- •Измерение индукции магнитного поля в зазоре электромагнита
- •Компьютерный набор: к.В. Машковцев
- •I. Магнитное поле в вакууме
- •II. Магнитное поле в веществе
- •III. Закон полного тока для магнитного поля в веществе
- •IV. Описание установки и методика измерения индукции магнитного поля электромагнита
- •Библиографический список
- •V. Измерения и обработка результатов измерений Техника безопасности
- •Помните! Высокое напряжение опасно для жизни!
- •Контрольные вопросы
II. Магнитное поле в веществе
Основной
характеристикой магнитного поля является
вектор индукции
.
Если
в магнитное поле с индукцией
,
созданное макротоками, внести вещество,
то поле изменится, так как все вещества
способны намагничиваться. Если обозначить
индукцию
собственного поля магнетика, то в
соответствии с принципом суперпозиции
результирующее поле в магнетике
определяется вектором:
.
(11)
Причём, поле вещества может быть в некоторых случаях значительно больше внешнего (намагничивающего) поля.
Все вещества без исключения создают своё собственное магнитное поле при помещении их во внешнее поле, поэтому все вещества в магнетизме называются магнетиками. В зависимости от способности к намагничиванию магнетики делятся на три группы:
парамагнетики,
диамагнетики,
ферромагнетики.
Причём в последнюю группу входят также антиферромагнетики и ферриты.
Третья группа представляет собой группу сильномагнитных веществ и имеет наибольшее практическое значение.
Каким же образом вещества создают своё магнитное поле?
С позиции классической физики атомы состоят из положительно заряженных ядер и вращающихся вокруг них по круговым орбитам электронов (отрицательных зарядов) (рисунок 8), а так как любой движущийся заряд представляет собой ток, то движение электронов вокруг ядер подобно микроскопическим круговым токам, которые называются микротоками. Это те токи, которые в своё время Ампер назвал молекулярными токами, не зная их природы.
Сила тока, обусловленная движением электрона по круговой орбите такова:
,
где
- заряд электрона,
- частота его обращения вокруг ядра,
т.е. число оборотов за единицу времени:
.
(12)
Круговой ток создаёт магнитный момент, называемый орбитальным магнитным моментом:
,
где
площадь, ограниченная орбитой электрона.
Тогда
или
с учётом формулы (12)
,
где
- орбитальный магнитный момент,
обусловленный движением электрона по
орбите вокруг ядра. Магнитный момент –
векторная величина, поэтому:
,
г
де
- единичный вектор, направление которого,
а, следовательно, и
,
связано правилом правого винта с
направлением орбитального тока (рис.
8).
Таков
магнитный момент одного электрона, но
в атоме обычно не один, а несколько
электронов. Поэтому для получения
полного орбитального магнитного момента
атома надо просуммировать
всех электронов. К тому же у электронов,
кроме орбитальных моментов, имеются
ещё и спиновые магнитные моменты
.
Тогда полный магнитный момент атома
будет равен сумме орбитальных и спиновых
моментов электронов:
.
При
помещении вещества в магнитное поле
атомные магнитные моменты ориентируются
в направлении внешнего поля и создают
своё собственное магнитное поле
.
В этом заключается процесс намагничивания
парамагнетиков.
П
олного
ориентирования всех моментов по
направлению внешнего магнитного поля
не происходит, так как тепловое движение
препятствует этому упорядочению. И в
результате действия двух противоположных
факторов возникает некоторое
преимущественное ориентирование
магнитных моментов атомов к направлению
поля (рис. 9).
Степень
намагничивания магнетика характеризуется
магнитным моментом единицы объёма
и
называется намагниченностью:
,
(13)
где
- сумма магнитных моментов атомов в
малом объёме
магнетика.
Согласно
формуле (13) вектор намагниченности
численно равен суммарному магнитному
моменту единицы объёма вещества. Как
показывает формула (13) единицей измерения
служит А/м.
Вектор
намагниченности
пропорционален внешнему магнитному
полю:
,
(14)
где
-
магнитная
восприимчивость, безразмерная величина,
характеризует способность вещества
намагничиваться, т.е. является
характеристикой самого вещества,
- напряжённость внешнего магнитного
поля.
Напряжённость
поля - это дополнительная силовая
характеристика магнитного поля,
применяется наряду с индукцией
.
Единица измерения напряжения напряжённости
А/м.
Исходя из формулы (11) результирующую индукцию поля в веществе можно представить в виде:
,
(15)
где первое слагаемое есть внешнее поле:
,
(16)
а второе слагаемое есть поле самого вещества:
.
Используя формулу (14), можно преобразовать выражение (15) получим:
.
(17)
Обозначим
и назовём величину
магнитной проницаемостью вещества.
Тогда формула (17) примет вид:
.
(18)
Для
диамагнетиков и парамагнетиков
,
характерная для каждого вещества и мало
отличается то единицы. Для ферромагнетиков
достаточно больше
для различных веществ. Кроме того, она
не является
,
а зависит сложным образом от внешнего
поля. К ферромагнетикам относятся;
железо, никель, кобальт, а также их сплавы
и соединения, редкоземельные металлы
от гадолиния до тулия. Все остальные
вещества диамагнетики или парамагнетики.
Укажем магнитную восприимчивость
основных типов магнетиков.
Парамагнетики имеют
;
.Диамагнетики имеют
,
причём
.Ферромагнетики – это сильномагнитные вещества
.
Диамагнетики
– это вещества, у которых атомные
магнитные моменты
.
Это происходит вследствие взаимной
компенсации всех орбитальных и спиновых
моментов электронов. Как же тогда
намагничиваются такие вещества? При
помещении их во внешнее магнитное поле
в атомах появляются индуцированные
(наведённые) моменты, направление которых
противоположно внешнему намагничивающему
полю, поэтому они имеют отрицательную
магнитную восприимчивость. Диамагнитным
эффектом обладают все без исключения
вещества, но проявляется он только в
чистых диамагнетиках, в парамагнетиках
и ферромагнетиках этот эффект маскируется
более сильными парамагнитными и
ферромагнитными эффектами и не
обнаруживаются.
Ферромагнетики обладают весьма специфическими свойствами:
Сложная (нелинейная) зависимость
(рис. 10)Магнитная проницаемость не является константой для данного вещества и сложным образом зависит от внешнего (намагничивающего) поля
(рис. 11), достигая максимума при некотором
значении
.Для ферромагнетиков характерен гистерезис, т.е. отставание изменений
от изменения
(рис. 12). Эта зависимость выражается
петлеобразной кривой и называется
петлёй гистерезиса.

На петле гистерезиса выделяются несколько характерных точек:
а)
- поле, в котором наступает насыщение,
т.е. фактически прекращается рост
индукции
(точка 1);
б)
-
остаточная индукция, т.е. индукция,
которая остаётся при снятии внешнего
поля;
в
)
-
коэрцитивная сила - обратное поле,
которое уничтожает остаточную индукцию.
В зависимости от величины коэрцитивной
силы ферромагнетики делятся на жёсткие
(с большой коэрцитивной силой) и мягкие
(с малой коэрцитивной силой);
д) Каждый ферромагнетик характеризуется своей точкой Кюри, т.е. температурой, при которой он теряет ферромагнитные свойства и превращается в парамагнетик. Это фазовый переход второго рода.
Все
эти особенности обусловлены тем, что
ферромагнетики имеют доменную структуру,
а именно в отсутствие внешнего поля
кристалл ферромагнетика самопроизвольно
(спонтанно) разбивается на мелкие
области, намагниченные до насыщения.
Они отделяются друг от друга доменными
границами (доменными стенками) (рис.
13).
В целом кристалл не намагничен, так как магнитные моменты соседних доменов друг друга взаимно компенсируют.
Как было установлено в опытах Эйнштейна и де Гааза, ответственными за ферромагнетизм являются спиновые магнитные моменты. Параллельное ориентирование спинов в пределах домена оказывается энергетически выгодно. Оно обусловлено действием особых обменных сил, имеющих квантовую природу.
