunek. Zasadniczo każda domena to mały magnes.
Ferromagnes składa się z duża liczba domeny, które w przypadku braku zewnętrznego MF są zorientowane w dowolny sposób, tak że ferromagnes pozostaje niemagnetyczny. Kiedy ferromagnes jest umieszczony w zewnętrznym MF, domeny zaczynają orientować się w kierunku linii sił zewnętrznego MF. Wraz z dalszym wzrostem siły zewnętrznego MF, wszystkie domeny ustalają się wzdłuż linii siły MF. Następuje nasycenie magnetyczne i namagnesowanie prawie się nie zwiększa. Jeśli teraz zmniejszymy siłę zewnętrznego MF do zera, orientacja domen zostanie naruszona tylko częściowo, dlatego namagnesowanie ferromagnetyka zmniejszy się, ale nie do zera. Aby wyeliminować szczątkowe namagnesowanie próbki, konieczne jest zastosowanie zewnętrznego MF w przeciwnym kierunku. Siła takiego MF nazywana jest siłą przymusu N. Dla każdego ferromagnetyka istnieje temperatura, powyżej której zanikają jego właściwości ferromagnetyczne. Nazywa się to punktem Curie. Dla żelaza punkt Curie wynosi 768 ° C, dla niklu - 358 ° C, a dla kobaltu - 1120 ° C.
Aby obliczyć indukcję magnetyczną MF V w ferromagnecie stosuje się wyrażenie uwzględniające zdolność do namagnesowania materiału, B =| d 0 | l g H = |l a N, gdzie n- napięcie zewnętrznego MP; x g- względną przenikalność magnetyczną materiału; |i a - bezwzględna przenikalność magnetyczna materiału.
Uwzględnia się właściwości ferromagnesów do namagnesowania | q (., A zatem dla ferromagnetyków »1, natomiast dla materiałów niemagnetycznych C,. = 1.
Główną cechą ferromagnetyków jest krzywa namagnesowania B (H) i pętla histerezy (ryc. 6.5, a). Aby uzyskać pętlę histerezy, należy płynnie zwiększać n od zera do / Y 1, a następnie zmniejszać od n zanim -H
Po serii cykli namagnesowania uzyskuje się zamkniętą krzywą, którą nazywamy pętlą histerezy. Na różne znaczenia/ Przy maksimum uzyskuje się rodzinę pętli histerezy (ryc. 6.5.6). Jeżeli wielkość siły MF przekracza wartość, przy której występuje nasycenie magnetyczne, tj. / U || gax> H, wtedy rozmiar pętli już się nie zwiększa, rosną tylko obszary wolne od histerezy (1-2 i 5-6 na ryc. 6.5, a). Taka pętla nazywana jest pętlą histerezy granicznej.
Ryż. 6.5. Krzywe namagnesowania ferromagnesów: a - pętla histerezy; b - cykle częściowe i graniczne
Namagnesowanie materiału ferromagnetycznego, umieszczonego po raz pierwszy w MF, odbywa się wzdłuż linii 0-1. Punkty 8 i 4 pętli histerezy granicznej odpowiadają sile przymusu //.(-//.), a punkty 3 i 7 podają wartości indukcji resztkowej Bg (~ B G).
Łącząc wierzchołki z rodziny wszystkich krzywych histerezy otrzymujemy główną krzywą namagnesowania ferromagnetyka. Ta krzywa jest używana głównie w obliczeniach technicznych i prawie pokrywa się z pierwotną krzywą namagnesowania 0-1 (patrz rys. 6,5,a). Dla wygody podaje się go tylko dla wartości dodatnich.
Ryż. 6.6.
1 - miękki magnetyczny; 2 - magnetycznie twardy
Na ryc. 6.6 pokazuje pętle histerezy dla różnych materiałów magnetycznych. W zależności od wartości siły koercji, wszystkie materiały magnetyczne dzieli się zwykle na magnetycznie miękkie (krzywa 1) i magnetycznie twarde (krzywa 2).
Miękki magnetyczny materiały mają niską siłę koercji i stosunkowo wąską pętlę histerezy. Ta grupa obejmuje stal elektrotechniczną, permalloy, ferryty. Materiały te są używane w urządzenia elektryczne takich jak maszyny elektryczne, transformatory, aparatura elektryczna itp.
Magnetyczny twardy materiały mają dużą siłę koercji i szeroką pętlę histerezy. Będąc namagnesowanymi, zachowują swoje namagnesowanie nawet po usunięciu pola magnesującego. Z takich materiałów powstają magnesy trwałe, które znajdują szerokie zastosowanie w różnych urządzeniach.
Wysyłanie dobrej pracy do bazy wiedzy jest proste. Skorzystaj z poniższego formularza
Studenci, doktoranci, młodzi naukowcy korzystający z bazy wiedzy w swoich studiach i pracy będą Ci bardzo wdzięczni.
Wysłany dnia http://www.allbest.ru/
Wysłany dnia http://www.allbest.ru/
FEDERALNA AGENCJA KSZTAŁCENIA PAŃSTWOWA INSTYTUCJA EDUKACYJNA SZKOLNICTWA WYŻSZEGO I ZAWODOWEGO
UNIWERSYTET PAŃSTWOWY W WORONEZE
(GOU VPO VSU)
Wydział Geologii
Katedra Geologii Środowiska
abstrakcyjny
na temat: Magnetyczne właściwości substancji
Ukończone: studentka I roku, gr. nr 9
Agoszkowa Jekaterina Władimirowna
Recenzent:
profesor nadzwyczajny, kandydat nauk Voronova T.A.
Właściwości magnetyczne substancji
Przepuszczalność magnetyczna materii
Klasyfikacja substancji przez działanie na nie zewnętrznego pola magnetycznego
Antyferromagnetyki i ferrimagnetyki
Magnesy trwałe
Punkt Curie
Literatura
Właściwości magnetyczne substancji
Magnetyzm- forma oddziaływania poruszających się ładunków elektrycznych, dokonywana na odległość za pomocą pola magnetycznego.
Magnetyczne właściwości materii wyjaśniono zgodnie z hipotezą Ampere'a.
Hipoteza Ampera- właściwości magnetyczne ciała można wytłumaczyć krążącymi w nim prądami.
Wewnątrz atomów, w wyniku ruchu elektronów na orbitach, występują elementarne prądy elektryczne, które wytwarzają elementarne pola magnetyczne.
1.jeśli substancja nie posiada właściwości magnetycznych, elementarne pola magnetyczne nie są zorientowane (z powodu ruchu termicznego);
2. jeżeli substancja ma właściwości magnetyczne, elementarne pola magnetyczne są jednakowo skierowane (zorientowane) i powstaje własne wewnętrzne pole magnetyczne substancji.
Namagnesowane nazywana jest substancja, która wytwarza własne pole magnetyczne. Namagnesowanie występuje, gdy substancja znajduje się w zewnętrznym polu magnetycznym.
magnetyzm amper antyferromagnetyczny curie
Magnesi japrzepuszczalność substancji
Wpływ substancji na zewnętrzne pole magnetyczne charakteryzuje się wartością m , który jest nazywany przenikalność magnetyczna materii.
Przepuszczalność magnetyczna to fizyczna wielkość skalarna, która pokazuje, ile razy indukcja pola magnetycznego w danej substancji różni się od indukcji pola magnetycznego w próżni.
gdzie jest B? - indukcja magnetyczna pola w substancji; B? 0 - indukcja magnetyczna pola w próżni.
Klasyfikacja substancjiprzez działanie na nie zewnętrznego pola magnetycznego
1.D iamagnetyka [m<1]- слабомагнитные вещества, внутреннее магнитное поле направлено противоположно внешнему магнитному полю, но слабовыраженно. Вещества, которые имеют отрицательную магнитную восприимчивость, не зависящую от напряженности магнитного поля.
Ujemna podatność magnetyczna- wtedy magnes jest doprowadzany do ciała, a jednocześnie jest odpychany, a nie przyciągany.
Diamagnesy obejmują na przykład gazy obojętne, wodór, fosfor, cynk, złoto, azot, krzem, bizmut, miedź, srebro. Oznacza to, że są to substancje, które są w stanie nadprzewodzącym lub mają wiązania kowalencyjne.
2. P aramagnetyka [m> 1] - substancje słabo magnetyczne, wewnętrzne pole magnetyczne jest skierowane w taki sam sposób jak zewnętrzne pole magnetyczne. W przypadku tych substancji podatność magnetyczna również nie zależy od natężenia pola. Jednocześnie jest pozytywny. Oznacza to, że gdy paramagnes zbliża się do magnesu działającego na stałe, powstaje siła przyciągania. Należą do nich aluminium, platyna, tlen, mangan, żelazo.
3.F erromagnetyka [m >> 1] - silne substancje magnetyczne, wewnętrzne pole magnetyczne jest 100-1000 razy większe niż zewnętrzne pole magnetyczne.
W tych substancjach, w przeciwieństwie do diamagnesów i paramagnesów, podatność magnetyczna zależy w dużym stopniu od temperatury i natężenia pola magnetycznego.
Należą do nich kryształy niklu i kobaltu.
Antyferromagnetyki i ferrimagnetyki
Substancje, w których podczas ogrzewania następuje przejście fazowe danej substancji, któremu towarzyszy pojawienie się właściwości paramagnetycznych, nazywane są antyferromagnetyki... Jeżeli temperatura spadnie poniżej określonej, właściwości te nie będą obserwowane w substancji. Przykładami tych substancji są mangan i chrom.
Podatność magnetyczna ferrimagnesy zależy również od temperatury i natężenia pola magnetycznego. Ale nadal mają różnice. Substancje te obejmują różne tlenki.
Wszystkie powyższe magnesy można dalej podzielić na 2 kategorie:
Materiały magnetycznie twarde. Są to materiały z wysoka wartość siła przymusu. Aby odwrócić ich namagnesowanie, konieczne jest wytworzenie silnego pola magnetycznego. Materiały te są wykorzystywane do produkcji magnesów trwałych.
Miękkie materiały magnetyczne wręcz przeciwnie, mają niewielką siłę przymusu. W słabych polach magnetycznych są w stanie wejść w nasycenie. Mają niewielkie straty na odwrócenie namagnesowania. Z tego powodu materiały te są wykorzystywane do wytwarzania rdzeni do maszyn elektrycznych zasilanych prądem przemiennym. Jest to na przykład przekładnik prądowy i napięciowy lub generator lub silnik indukcyjny.
Trwały magness
Stałymagnesy- to są ciała, długi czas zachowując namagnesowanie.
Magnes trwały ma zawsze 2 bieguny magnetyczne: północny (N) i południowy (S).
Najsilniejsze pole magnetyczne magnesu trwałego znajduje się na jego biegunach.
Magnesy trwałe są zwykle wykonane z żelaza, stali, żeliwa i innych stopów żelaza (silne magnesy), a także z niklu, kobaltu (słabe magnesy). Magnesy są naturalne (naturalne) z rudy żelaza magnetycznej rudy żelaza i sztuczne, otrzymywane przez namagnesowanie żelaza, gdy zostanie ono wprowadzone do pola magnetycznego.
Oddziaływanie magnesów: jak bieguny odpychają, aw przeciwieństwie do biegunów przyciągają.
Oddziaływanie magnesów tłumaczy się tym, że każdy magnes ma pole magnetyczne, a te pola magnetyczne oddziałują ze sobą.
Pole magnetyczne magnesów trwałych
Jakie są przyczyny namagnesowania żelaza? Zgodnie z hipotezą francuskiego naukowca Ampere'a, wewnątrz substancji istnieją elementarne prądy elektryczne (prądy Ampere), które powstają w wyniku ruchu elektronów wokół jąder atomów i wokół własnej osi. Elementarne pola magnetyczne powstają, gdy elektrony się poruszają. Kiedy kawałek żelaza zostanie wprowadzony do zewnętrznego pola magnetycznego, wszystkie elementarne pola magnetyczne w tym żelazie są zorientowane w ten sam sposób w zewnętrznym polu magnetycznym, tworząc własne pole magnetyczne. W ten sposób kawałek żelaza staje się magnesem.
Jak wygląda pole magnetyczne?magnesy trwałe?
Wyobrażenie o rodzaju pola magnetycznego można uzyskać za pomocą opiłków żelaza. Wystarczy przyłożyć do magnesu kartkę papieru i posypać ją opiłkami żelaza.
Do trwałego magnesu taśmowego Do trwałego magnesu łukowego
Punkt Curie
Punkt Curie, lub Temperatura Curie, to temperatura przejścia fazowego drugiego rzędu związanego z nagłą zmianą właściwości symetrii substancji wraz ze zmianą temperatury, ale przy danych wartościach innych parametrów termodynamicznych (ciśnienie, natężenie pola elektrycznego lub magnetycznego). Przejście fazowe drugiego rzędu w temperaturze Curie wiąże się ze zmianą właściwości symetrii substancji. W T c, we wszystkich przypadkach przejść fazowych, zanika pewien rodzaj uporządkowania atomowego, na przykład uporządkowanie spinów elektronów ( ferroelektryki), atomowe momenty magnetyczne ( ferromagnesy), uporządkowanie w rozmieszczeniu atomów różnych składników stopu w miejscach sieci krystalicznej (przejścia fazowe w stopach). Ostre anomalie obserwuje się w pobliżu T c właściwości fizyczne, na przykład piezoelektryczne, elektrooptyczne, termiczne.
Magnetyczny punkt Curie to temperatura takiego przejścia fazowego, przy którym samorzutne namagnesowanie domen ferromagnetyków zanika, a ferromagnes przechodzi w stan paramagnetyczny. W stosunkowo niskich temperaturach ruch termiczny atomów, który nieuchronnie prowadzi do pewnych zaburzeń w uporządkowanym układzie momentów magnetycznych, jest nieznaczny. Wraz ze wzrostem temperatury jego rola wzrasta i wreszcie przy określonej temperaturze (T c) ruch termiczny atomów jest w stanie zniszczyć uporządkowany układ momentów magnetycznych, a ferromagnes przekształca się w paramagnes. W pobliżu punktu Curie obserwuje się szereg cech zmiany niemagnetycznych właściwości ferromagnetyków (rezystywność, ciepło właściwe, współczynnik temperaturowy rozszerzalności liniowej).
Wartość T c zależy od siły połączenia momentów magnetycznych ze sobą, w przypadku silnego wiązania osiąga: dla czystego żelaza T c = 768 o C, dla kobaltu T c = 1131 o C przekracza 1000 o C dla stopów żelazo-kobalt. Dla wielu substancji T c jest małe (dla niklu T c = 358 o C). Wartość Tc można wykorzystać do oszacowania energii wiązania momentów magnetycznych ze sobą. Zniszczenie uporządkowanego układu momentów magnetycznych wymaga energii ruchu termicznego, która jest znacznie wyższa zarówno od energii oddziaływania dipoli, jak i energii potencjalnej dipola magnetycznego w polu.
W temperaturze Curie przenikalność magnetyczna ferromagnesu wynosi około równy jeden, powyżej punktu Curie, zachodzi zmiana podatności magnetycznej Prawo Curie-Weissa.
Dla każdego ferromagnetyka istnieje określona temperatura – punkt Curie.
1. Jeśli t substancja< t Кюри, то вещество обладает ферромагнитными свойствами.
2. Jeżeli t substancja> t Curie, to właściwości ferromagnetyczne (namagnesowanie) zanikają, a substancja staje się paramagnesem. Dlatego magnesy trwałe tracą swoje właściwości magnetyczne po podgrzaniu.
Literatura
Zhilko, VV Fizyka: podręcznik. dodatek do 11 klasy. ogólne wykształcenie. szk. od rus. język. szkolenie / V.V. Zhilko, A.V. Ławrinienko, L.G. Markowicz. - Mn.: Nar. Asveta, 2002 .-- S. 291-297.
http://msk.edu.ua/
http://elhow.ru/
http://class-fizika.narod.ru/
Opublikowano na Allbest.ru
Podobne dokumenty
Pole magnetyczne - składnik pole elektromagnetyczne który pojawia się w obecności zmiennego w czasie pola elektrycznego. Właściwości magnetyczne substancji. Warunki powstawania i manifestacji pola magnetycznego. Prawo Ampera i jednostki miary pola magnetycznego.
prezentacja dodana 16.11.2011
Istota pola magnetycznego, jego główne cechy. Pojęcia i klasyfikacja magnesów - substancji, które można namagnesować w zewnętrznym polu magnetycznym. Budowa i właściwości materiałów. Magnesy trwałe i elektryczne oraz obszary ich zastosowania.
streszczenie, dodane 12.02.2012
Natura i właściwości pola magnetycznego. Właściwości magnetyczne różnych substancji i źródeł pól magnetycznych. Urządzenie elektromagnesów, ich klasyfikacja, zastosowanie i przykłady użycia. Elektrozawór i jego zastosowanie. Obliczanie urządzenia magnesującego.
praca semestralna, dodana 17.01.2011
Proces powstawania i pojawiania się pola magnetycznego. Właściwości magnetyczne substancji. Oddziaływanie dwóch magnesów i zjawisko Indukcja elektromagnetyczna... Prądy Foucaulta to indukcyjne prądy wirowe, które powstają w masywnych przewodnikach, gdy zmienia się strumień magnetyczny.
prezentacja dodana 17.11.2010
Pojęcie i działanie pola magnetycznego, jego właściwości: indukcja magnetyczna, strumień magnetyczny, natężenie, przenikalność magnetyczna. Formuły indukcji magnetycznej i reguła „lewej ręki”. Elementy i rodzaje obwodów magnetycznych, sformułowanie ich podstawowych praw.
prezentacja dodana 27.05.2014
Działanie pola siłowego w przestrzeni otaczającej prądy i magnesy trwałe. Główne cechy pola magnetycznego. Hipoteza Ampere'a, prawo Bio-Savarda-Laplace'a. Moment magnetyczny ramy z prądem. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej; histereza, samoindukcja.
prezentacja dodana 28.07.2015 r.
Podstawowe pojęcia, rodzaje (diamagnesy, ferrimagnesy, paramagnesy, antyferromagnesy) i warunki przejawów magnetyzmu. Charakter stanu ferromagnetycznego substancji. Istota zjawiska magnetostrykcji. Opis struktur domenowych w cienkich warstwach magnetycznych.
streszczenie, dodane 30.08.2010
Przejawy pola magnetycznego, parametry, które je charakteryzują. Cechy materiałów ferromagnetycznych (magnetycznie miękkich i magnetycznie twardych). Prawa Kirchhoffa i Ohma dla obwodów magnetycznych prądu stałego, zasada ich obliczania, ich analogia z obwodami elektrycznymi.
test, dodany 10.10.2010
Badanie zjawiska diamagnetyzmu i paramagnetyzmu. Podatność magnetyczna atomów pierwiastki chemiczne... Magnetyczny porządek atomowy i samoistne namagnesowanie w minerałach ferromagnetycznych. Faza stała, ciekła i gazowa. Magnetyczne właściwości skał osadowych.
prezentacja dodana 15.10.2013
Pojęcie i podstawowe właściwości pola magnetycznego, badanie obwodu zamkniętego z prądem w polu magnetycznym. Parametry i wyznaczanie kierunku wektora i linii indukcji magnetycznej. Biografia i działalność naukowa André Marie Ampere, jego odkrycie mocy Ampere.
Magnetyzacja substancji. Magnesy trwałe mogą być wykonane ze stosunkowo niewielu substancji, ale wszystkie substancje umieszczone w polu magnetycznym są namagnesowane, to znaczy same stają się źródłem pola magnetycznego. W rezultacie wektor indukcji magnetycznej w obecności materii różni się od wektora indukcji magnetycznej w próżni.
Hipoteza Ampere'a. Powód, dla którego ciała są magnetyczne, ustalił francuski naukowiec Ampere. Początkowo, pod bezpośrednim wrażeniem obserwacji igły magnetycznej obracającej się w pobliżu przewodnika z prądem w eksperymentach Oersteda, Lmier zasugerował, że magnetyzm Ziemi jest spowodowany prądami przepływającymi przez kulę ziemską. Podjęto główny krok: właściwości magnetyczne ciała można wytłumaczyć krążącymi w nim prądami. Następnie Ampere doszedł do ogólnego wniosku: właściwości magnetyczne dowolnego ciała determinują zamknięte w nim prądy elektryczne. Ten decydujący krok od możliwości wyjaśnienia właściwości magnetycznych ciała przez prądy do kategorycznego stwierdzenia, że oddziaływania magnetyczne są oddziaływaniami prądów, jest dowodem wielkiej naukowej odwagi Ampere'a.
Zgodnie z hipotezą Ampere'a, wewnątrz molekuł i atomów krążą elementarne prądy elektryczne. (Teraz dobrze wiemy, że prądy te powstają w wyniku ruchu elektronów w atomach.) Jeśli płaszczyzny, w których krążą te prądy, są losowo położone względem siebie z powodu ruchu termicznego cząsteczek (ryc. 1.28, a) , wówczas ich działania wzajemnie się kompensują, a ciało nie wykazuje żadnych właściwości magnetycznych. W stanie namagnesowanym prądy elementarne w ciele są zorientowane tak, że ich działania sumują się (ryc. 1.28, b).
Hipoteza Ampere'a wyjaśnia, dlaczego igła magnetyczna i rama (pętla) z prądem w polu magnetycznym zachowują się w ten sam sposób (patrz § 2). Strzałka może być postrzegana jako zbiór małych obwodów z prądem, zorientowanych w ten sam sposób.
Najsilniejsze pola magnetyczne tworzą substancje zwane ferromagnetykami. Pola magnetyczne są wytwarzane przez ferromagnetyki nie tylko w wyniku cyrkulacji elektronów wokół jąder, ale także w wyniku ich własnej rotacji.
Wewnętrzny moment obrotowy (moment pędu) elektronu nazywamy spinem. Elektrony zawsze wydają się obracać wokół własnej osi i posiadając ładunek, tworzą pole magnetyczne wraz z polem, które pojawia się w wyniku ich ruchu orbitalnego wokół jąder. W ferromagnetykach istnieją regiony o równoległych orientacjach spinów, zwane domenami; wymiary domen są rzędu 0,5 μm. Równoległa orientacja spinów zapewnia minimum energii potencjalnej. Jeśli ferromagnes nie jest namagnesowany, to orientacja domen jest chaotyczna, a całkowite pole magnetyczne wytwarzane przez domeny wynosi zero. Kiedy zewnętrzne pole magnetyczne jest włączone, domeny są zorientowane wzdłuż linii indukcji magnetycznej tego pola, a indukcja magnetyczna w ferromagnetykach wzrasta, stając się tysiące, a nawet miliony razy większa niż indukcja pola zewnętrznego.
Temperatura Curie. W temperaturach wyższych niż określona dla danego ferromagnetyka zanikają jego właściwości ferromagnetyczne. Temperatura ta nazywana jest temperaturą Curie od nazwiska francuskiego naukowca, który odkrył to zjawisko. Jeśli zbyt mocno podgrzejesz namagnesowany gwóźdź, straci on zdolność przyciągania do siebie żelaznych przedmiotów. Temperatura Curie dla żelaza wynosi 753 ° С, dla niklu 365 ° С, a dla kobaltu 1000 ° С. Istnieją stopy ferromagnetyczne, w których temperatura Curie jest mniejsza niż 100°C.
Pierwsze szczegółowe badania właściwości magnetycznych ferromagnetyków przeprowadził wybitny rosyjski fizyk A.G. Stoletov (1839-1896).
Ferromagnesy i ich zastosowanie. Chociaż w przyrodzie nie ma tak wielu ciał ferromagnetycznych, to ich właściwości magnetyczne otrzymały największe praktyczne użycie... Żelazny lub stalowy rdzeń w cewce wielokrotnie wzmacnia wytwarzane przez siebie pole magnetyczne bez zwiększania prądu w cewce. To oszczędza energię. Rdzenie transformatorów, generatorów, silników elektrycznych itp. wykonane są z ferromagnetyków.
Gdy zewnętrzne pole magnetyczne jest wyłączone, ferromagnes pozostaje namagnesowany, to znaczy wytwarza pole magnetyczne w otaczającej przestrzeni. Wynika to z faktu, że domeny nie wracają do swojej poprzedniej pozycji, a ich orientacja jest częściowo zachowana. Z tego powodu istnieją magnesy trwałe.
Magnesy trwałe są szeroko stosowane w elektrycznych przyrządach pomiarowych, głośnikach i telefonach, rejestratorach dźwięku, kompasach magnetycznych itp.
Szeroko stosowane są ferryty - materiały ferromagnetyczne, które nie przewodzą prądu elektrycznego. Oni reprezentują związki chemiczne tlenki żelaza z tlenkami innych substancji. Jednym ze znanych materiałów ferromagnetycznych – magnetycznej rudy żelaza – jest ferryt.
Magnetyczny zapis informacji. Ferromagnetyki są wykorzystywane do produkcji taśm magnetycznych i cienkich folii magnetycznych. Taśmy magnetyczne są szeroko stosowane do nagrywania dźwięku w magnetowidach oraz do nagrywania wideo w magnetowidach.
Taśma magnetyczna to elastyczna podstawa wykonana z PVC lub innych substancji. Nanosi się na nią warstwę roboczą w postaci lakieru magnetycznego, składającego się z bardzo małych igiełkowatych cząstek żelaza lub innego ferromagnetyka oraz spoiw.
Dźwięk rejestrowany jest na taśmie za pomocą elektromagnesu, którego pole magnetyczne zmienia się w czasie wraz z drganiami dźwięku. Gdy taśma porusza się w pobliżu głowicy magnetycznej, różne odcinki folii zostają namagnesowane. Schemat magnetycznej głowicy indukcyjnej pokazano na rysunku 1.29, a, gdzie 1 to rdzeń elektromagnesu; 2 - taśma magnetyczna; 3 - szczelina robocza; 4 - uzwojenie elektromagnesu.
Podczas odtwarzania dźwięku obserwuje się proces odwrotny: namagnesowana taśma wzbudza w głowicy magnetycznej sygnały elektryczne, które po wzmocnieniu przesyłane są do głośnika magnetofonu.
Cienkie folie magnetyczne składają się z warstwy materiału ferromagnetycznego o grubości od 0,03 do 10 mikronów.
Stosowane są w urządzeniach magazynujących komputery elektroniczne (komputery). Taśmy magnetyczne są przeznaczone do nagrywania, przechowywania i odtwarzania informacji. Nakłada się je na cienki aluminiowy krążek lub bęben. Informacje są rejestrowane i odtwarzane w podobny sposób, jak w konwencjonalnym magnetofonie. Zapis informacji w komputerze może odbywać się również na taśmach magnetycznych.
Rozwój technologii zapisu magnetycznego doprowadził do powstania mikrogłowic magnetycznych stosowanych w komputerach, pozwalających na tworzenie nie do pomyślenia wcześniej gęstości zapisu magnetycznego. Ferromagnetyczny dysk twardy o średnicy poniżej 8 cm przechowuje do kilku terabajtów (10 12 bajtów) informacji. Odczyt i zapis informacji na takim dysku odbywa się za pomocą mikrogłowicy umieszczonej na obrotowym ramieniu (rys. 1.29, b). Sama tarcza obraca się z ogromną prędkością, a głowica unosi się nad nią w strumieniu powietrza, co zapobiega możliwości mechanicznego uszkodzenia tarczy.
Wszystkie substancje umieszczone w polu magnetycznym tworzą własne pole. Najsilniejsze pola generują ferromagnetyki. Wykonane są z nich magnesy trwałe, ponieważ pole ferromagnetyczne nie zanika po wyłączeniu pola magnesującego. Ferromagnesy są szeroko stosowane w praktyce.
1. Jakie substancje nazywamy ferromagnetykami!
2. Do jakich celów wykorzystywane są materiały ferromagnetyczne!
3. W jaki sposób informacje są zapisywane w komputerze!
Każda substancja jest magnetyczna, tj. jest w stanie uzyskać moment magnetyczny (namagnesowanie) pod wpływem pola magnetycznego. Zgodnie z wielkością i kierunkiem tego momentu, a także z przyczyn, które go doprowadziły, wszystkie substancje są podzielone na grupy. Główne z nich to dia- i paramagnesy.
Cząsteczki diamagnetu nie mają własnego momentu magnetycznego. Powstaje w nich tylko pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego i jest przeciwko niemu skierowana. Zatem wynikowe pole magnetyczne w diamagnesie jest mniejsze niż pole zewnętrzne, choć o bardzo małej wartości. Prowadzi to do tego, że gdy diamagnes jest umieszczony w niejednorodnym polu magnetycznym, ma tendencję do przesuwania się w obszar, w którym napięcie pola magnetycznego jest mniejsze.
Cząsteczki (lub atomy) paramagnesu mają własne momenty magnetyczne, które pod wpływem pól zewnętrznych są zorientowane wzdłuż pola i w ten sposób tworzą pole wynikowe, które przekracza pole zewnętrzne. Paramagnesy są wciągane w pole magnetyczne. Na przykład ciekły tlen jest paramagnetykiem, przyciąga go magnes.
Przepuszczalność magnetyczna danej substancji zależy od wielu czynników: siły pola magnetycznego, kształtu rozważanego pola (ponieważ skończone wymiary dowolnego magnesu prowadzą do pojawienia się pola przeciwnego, które zmniejsza pole początkowe), temperatury , częstotliwość zmian pola magnetycznego, obecność defektów strukturalnych itp.
Istnieje szereg substancji, w których efekty kwantowe oddziaływań międzyatomowych prowadzą do pojawienia się określonych właściwości magnetycznych.
Najciekawszą właściwością jest ferromagnetyzm. Jest charakterystyczny dla grupy substancji w stałym stanie krystalicznym (ferromagnesów), charakteryzujących się równoległą orientacją momentów magnetycznych atomowych nośników magnetyzmu.
Równoległa orientacja momentów magnetycznych występuje w dość dużych obszarach materii - domenach. Całkowite momenty magnetyczne poszczególnych domen są bardzo duże, ale same domeny są zwykle zorientowane losowo w materii. Po przyłożeniu pola magnetycznego domeny są orientowane, co prowadzi do pojawienia się całkowitego momentu magnetycznego w całej objętości ferromagnetyka, a w konsekwencji do jego namagnesowania.
Naturalnie ferromagnesy, podobnie jak paramagnetyki, przemieszczają się do punktu pola, w którym natężenie jest maksymalne (są wciągane w pole magnetyczne). Ze względu na dużą wartość przenikalności magnetycznej siła działająca na nie jest znacznie większa.
Istnienie domen w ferromagnetykach jest możliwe dopiero poniżej pewnej temperatury (punkt Curie). Powyżej punktu Curie ruch termiczny narusza uporządkowaną strukturę domen i ferromagnes staje się zwykłym paramagnesem.
Zakres temperatur Curie dla ferromagnesów jest bardzo szeroki: dla radolinu temperatura Curie wynosi 20 0 C, dla czystego żelaza - 1043 K. Prawie zawsze można wybrać substancję o wymaganej temperaturze Curie.
Wraz ze spadkiem temperatury wszystkie paramagnetyki, z wyjątkiem tych, w których paramagnetyzm wynika z elektronów przewodzących, przechodzą w stan ferromagnetyczny lub antyferromagnetyczny.
Niektóre substancje (chrom, mangan) mają własne momenty magnetyczne elektronów zorientowane przeciwnie (do siebie). Ta orientacja obejmuje sąsiednie atomy, a ich momenty magnetyczne znoszą się nawzajem. W rezultacie antyferromagnetyki mają wyjątkowo niską podatność magnetyczną i zachowują się jak bardzo słabe paramagnesy.
W przypadku antyferromagnetyków istnieje również temperatura, w której zanika antyrównoległa orientacja spinów. Temperatura ta nazywana jest antyferromagnetycznym punktem Curie lub punktem Néela.
Niektóre ferromagnetyki (stopy erbiny, diobrozyny, manganu i miedzi) mają dwie takie temperatury (górny i dolny punkt Néela), a właściwości antyferromagnetyczne obserwuje się tylko w temperaturach pośrednich. Powyżej górnego punktu substancja zachowuje się jak paramagnes, aw temperaturach poniżej dolnego punktu Néela staje się ferromagnesem.
Nieodwracalna zmiana namagnesowania próbki ferromagnetycznej w słabym stałym polu magnetycznym z cykliczną zmianą temperatury nazywana jest histerezą magnetyczną temperatury. Istnieją dwa rodzaje histerezy spowodowane zmianami w domenie i strukturze krystalicznej. W drugim przypadku punkt Curie jest wyższy podczas ogrzewania niż podczas chłodzenia.
Ferrimagnetyzm - (lub nieskompensowany antyferromagnetyzm) zestaw właściwości magnetycznych substancji (ferromagnetyków) w stanie stałym, ze względu na obecność interakcji wymiany elektron-elektron wewnątrz ciała, która ma tendencję do tworzenia przeciwrównoległej orientacji sąsiednich atomowych momentów magnetycznych. W przeciwieństwie do antyferromagnetyków, sąsiednie przeciwnie skierowane momenty magnetyczne, z jakiegokolwiek powodu, nie kompensują się całkowicie. Zachowanie ferrimagnetyka w polu zewnętrznym jest pod wieloma względami podobne do ferromagnetyka, ale zależność właściwości od temperatury ma inną postać: czasami istnieje punkt kompensacji całkowitego momentu magnetycznego w temperaturze poniżej punktu Néela. Zgodnie z właściwościami elektrycznymi ferromagnesy są dielektrykami lub półprzewodnikami.
Superparamagnetyzm to quasi-paramagnetyczne zachowanie systemów składających się z zestawu niezwykle małych cząstek ferro- lub ferrimagnetycznych. Cząsteczki tych substancji, o zdecydowanie małych rozmiarach, przechodzą w stan jednodomenowy z jednorodnym spontanicznym namagnesowaniem w całej objętości cząstki. Zestaw takich substancji zachowuje się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego i temperatury jak gaz paramagnetyczny (stopy miedzi z kobaltem, drobne proszki niklu itp.).
Bardzo małe cząstki antyferromagnetyków mają również specjalne właściwości, podobne do superparamagnetyzmu, ponieważ naruszają pełną kompensację momentów magnetycznych. Podobne właściwości mają cienkie folie ferromagnetyczne.
Superparamagnetyzm znajduje zastosowanie w precyzyjnych badaniach strukturalnych, w metodach nieniszczącego określania wielkości, kształtu, ilości i składu fazy magnetycznej itp.
Piezomagnesy to substancje, w których po przyłożeniu naprężeń sprężystych występuje samorzutny efekt magnetyczny, proporcjonalny do pierwszej potęgi wielkości naprężeń. Efekt ten jest bardzo mały i najłatwiejszy do wykrycia w antyferromagnetykach.
Magnetoelektryki to substancje, w których po umieszczeniu w polu elektrycznym występuje moment magnetyczny proporcjonalny do wartości pola.
Ładowanie...