МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ

Магнетиками называются макроскопические тела, способные намагничиваться - приобретать магнитные свойства.

Все тела состоят из атомов, в которых имеются вращающиеся по орбитам электроны. Магнитный момент, вызванный движением электрона по орбите, называется орбитальным магнитным моментом электрона. Векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов в атоме называется орбитальным магнитным моментом атома

Если движущийся по орбите электрон попадает во внешнее магнитное поле индукции , то на него, кроме электрической силы притяжения ядра, действует еще сила Лоренца; действие силы Лоренца всегда вызывает изменение угловой скорости движения электрона по орбите, что в свою очередь, приводит к появлению дополнительного тока, которому соответствует наведенный (индуцированный) орбитальный магнитный момент электрона. Для атома имеем общий наведенный орбитальный момент атома .Оказывается, что при любом направлении вращения электронов вектор , всегда направ­лен против внешнего поля .

Появление в магнетике индуцированных орбитальных магнитных моментов называется диамагнитным эффектом.

1. Вещества (висмут, сурьма, графит, таллий, цинк, золото), у которых в отсутствие внешнего магнитного поля орбитальные магнитные моменты атомов (орбитальные магнитные моменты всех электронов атома или молекулы взаимно компенсируют друг друга), называются диамагнетиками. При внесении диамагнетика в магнитное поле в каждом его атоме наводится магнитный момент , направленный противоположно вектору напряженности внешнего магнитного поля. В диамагнетике собственное или внутреннее его поле будет направлено против внешнего поля . Результирующее поле в магнетике:

(1.1)

где ,а - магнитная индукция поля в вакууме.

Результирующее поле для магнетика будет иметь направление, противоположное внешнему полю , диамагнетики намагничиваются в направлении, противоположном внешнему магнитному полю. Если магнетик внести в неоднородное магнитное поле, то он будет выталкиваться в область более слабого поля.

2. Вещества (газы, платина, кобальт), у которых в отсутствие внешнего поля , называются парамагнетиками. Если парамагнетик помещен во внешнее магнитное поле , то его собственное (внутреннее), поле получает направление в ту же сторону, что и внешнее, т.е. векторы и совпадают по направлению. Наведенный в нем магнитный момент будет только немного ослаблять величину внутреннего поля, так как у парамагнетиков << .

Магнетики характеризуются вектором интенсивности намагничивания, который равен векторной сумме орбитальных магнитных моментов всех атомов молекул и электронов, находящихся в единице объема V магнетика.

Вектор намагничения связан с индукцией внутреннего поля магнетика соотношением:

где - магнитная постоянная.

Зависимость вектора от напряженности внешнего магнитного поля следующая:

I = ǽ H,

где ǽ - магнитная восприимчивость вещества, характеризующая магнитные

свойства магнетика.

Подставим в формулу (1.1) значения и получим:

отсюда ,

где - относительная магнитная проницаемость.

Для диамагнитных веществ ǽ < 0 и μ < 1

Для парамагнитных веществ ǽ > 0 и μ > 1

В обоих случаях μ не зависит от величины напряженности внешнего магнитного поля H и почти равна единице.

3. Кроме диамагнетиков и парамагнетиков существует третья группа магнетиков, которые называются ферромагнетиками.

У ферромагнетиков (железо, сталь, никель, кобальт) μ и ǽ зависят

от напряженности внешнего магнитного поля. Величина очень μ

большая.

У ферромагнетиков внутреннее поле , которое появляется при помещении их во внешнее поле, во много раз больше внешнего магнитного поля, его вызвавшего, т.е.

>> .

Большая величина намагниченности ферромагнетиков объясняется существованием в них «молекулярного» магнитного поля, которое вызвано многими факторами, в основном, ориентацией собственных магнитных моментов («спинов») самих электронов.

Большое значение μ для ферромагнетиков объясняется тем, что в ферромагнетиках имеются области [ ] мм спонтанного (самопроиз­вольного) намагничения. Эти области называются доменами. В отсутствие внешнего магнитного поля орбитальные магнитные моменты всех атомов отдельного домена имеют одинаковое направление, и внутри каждого домена намагниченность равны насыщению. Для различных доменов направление магнитных моментов разное и результирующая намагниченность всего магнетика может быть даже равной нулю. При внесении ферромагнетика во внешнее магнитное поле происходит ориентация не отдельных атомов и молекул, как в парамагнетиках, а целых областей спонтанной намагниченности (доменов), что и приводит к большой величине намагничения ферромагнетика.

Кривая зависимости индукции магнит­ного поля ферромагнетика B от вели­чины напряженности внешнего магнит­ного поля H [B = f(H)] имеет вид петли гистерезиса (рис. 2). На кривой отрезок ОА - основная кривая намагничения тела от величины внеш­него поля H = 0 до H = ОА.

Если дойдя до точки А начать уменьшать намагничивающее поле, то индукция B будет уменьшаться по кривой AD, т.е. с некоторым отставани­ем. Это отставание называется гистерезисом. Величина индукции B, равная OD, называется остаточной индукцией, т.е. ферромагнетик остается намагниченным, несмотря на то, что внешнее поле H = 0.

Полное размагничивание наступает в том случае, если создать отрицательную напряженность, равную отрезку ОК. Величина этого поля называется задерживающей, или коэрцитивной силой. Дальнейшее увеличение H в отрицательную сторону вызывает в сердечнике индукцию обратного направления, причем возрастание B в этом случае будет идти по кривой КА'. Уменьшая затем H до нуля, получим индукцию B, равную OD', которая называется отрицательной остаточной индукцией. Снова переменив направление внешнего поля, получим величину H = ОК'. Это значение H определяет величину коэрцитивной силы, необходимой для уничтожения отрицательной остаточной индукции OD'. При дальнейшем увеличении поля кривая от точки К' пойдет вверх и замкнется в точке А.

Объяснение явления гистерезиса такое. При наложении внешнего магнитного поля домены ориентируются вдоль него. При прекращении же действия внешнего поля не все области самопроизвольного намагничения дезориентируются, так как изменить ориентировку группы молекул атомов гораздо труднее, чем ориентировку отдельной молекулы или отдельного атома. Для того чтобы тело стало опять ненамагниченным, надо наложить внешнее поле, обратное по знаку полю намагничивающему (коэрцитивная сила).

Поиск по сайту: