Что характеризует магнитная проницаемость вещества. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость вещества

Суммарный магнитный поток, пронизывающий все витки, называется потокосцеплением контура.

Если все витки одинаковы, то суммарный магнитный поток, т.е. потокосцепление:

где
- магнитный поток через один виток; - число витков. Поэтому, потокосцепление соленоида, например, при индукции В =0,2 Т, количестве витков соленоида
и сечении окна соленоида
дм 2 будет Вб.

Абсолютная магнитная проницаемость измеряется в единицах «генри на метр»
.

Магнитная проницаемость вакуума в системе единиц СИ принята равной
Гн/м.

Отношение
абсолютной магнитной проницаемости к магнитной проницаемости вакуума называется относительной магнитной проницаемостью .

Соответственно значению  все материалы делятся на три группы:

Если диа- и парамагнитное вещества поместить в однородное магнитное поле, то в диамагнитном - поле будет ослабляться, а в парамагнитном - усиливаться. Это объясняется тем, что в диамагнитном веществе поля элементарных токов направлены навстречу внешнему полю, а в парамагнитном - согласно ему.

В табл. 1 приведены значения относительной магнитной проницаемости некоторых материалов. Видно, что значения относительной магнитной проницаемости диамагнитных и парамагнитных материалов очень мало отличается от единицы, поэтому для практики принимают их магнитную проницаемость, равной единице.

Размерность напряженности поля Н (табл. 2):

.

1 А/м - это напряженность такого магнитного поля, индукция которого в вакууме равна
Тл.

Таблица 1. Относительная магнитная проницаемость некоторых материалов

Иногда напряженность поля измеряют также в

«эрстедах» (Э),

«амперах на сантиметр» (А/см),

«килоамперах на метр» (кА/м).

Соотношение между этими величинами следующее:

1 А/см = 100 А/м; 1 Э = 0,796 А/см; 1 кА/м = 10 А/см;

1 А/см = 0,1 кА/м; 1 Э = 79,6 А/см; 1 кА/м = 12,56 Э;

1 А/см = 1,256 Э; 1 Э = 0,0796 кА/см; 1 кА/м = 1000 А/м.

Интересно знать значения напряженности некоторых магнитных полей.

Напряженность поля Земли в районе Москвы составляет 0,358 А/см.

Напряженность поля для намагничивания деталей из конструкционных сталей составляет 100...200 А/см,

на полюсах постоянного магнита - 1000...2000 А/см.

Иногда пользуются так называемым магнитным моментом
контура с током . Он равен произведению силы тока на площадь , ограниченную контуром
(рис. 4).

При делении магнита на части каждая из них представляет собой магнит с двумя полюсами. Это видно из рис. 5. По данным табл. 2 можно определить, что одна единица магнитного момента равна 1
м 2 = 1
. Эта единица называется «ампер-квадратный метр». Амперквадратный метр - это магнитный момент контура, по которому течет ток силой 1 А и который ограничивает площадь, равную 1 м 2 .

Рис. 4. Контур (1) с током ; Рис. 5. Деление постоянного магнита на части.

2 - источник тока:

- магнитный момент;

- напряженность поля.

Таблица 2. Основные и производные единицы измерений системы СИ, применяемые в неразрушающем контроле

Магнитный момент электрона равен

, так как
, а
,
.

Относительно недавно взаимодействие полюсов магнитов объясняли наличием особого вещества - магнетизма. С развитием науки было показано, что никакого вещества не существует. Источником магнитных полей являются электрические токи. Поэтому при делении постоянного магнита в каждом куске электронные токи создают магнитное поле (рис. 5). Магнитный заряд рассматривают только как некоторую математическую величину, не имеющую физи ческого содержания.

Единицу магнитного заряда можно получить по формуле:

,
,

где - работа по обводу магнитного полюса вокруг проводника током .

Одна условная единица магнитного заряда будет
.

В системе Гаусса за единицу магнитного заряда принимают такую величину, которая действует на равный магнитный заряд на расстоянии 1 см в вакууме с силой, равной 1 дине.

Способность материалов намагничиваться объясняется существованием в них токов:

вращение электрона вокруг ядра в атоме,

вокруг собственных осей (спин электрона) и

вращение орбит электронов (прецессия электронных орбит) (рис. 6).

Ферромагнитный материал состоит из малых областей (с линейными размерами около 0,001 мм), в которых элементарные токи направлены самопроизвольно. Эти области самопроизвольной намагниченности называют доменами. В каждом домене образуется результирующее поле элементарных токов.

В размагниченном материале магнитные поля доменов направлены хаотично и компенсируют друг друга так, что результирующее поле в детали практически равно нулю.

В результате внешнего воздействия поля отдельных областей (доменов) устанавливаются по направлению внешнего поля и таким образом образуется сильное поле намагниченной детали.

Следовательно, намагниченность - это степень сог ласованной ориентировки магнитных полей доменов в металле, или иначе, это индукция, создаваемая элементарными токами.

Поскольку элементарные токи обладают магнитными моментами, то намагниченность также определяют как отношение суммарного магнитного момента тела к его объему, т.е.:

.

Намагниченность измеряется в «амперах на метр» (А/м).

Знакопеременное нагружение структуры металла, например в продолжительно работающих турбинных лопатках, в болтах и т.п. деталях приводит к определенному упорядочению внутреннего магнитного поля в зоне иагружения, к появлению следов этого поля на поверхности детали. Это явление используется для оценки остаточного ресурса, определения механических напряжений.

Намагниченность проверяемой детали зависит от напряженности поля
, действующего на эту деталь. Ферромагнитные свойства материала зависят также от температуры. Для каждого ферромагнитного материала существует температура, при которой области спонтанной намагниченности под действием теплового движения разрушаются и ферромагнитный материал становится парамагнитным. Эта температура называется точкой Кюри. Точка Кюри для железа равна 753 0 С. При снижении этой температуры ниже этой точки магнитные свойства восстанавливаются.

Рис. 6. Виды элементарных токов:

а - движение электрона 1 вокруг ядра 4;

б - вращение электрона вокруг своей оси;

в - прецессия электронной орбиты;

5 - электронная орбита;

6 - плоскость электронной орбиты;

8 - траектория прецессионного движения электронной орбиты.

Индукция результирующего поля детали может быть определена по известной формуле:

,

где - намагниченность, т.е. индукция, создаваемая молекулярными токами;
- напряженность внешнего поля. Из приведенной формулы видно, что индукция в детали представляет сумму двух составляющих:
- определяемой внешним полем
и - намагниченностью, которая также зависит от
.

На рис. 7 показаны зависимости
, и
ферромагнитного материала от напряженности внешнего поля.

Рис. 7. Зависимость магнитной индукции и намагниченности от намагничивающего поля
.

Кривая
показывает, что при относительно слабых полях намагниченность растет весьма быстро (участок а-б). Затем рост замедляется (участок б-в). Далее рост снижается, кривая
переходит в прямую линию в-д, имеющую малый наклон к горизонтальной оси
. При этом величина
постепенно приближается к своему предельному значению
. Составляющая
изменяется пропорционально напряженности поля
. На рис. 7 эта зависимость показана прямой линией о-е.

Чтобы получить кривую зависимости магнитной индукции от напряженности внешнего поля, необходимо сложить соответствующие ординаты кривых
и
. Эта зависимость изображается кривой
, называемой кривой первоначального намагничивания. В отличие от намагниченности магнитная индукция растет до тех пор, пока растет величина
, так как по прекращении роста намагниченности величина
продолжает увеличиваться пропорционально
.

Перемагничивание детали происходит переменным или периодически изменяющимся по направлению постоянным полем.

На рис. 8 показана полная магнитная характеристика образца - петля гистрезиса. В исходном состоянии образец размагничен. Ток в обмотке увеличивают по прямой 0-8. Напряженность поля, создаваемого этим током, изменяется по прямой 0-1. При этом индукция и намагниченность в образце будут увеличиваться по кривым первоначального намагничивания 16 и 17 до точек 16" и 17", соответствующим магнитному насыщению, при котором все магнитные поля доменов направлены по внешнему полю.

При уменьшении тока по прямой 8-9 напряженность поля уменьшается по 1-0 (рис. 8, а). При этом индукция и намагниченность изменяются до значения .

При увеличении тока в отрицательном направлении по 9-10 напряженность поля также увеличивается в отрицательном направлении по 0-2, перемагиничивая образец.

В точке 6 индукция
, так как
, т.е.
. Напряженность поля, соответствующая точке 6, называется коэрцитивной силой
по индукции.

В точке 4 намагниченность
, а
.

Напряженность поля, соответствующая точке 4, называется коэрцитивной силой Н си по намагниченности. При магнитном контроле считают коэрцитивную силу
.

При дальнейшем увеличении напряженности поля до точки 2 индукция и намагниченность достигают наибольших отрицательных значений
и
(точки 16" и 17"), соответствующих магнитному насыщению
образца. При уменьшении тока по прямой 10-11 индукция и намагниченность примут значения, соответствующие
.

Таким образом, в результате изменения внешнего поля
по 0-1, 1-0, 0-2, 2-0 (рис. 8), а магнитное состояние образца изменяется по замкнутой кривой - петле магнитного гистерезиса.

Рис. 8. Зависимость индукции и намагниченности от напряженности
(а), изменение тока в обмотке намагничивания (б).

По петле магнитного гистерезиса определяют следующие характеристики, используемые при магнитном контроле:

Н т - максимальная напряженность магнитного поля, при которой достигается состояние насыщения образца;

В r - остаточная индукция в образце после снятия поля;

Н с - коэрцитивная сила - это напряженность магнитного поля, которое нужно приложить встречно намагниченности образца, чтобы его полностью размагнитить;

В т - индукция технического насыщения. Принято считать В т = 0,95 B max , где B max - теоретически возможная индукция насыщения первоначального намагничивания.

Если ферромагнитное тело подвергается действию полей одного знака, то петля гистерезиса, которая в этом случае несимметрична относительно начала координат, называется частной (рис. 9).

Различают статическую и динамическую петли гистерезиса.

Статической петлей гистерезиса называется петля, полученная при медленном изменении Н, при котором можно пренебречь действием вихревых токов.

Динамической петлей гистерезиса называется петля, полученная при периодическом изменении Н с некоторой конечной скоростью, при которой влияние вихревых токов становится значительным. Это приводит к тому, что динамическая петля имеет значительно большую ширину, чем статическая. С увеличением амплитуды приложенного напряжения ширина динамической петли гистерезиса увеличивается.

На рис. 10 показана зависимость
. При Н= 0 магнитная проницаемость равна ее начальному значению.

Рис. 9. Несимметричные петли гистерезиса 1-3 - промежуточные петли; 4 - предельная петля; 5 - кривая начального намагничивания.

По кривой намагничивания В(Н) абсолютная магнитная проницаемость в заданном поле Н определяется как
, а относительная как
.

Часто упоминают дифференциальную магнитную проницаемость:

.

Первая из них равна тангенсу наклона линии 1, а вторая - тангенсу наклона касательной 2.

Магнитодвижущая сила (МДС) равна F = Iw , произведению тока I в обмотке на ее число витков.

Магнитный поток равен:

где F - МДС, измеряемая в ампер-витках; l ср - длина средней линии магнитопровода, м; S - сечение магнитопровода, м 2 .

Величина
определяет магнитное сопротивление R m .

Рис. 10. Магнитные проницаемости , и индукция В в зависимости от напряженности поля
:
,
;
.

Магнитный поток прямо пропорционален току I и обратно пропорционален магнитному сопротивлению R m . Допустим, надо определить силу тока в тороидной обмотке из 10 витков кабеля для намагничивания кольца подшипника при индукции 1 Тл.

Используя формулу Ф = F / R m , найдем:

Картина поля вокруг проводника представляет собой концентрические окружности с центрами на оси проводника (рис. 11).

Рис. 11. Картина распределения порошка (а) и индукции вокруг проводника с током (б)

Направление поля вокруг проводника или созданного витками кабеля соленоида может быть определено по правилу буравчика.

Если расположить штопор вдоль оси проводника и вращать его по часовой стрелке так, чтобы его поступательное движение совпало с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки штопора укажет направление поля.

Изменение напряженности поля Н внутри и вне проводника 3 при прохождении по нему постоянного тока от расстояния от точки измерения до оси проводника радиусом показано на рис. 12.

Рис.12. Распределение напряженности поля Н внутри (1) и вне (2) проводника с током.

Откуда видно, что поле на оси проводника равно нулю, а внутри проводника (при > ) оно изменяется по линейному закону:

,

а вне его (при > ) по гиперболе
, где - расстояние от оси проводника до точки измерения, м; - ток в проводнике, А.

Если задана напряженность поля H в точке, находящейся на расстоянии от оси провода, то для получения этой напряженности силу тока определяют, используя формулу:

,

где H [А/м], [м].

Если проводник с током проходит через полую деталь, например, кольцо подшипника, то в отличие от предыдущего случая резко растет индукция в зоне ферромагнитной детали (рис. 13).

Рис. 13- Индукция при намагничивании детали при пропускании тока по центральному проводнику.

Поле изменяется на участках: 0-1 по закону Н = 0 ; 1-2 по закону
; 2-3 по закону
.

Магнитная индукция B изменяется: на участке 0-2 по закону
; на участках 2-3; 6-7 по закону
.

Скачки индукции В на участках 3-4; 5-6 обусловлены ферромагнетизмом детали 8 ( - радиус проводника; - расстояние от центра проводника).

Допустим, что цилиндрическую полую деталь намагничивают центральным проводником. Определить силу тока в проводнике для получения индукции В = 12,56 мТл на внутренней поверхности детали диаметром 80 мм.

Силу тока в проводнике определим по формуле:

Распределение поля внутри и вне полой детали 4, намагничиваемой пропусканием по ней тока, показано на рис. 14. Видно, что поле внутри детали радиусом R 1 равно нулю. Поле на участке 1-2 (внутри материала детали) изменяется по закону

а на участке 2-3 - по закону
. По этой формуле определяют напряженность поля на внешней поверхности детали или на некотором расстоянии от нее.

Рис. 14. Распределение поля Н внутри и вне детали.

Если по цилиндрической детали диаметром 50 мм пропускают ток силой 200,0 А и надо определить напряженность поля в точках, находящихся от поверхности детали на расстоянии 100 мм. Напряженность поля на расстоянии 100 мм от поверхности детали определяется по формуле:

.

Напряженность поля на поверхности детали составит:

.

На рис. 15 показана схема магнитного поля вокруг и внутри соленоида. Из рисунка видно также, что магнитные силовые линии внутри соленоида направлены вдоль его продольной оси. У выходных окон соленоида образуются магнитные полюсы N и S .

Напряженность поля в центре на оси у края соленоида определяют по приведенным формулам.

Напряженность поля в центре витка радиусом R определяют по формуле H = I / R , А/м, где I - ток в витке проводника, А.

Если надо определить напряженность поля в центре приставного соленоида с током 200 А, и при этом число витков w = =-6, длина 210 мм, диаметр 100 мм, то напряженность поля будет:

.

Если в соленоиде ток равен 200 А, а длина соленоида 400 мм, диаметр 100 мм, число витков 8,
,
(см. рис. 15), то можно вычислить напряженности в отдельных точках соленоида.

Распределение напряженности поля внутри соленоида складывается:

а - в центре соленоида:

,

где Н - напряженность поля в центре соленоида, А/см; l , с - длина и радиус соленоида, см; w - число витков;

б - на оси соленоида:

,

где l - длина соленоида, см;

в - у края соленоида:

,

где l , с - длина и радиус соленоида, см; w - число витков.

Напряженность поля, создаваемая током в тороидной обмотке:
, А/см; I - ток, А; l - длина средней линии обмотки, см; w - число витков. В данном примере:

а) напряженность Н 1 , в центре на оси соленоида:

б) напряженность поля в точке А - Н 2 :

в) напряженность поля у края соленоида - Н 3:

Если диаметр витка равен 160 мм при общем токе, равном 180,0 А, то напряженность поля в центре витка будет:

Рис. 15. Магнитное поле соленоида и распределение напряженности в его центре (а), на оси (б) и у края (в).

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.

Магнитная проницаемость. Магнитные свойства веществ

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.

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.

Если в описанных выше опытах вместо сердечника из железа брать сердечники из других материалов, то также можно обнаружить изменение магнитного потока. Естественнее всего ждать, что наиболее заметный эффект дадут материалы, подобные по своим магнитным свойствам железу, т. е. никель, кобальт и некоторые магнитные сплавы. Действительно, при введении в катушку сердечника из этих материалов увеличение магнитного потока оказывается довольно значительным. Иными словами, можно сказать, что магнитная проницаемость их велика; у никеля, например, может достигать значения 50, у кобальта 100. Все эти материалы с большими значениями объединяют в одну группу ферромагнитных материалов.

Однако и все остальные «немагнитные» материалы также оказывают некоторое влияние на магнитный поток, хотя влияние это значительно меньше, чем у материалов ферромагнитных. С помощью очень тщательных измерений можно это изменение обнаружить и определить магнитную проницаемость различных материалов. При этом, однако, нужно иметь в виду, что в опыте, описанном выше, мы сравнивали магнитный поток в катушке, полость которой заполнена железом, с потоком в катушке, внутри которой имеется воздух. Пока речь шла о таких сильно магнитных материалах, как железо, никель, кобальт, это не имело значения, так как наличие воздуха очень мало влияет на магнитный поток. Но при исследовании магнитных свойств других веществ, в частности самого воздуха, мы должны, конечно, вести сравнение с катушкой, внутри которой воздуха нет (вакуум). Таким образом, за магнитную проницаемость мы принимаем отношение магнитных потоков в исследуемом веществе и в вакууме . Иными словами, за единицу мы принимаем магнитную проницаемость для вакуума (если , то ).

Измерения показывают, что магнитная проницаемость всех веществ отлична от единицы, хотя в большинстве случаев это отличие очень мало. Но особенно замечательным оказывается тот факт, что у одних веществ магнитная проницаемость больше единицы, а у других она меньше единицы, т. е. заполнение катушки одними веществами увеличивает магнитный поток, а заполнение катушки другими веществами уменьшает этот поток. Первые из этих веществ называются парамагнитными (), а вторые – диамагнитными (). Как показывает табл. 7, отличие проницаемости от единицы как у парамагнитных, так и у диамагнитных веществ невелико.

Нужно особенно подчеркнуть, что для парамагнитных и диамагнитных тел магнитная проницаемость не зависит от магнитной индукции внешнего, намагничивающего поля, т. е. представляет собой постоянную величину, характеризующую данное вещество. Как мы увидим § 149, это не имеет места для железа и других сходных с ним (ферромагнитных) тел.

Таблица 7. Магнитная проницаемость для некоторых парамагнитных и диамагнитных веществ

Влияние парамагнитных и диамагнитных веществ на магнитный поток объясняется, так же как и влияние веществ ферромагнитных, тем, что к магнитному потоку, создаваемому током в обмотке катушки, присоединяется поток, исходящий из элементарных амперовых токов. Парамагнитные вещества увеличивают магнитный поток катушки. Это увеличение потока при заполнении катушки парамагнитным веществом указывает на то, что и в парамагнитных веществах под действием внешнего магнитного поля элементарные токи ориентируются так, что направление их совпадает с направлением тока обмотки (рис. 276). Небольшое отличие от единицы указывает лишь на то, что в случае парамагнитных веществ этот добавочный магнитный поток очень невелик, т. е. что парамагнитные вещества намагничиваются очень слабо.

Уменьшение магнитного потока при заполнении катушки диамагнитным веществом означает, что в этом случае магнитный поток от элементарных амперовых токов направлен противоположно магнитному потоку катушки, т. е. что в диамагнитных веществах под действием внешнего магнитного поля возникают элементарные токи, направленные противоположно токам обмотки (рис. 277). Малость отклонений от единицы и в этом случае указывает на то, что дополнительный поток этих элементарных токов невелик.

Рис. 277. Диамагнитные вещества внутри катушки ослабляют магнитное поле соленоида. Элементарные токи в них направлены противоположно току в соленоиде