Materiais magnéticos: propriedades e características. Características de vários tipos de magnetismo. processos de magnetização. Características de materiais fortemente magnéticos. perdas de remagnetização.

Materiais magnéticos macios: classificação, propriedades, finalidade.

Materiais magnéticos duros: classificação, propriedades, finalidade. Materiais magnéticos para fins especiais: classificação, propriedades, finalidade.

Literatura

Todas as substâncias na natureza interagem com um campo magnético externo, mas cada substância é diferente.

As propriedades magnéticas das substâncias dependem das propriedades magnéticas das partículas elementares, da estrutura dos átomos e moléculas, bem como de seus grupos, mas a principal influência determinante é exercida pelos elétrons e seus momentos magnéticos.

Todas as substâncias, em relação ao campo magnético, comportamento nele, são divididas nos seguintes grupos:

Diamagnets- materiais que não possuem momento de dipolo magnético permanente, com permeabilidade magnética relativa (μ≤1) ligeiramente inferior à unidade. A permissividade relativa µ de diamagnetos é quase independente da magnitude do campo magnético (H) e não depende da temperatura. Estes incluem: gases inertes (Ne, Ar, Kr, Xe), hidrogênio (H 2); cobre (Сu), zinco (Zn), prata (Аg), ouro (Au), antimônio (Sb), etc.

Paraímãs- materiais que possuem momentos de dipolo permanentes, mas estão localizados aleatoriamente, de modo que a interação entre eles é muito fraca. A permeabilidade magnética relativa dos paraímãs é ligeiramente superior à unidade (μ≥1), fracamente dependente da intensidade do campo magnético e da temperatura.

Os paraímãs incluem os seguintes materiais: oxigênio (O 2), alumínio (Al), platina (Pt), metais alcalinos, sais de ferro, níquel, cobalto, etc.

ferromagnetos– materiais com momentos de dipolo magnético permanente, estrutura de domínio. Em cada domínio, eles são paralelos entre si e igualmente direcionados, de modo que a interação entre eles é muito forte. A permeabilidade magnética relativa dos ferromagnetos é grande (μ >> 1), para algumas ligas chega a 1500000. Depende da intensidade do campo magnético e da temperatura.

Estes incluem: ferro (Fe), níquel (Ni), cobalto (Co), muitas ligas, elementos de terras raras: samário (Sm), gadolínio (Gd), etc.

Antiferromagnetos- materiais que possuem momentos magnéticos de dipolo permanente que são antiparalelos entre si. A sua permeabilidade magnética relativa é ligeiramente superior à unidade (μ ≥ 1), muito fracamente dependente da intensidade do campo magnético e da temperatura. Estes incluem: óxidos de cobalto (CoO), manganês (MnO), fluoreto de níquel (NiF 2), etc.

Ferrimagnets- materiais que possuem momentos magnéticos de dipolo permanente antiparalelos que não se compensam totalmente. Quanto menor essa compensação, maiores são suas propriedades ferromagnéticas. A permeabilidade magnética relativa dos ferrimagnets pode ser próxima da unidade (com compensação quase completa dos momentos), e pode chegar a dezenas de milhares (com pouca compensação).

As ferritas são ferrimagnets, podem ser chamadas de oxiferras, pois são óxidos de metais bivalentes com Fe 2 O 3. A fórmula geral da ferrita, onde Me é um metal bivalente.

A permeabilidade magnética das ferritas depende da temperatura e da força do campo magnético, mas em menor grau do que a dos ferromagnetos.

As ferritas são materiais cerâmicos ferromagnéticos com baixa condutividade elétrica, pelo que podem ser classificados como semicondutores eletrônicos com alta permeabilidade magnética (μ ≈ 10 4) e alta dielétrica (ε ≈ 10 3).

Dia-, para- e antiferromagnetos podem ser combinados em um grupo de substâncias fracamente magnéticas, e ferro- e ferrimagnets em um grupo de substâncias fortemente magnéticas.

Para aplicações técnicas no campo da eletrônica de rádio, substâncias altamente magnéticas são de maior interesse. (Fig. 6.1)

Arroz. 6.1. Diagrama estrutural de materiais magnéticos

As propriedades magnéticas dos materiais são determinadas por formas ocultas internas de movimento de cargas elétricas, que são correntes circulares elementares. A corrente circular é caracterizada por um momento magnético e pode ser substituída por um dipolo magnético equivalente. Os dipolos magnéticos são formados principalmente pela rotação do spin dos elétrons, enquanto a rotação orbital dos elétrons tem um papel fraco nesse processo, assim como a rotação nuclear.

Na maioria dos materiais, os momentos de spin dos elétrons se cancelam. Portanto, o ferromagnetismo não é observado em todas as substâncias da tabela periódica.

Condições necessárias para que um material seja ferromagnético:

1. Existência de correntes circulares elementares nos átomos.

2. A presença de momentos de spin não compensados, elétrons.

3. A razão entre o diâmetro da órbita do elétron (D), que tem um momento de spin não compensado, e a constante de rede cristalina da substância (a) deve ser

. (6.1)

4. A presença de uma estrutura de domínio, i.e. tais regiões cristalinas em que os momentos magnéticos do dipolo são orientados paralelamente.

5. A temperatura do material (substância) deve estar abaixo do ponto de Curie, pois em uma temperatura mais alta a estrutura do domínio desaparece, o material passa do estado ferromagnético para o estado paramagnético.

Uma propriedade característica do estado ferromagnético da matéria é a presença de magnetização espontânea sem a aplicação de um campo magnético externo. No entanto, o fluxo magnético de tal corpo será igual a zero, pois a direção dos momentos magnéticos dos domínios individuais é diferente (uma estrutura de domínio com um circuito magnético fechado).

O grau de magnetização de uma substância é caracterizado pela magnitude da magnetização, ou a intensidade da magnetização (J), que é definida como o limite da razão do momento magnético resultante Σm, em relação ao volume da substância (V). , quando o volume tende a zero

. (6.2)

Se colocarmos a substância em um campo magnético externo com força H, então a razão entre J e H será

J = 4 πχH, (6.3)

Onde χ (kappa) é chamado de viscosidade magnética.

A permeabilidade magnética relativa μ depende de χ:

µ = 1 +4 πχ . (6.4)

A intensidade da magnetização pode ser determinada conhecendo μ

μ = 1+. (6.5)

Em geral, o campo magnético em um ferromagneto é criado como a soma de dois componentes: externo, criado pela força do campo magnético externo H, e interno, criado pela magnetização (J).

O campo magnético total é caracterizado por indução magnética B:

B = μ 0 (H + J), (6.6)

Onde μ 0 – constante magnética (permeabilidade magnética do vácuo)

μ 0 = 4 π ∙10 -7 , g/m. (6.7)

Expressando o valor de J em termos de χ e então μ, temos:

B = μ 0 H(1 + 4 πχ ) ouB = μ 0 μH. (6.8)

Valor absoluto da permeabilidade magnética

μ abdômen = μ 0 ∙ μ . (6.9)

A fórmula final para a indução magnética B

B = μ abdômen H. (6.10)

O processo de magnetização de um material ferromagnético sob a influência de um campo magnético externo é o seguinte:

o crescimento de domínios cujos momentos magnéticos estão próximos da direção do campo externo e a diminuição em outros domínios;

orientação dos momentos magnéticos de todos os domínios na direção do campo externo.

O processo de magnetização é caracterizado para cada ferroímã por sua principal curva de magnetização B \u003d f (H).

A permeabilidade magnética μ também muda durante o processo de magnetização.

Isto é mostrado na figura. 6.2.

Arroz. 6.2. Curvas de magnetização (B = f(H)) e permeabilidade magnética (μ = f(H))

A permeabilidade magnética μ em uma força H próxima de zero é chamada de inicial (seção 1), e quando o material passa à saturação, ele assume um valor máximo (2), com um aumento adicional de H, a permeabilidade magnética μ diminui (seções 3 e 4).

Durante a magnetização cíclica de um ferroímã, as curvas de magnetização e desmagnetização formam um loop de histerese. O laço de histerese obtido na condição de saturação do material é chamado de limitante. A partir do loop de histerese, obtido, por exemplo, na tela do osciloscópio, é possível obter informações bastante completas sobre os principais parâmetros magnéticos do material (Fig. 6.3).

Arroz. 6.3. Ciclo de histerese

Os principais parâmetros são:

1) indução residual, após a retirada da intensidade de campo - Br;

2) força coercitiva Hc - a tensão que deve ser aplicada à amostra para remover a indução residual;

3) indução máxima B max , que é alcançada quando a amostra está totalmente saturada;

4) perdas de histerese específicas para um ciclo de reversão de magnetização, que são caracterizadas pela área coberta pelo loop de histerese.

Os demais parâmetros magnéticos do material, bem como as perdas devido à reversão da magnetização (histerese), correntes parasitas, energia no intervalo (para um ímã permanente) podem ser calculados usando as fórmulas fornecidas acima e serão fornecidas posteriormente.

Perdas em ferromagnéticomateriais - esses são os custos de energia que vão para a remagnetização de ferroímãs, para a ocorrência de correntes parasitas em um campo magnético alternado, para a viscosidade magnética do material - eles criam as chamadas perdas, que podem ser divididas nos seguintes tipos:

a) perdas de histerese Рg, proporcionais à área do loop de histerese

Rg = η∙f∙
∙ V, W (6,11)

Onde η é o coeficiente de histerese para um determinado material;

fé a frequência de campo, Hz;

NO máximo– indução máxima, T;

Vé o volume da amostra, m3;

n≈ 1,6...2 - o valor do expoente;

b) perdas por correntes parasitas

Rv.t. = ξ∙f 2 ∙B máximo ∙ V, W (6,12)

onde ξ é um coeficiente que depende da resistência elétrica específica do material e da forma da amostra;

c) perdas pós-efeito Pp.s. de acordo com a fórmula

Rp.s. \u003d P - Rg - Pv.t. (6.13)

As perdas por correntes parasitas podem ser reduzidas aumentando a resistência elétrica do ferroímã. Para fazer isso, o circuito magnético, por exemplo, para transformadores, é recrutado a partir de placas ferromagnéticas finas separadas umas das outras.

Na prática, às vezes é usado ferromagnetos com um circuito magnético aberto, ou seja tendo, por exemplo, um entreferro com alta resistência magnética. Em um corpo com entreferro, surgem polos livres, criando um campo de desmagnetização direcionado para o campo de magnetização externo. Há uma diminuição na indução quanto maior, quanto maior o entreferro. Isso se manifesta em máquinas elétricas, dispositivos de elevação magnética, etc.

A energia no intervalo (W L), por exemplo, um ímã permanente, é expressa pela fórmula

, J/m3, (6,14)

Onde NO eu e H eu são a indução real e a intensidade do campo para um determinado comprimento do entreferro.

Alterando a tensão aplicada ao ferroímã, é possível obter a energia máxima em um determinado intervalo.

Para encontrar W max, é usado um diagrama no qual, de acordo com a curva de desmagnetização de um material magnético localizado no segundo quadrante (seção do loop de histerese), é traçada uma curva de energia no gap, dada por diferentes valores de B (ou H). A dependência de W L em B L e H L é mostrada na fig. 6.4.

Arroz. 6.4. Energia no entreferro de um ferromagneto

Para determinar a intensidade do campo H, na qual haverá uma energia máxima no intervalo magnético, é necessário traçar uma tangente à energia máxima (no ponto A) e traçar uma linha horizontal a partir dela até cruzar com a histerese loop no segundo quadrante. Em seguida, abaixe a perpendicular até a interseção com a coordenada H. O ponto H L 2 determinará a intensidade do campo magnético desejado.

De acordo com os principais parâmetros magnéticos, os materiais ferromagnéticos podem ser classifique nos seguintes grupos;

Magneticamente macio - materiais com baixa força coercitiva Hc (até 100 A/m), alta permeabilidade magnética e baixas perdas por histerese. Eles são usados ​​como circuitos magnéticos DC (núcleos de transformadores, instrumentos de medição, indutores, etc.)

Paramateriais magnéticos macios relacionar:

ferro tecnicamente puro, ferro carbonílico;

aço elétrico;

permalloys;

alsifera;

ferrites (cobre-manganês);

ligas termomagnéticas (Ni-Cr-Fe), etc.

2. Magneticamente rígido - materiais com uma grande força coercitiva (Hc > 100 A/m) (ver Fig. 4.5, G).

Materiais magnéticos duros são usados ​​para fazer ímãs permanentes, que usam a energia magnética no espaço de ar entre os pólos do ímã.

Para materiais magnéticos duros relacionar:

Ligas de alni fundidos (Al-Ni-Fe);

Alnico (Al-Ni-Co-Fe);

Magnico;

Aços de liga endurecidos a martensita, etc.

De particular interesse são as ligas baseadas em materiais de terras raras (YCo, CeCo, SmCo, etc.), que possuem um alto valor de H c e w max .

3. Ferritas - materiais que são óxidos de ferro duplos com óxidos de metais bivalentes (MeO∙Fe 2 O 3). As ferritas podem ser magneticamente moles e magneticamente duras, dependendo de sua estrutura cristalina, por exemplo, o tipo de espinélio - (MgAl 3 O 4), gausmagnet (Mn 3 O 4), granada Ga 3 Al 2 (SiO 4) 3, etc. • Sua resistividade elétrica é alta (de 10 -1 a 10 10 Ohm∙m), portanto, as perdas por correntes parasitas, especialmente em altas freqüências, são pequenas.

4. Magnetodielétricos - materiais constituídos por um pó ferromagnético com um aglutinante dielétrico. O pó é geralmente tomado com base em um material magneticamente macio - ferro carbonila, alsifer, e um material com baixas perdas dielétricas - poliestireno, baquelite, etc., serve como dielétrico aglutinante.

Perguntas para o autoexame:

Classificação das substâncias de acordo com as propriedades magnéticas.

Características de substâncias fortemente magnéticas (domínios, anisotropia, curva de magnetização, magnetostrição, permeabilidade magnética, histerese, etc.)

Fatores que afetam as propriedades magnéticas

Perdas em materiais magnéticos

Classificação de materiais altamente magnéticos

Materiais magnéticos macios de baixa frequência

Materiais magnéticos macios de alta frequência

Materiais magnéticos duros

Materiais magnéticos para fins especiais

Formulários

Materiais condutores Tabela A.1

condutor		Ohm∙mm 2 /m	específico resistência-		transferência de calor teor de água L/m∙graus	especialmente cobre,	Função trabalho de um elétron	Temperatura da placa,
metais puros
Alumínio
Molibdênio
Tungstênio
policristal
Manganina			(5…30)∙10 -6
Constantan			(5…20)∙10 -6
Níquel prata
Termopares
Cobre-constantan				Tism até 350 °С
Chromel-alumel				Tism até 1000 °С
Platina-platina-ródio				Tism até 1600 °С

Materiais semicondutores Tabela A.2

	Nome semicondutor material kovy			ter transportadoras	Mobilidade transportadoras você,
Inorgânico Cristal. elementar (atômico)
	Germânio
Cristal. conexões
	Carbeto de Silício						sublimação
	Antimônio índio
	arseneto de gálio
	fosforeto de gálio
	arseneto de índio
	Telureto de bismuto
	sulfureto de chumbo
vítreo
	Calcogênios	As 2 Te 2 Se, As 2 Se 3 ∙ Al 2 Se 3
orgânico
	Antraceno
	Naftaleno
	Corantes e pigmentos Ftalocianina de cobre
	Complexos moleculares Iodo pireno
	Polímeros Poliacrilonitrila

Materiais dielétricos Tabela A.3

Estado de agregação	Nome da mãe alov (dielétricos)	Constante dielétrica, relativa E	volume- resistência , Ohm m	ângulo de perda dielétrica	Força (elétrica) E pr, MV / m	Calor específico densidade λ, W/m ºK
	SF6
ossos líquidos	Óleo de transformador
Materiais sólidos	Orgânico a) Parafina Holovax
	b) Resina Bakel colofónia Polivinil- Poliestireno Polietileno Polimetilmetacrilato Resina epóxi
	Composto
	d) Camada de fenol (FAS)
	e) Tecido de verniz
	Eletrocartão (EVT)
	g) Borracha de butadieno
	Isolamento de borracha
	h) Fluoro-plast-4 foroplast-3
	Inorgânico a) Vidro elétrico.
	b) Esteatita (cerâmica) engenharia elétrica porcelana
	c) mica moscovita Mikalex
	d) Ferrocerâmica VK-1 Piezoquartzo
	e) Isolamento de flúor (AlF 3)
	f) Amianto
	Elemento Órgão. a) Silício org. resina
	b) Órgão de silício. borracha

Materiais magnéticos Tabela A.4

Nome do material magnético	Composição química ou marca	Permeabilidade magnética relativa, μ		Indução magnética B, T		Coercitivo- força Ns, A/m	Específico o email resistência ρ, μOhm∙m	Energia no intervalo , J/m3
		inicial, μn	maxi-pequeno, μ max	permanecendo preciso, V	maxi-pequeno, V max
Magneticamente macio
Técnica elétrica. aço
Permalloy baixo níquel
Permalloy alto níquel
supermalloy
Alcifer
Ferritas
ferrite de níquel-zinco
Ferrite manganês-zinco
Duro magnético
bário
bário
Magnetodielétricos
À base de ferro carbonílico

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Permeabilidade magnética absoluta - este é um fator de proporcionalidade que leva em consideração a influência do ambiente em que os fios estão localizados.

Para ter uma ideia das propriedades magnéticas do meio, comparamos o campo magnético ao redor do fio com a corrente no meio dado com o campo magnético ao redor do mesmo fio, mas no vácuo. Constatou-se que em alguns casos o campo é mais intenso que no vácuo, em outros é menor.

Distinguir:

v Materiais e meios paramagnéticos nos quais se obtém um campo magnético mais forte (sódio, potássio, alumínio, platina, manganês, ar);

v Materiais e meios diamagnéticos nos quais o campo magnético é mais fraco (prata, mercúrio, água, vidro, cobre);

v Materiais ferromagnéticos nos quais é criado o campo magnético mais forte (ferro, níquel, cobalto, ferro fundido e suas ligas).

A permeabilidade magnética absoluta para diferentes substâncias tem um valor diferente.

Constante magnética - é a permeabilidade magnética absoluta do vácuo.

Permeabilidade magnética relativa do meio- uma quantidade adimensional que mostra quantas vezes a permeabilidade magnética absoluta de uma substância é maior ou menor que a constante magnética:

Para substâncias diamagnéticas - , para paramagnéticos - (para cálculos técnicos de corpos diamagnéticos e paramagnéticos é tomado igual à unidade), para materiais ferromagnéticos - .

tensão MP N caracteriza as condições de excitação do MF. A intensidade em um meio homogêneo não depende das propriedades magnéticas da substância na qual o campo é criado, mas leva em consideração a influência da magnitude da corrente e da forma dos condutores na intensidade do campo magnético em um dado ponto.

A tensão MP é uma grandeza vetorial. direção do vetor H para meios isotrópicos (meios com as mesmas propriedades magnéticas em todas as direções) , coincide com a direção do campo magnético ou vetor em um determinado ponto.

A intensidade do campo magnético criado por várias fontes é mostrada na fig. 13.

O fluxo magnético é o número total de linhas magnéticas que passam por toda a superfície em consideração. fluxo magnético F ou o fluxo de MI através da área S , perpendicular às linhas magnéticas é igual ao produto do módulo da indução magnética NO pelo tamanho da área que é penetrada por este fluxo magnético.

42) Quando um núcleo de ferro é introduzido na bobina, o campo magnético aumenta e o núcleo torna-se magnetizado. Este efeito foi descoberto por Ampère. Ele também descobriu que a indução de um campo magnético em uma substância pode ser maior ou menor do que a indução do próprio campo. Tais substâncias ficaram conhecidas como ímãs.

Magnéticos são substâncias capazes de alterar as propriedades de um campo magnético externo.

Permeabilidade magnética substâncias é determinada pela razão:

B 0 - indução do campo magnético externo, B - indução no interior da substância.

Dependendo da proporção de B e B 0, as substâncias são divididas em três tipos:

1) Diamagnets(m<1), к ним относятся химические элементы: Cu, Ag, Au, Hg. Магнитная проницаемость m=1-(10 -5 - 10 -6) очень незначительно отличается от единицы.

Esta classe de substâncias foi descoberta por Faraday. Essas substâncias são "empurradas" para fora do campo magnético. Se você pendurar uma haste diamagnética perto do pólo de um eletroímã forte, ela se repelirá. As linhas de indução do campo e do ímã, portanto, são direcionadas em direções diferentes.

2) Paraímãs tem permeabilidade magnética m>1, e neste caso também excede ligeiramente a unidade: m=1+(10 -5 - 10 -6). Este tipo de ímãs inclui os elementos químicos Na, Mg, K, Al.

A permeabilidade magnética dos paraímãs depende da temperatura e diminui com o seu aumento. Sem um campo magnetizante, os paraímãs não criam seu próprio campo magnético. Não há paramagnetos permanentes na natureza.

3) ferromagnetos(m>>1): Fe, Co, Ni, Cd.

Essas substâncias podem estar em um estado magnetizado sem um campo externo. Existência magnetismo residual uma das propriedades importantes dos ferromagnetos. Quando aquecido a uma alta temperatura, as propriedades ferromagnéticas de uma substância desaparecem. A temperatura na qual essas propriedades desaparecem é chamada de Temperatura Curie(por exemplo, para ferro T Curie = 1043 K).

Em temperaturas abaixo do ponto de Curie, um ferromagneto consiste em domínios. Domínios- estas são áreas de magnetização espontânea espontânea (Fig. 9.21). O tamanho do domínio é de aproximadamente 10 -4 -10 -7 M. A ocorrência de regiões de magnetização espontânea na substância se deve à existência de ímãs. Um ímã de ferro pode reter suas propriedades magnéticas por muito tempo, pois os domínios nele se alinham de maneira ordenada (prevale uma direção). As propriedades magnéticas desaparecerão se o ímã for atingido com força ou aquecido fortemente. Como resultado dessas influências, os domínios ficam "desordenados".

Fig.9.21. Forma do domínio: a) na ausência de um campo magnético, b) na presença de um campo magnético externo.

Os domínios podem ser representados como correntes fechadas em microvolumes de ímãs. O domínio está bem ilustrado na Fig. 9.21, que mostra que a corrente no domínio se move ao longo de uma malha fechada quebrada. Correntes fechadas de elétrons levam ao aparecimento de um campo magnético perpendicular ao plano da órbita do elétron. Na ausência de um campo magnético externo, o campo magnético dos domínios é caoticamente direcionado. Este campo magnético muda de direção sob a ação de um campo magnético externo. Os magnéticos, como já observado, são divididos em grupos dependendo de como o campo magnético do domínio reage à ação de um campo magnético externo. Nos diamagnetos, o campo magnético de um maior número de domínios é direcionado na direção oposta à ação do campo magnético externo, e nos paraímãs, ao contrário, na direção do campo magnético externo. No entanto, o número de domínios cujos campos magnéticos são direcionados em direções opostas difere por uma quantidade muito pequena. Portanto, a permeabilidade magnética m em dia- e paramagnetos difere da unidade por um valor da ordem de 10 -5 - 10 -6 . Em ferromagnetos, o número de domínios com um campo magnético na direção do campo externo é muitas vezes maior que o número de domínios com a direção oposta do campo magnético.

Curva de magnetização. Ciclo de histerese. O fenômeno da magnetização é devido à existência de magnetismo residual sob a ação de um campo magnético externo sobre uma substância.

Histerese magnética o fenômeno de atraso na mudança na indução magnética em um ferromagneto em relação à mudança na força de um campo magnético externo é chamado.

A Figura 9.22 mostra a dependência do campo magnético na substância em relação ao campo magnético externo B=B(B 0). Além disso, o campo externo é plotado ao longo do eixo Ox, e a magnetização da substância é plotada ao longo do eixo Oy. Um aumento no campo magnético externo leva a um aumento no campo magnético na substância ao longo da linha até o valor . Uma diminuição no campo magnético externo para zero leva a uma diminuição no campo magnético na substância (no ponto Com) até Em ost(magnetização residual, cujo valor é maior que zero). Este efeito é consequência do atraso na magnetização da amostra.

O valor da indução do campo magnético externo, necessário para a completa desmagnetização da substância (ponto d na Fig. 9.21) é chamado força coercitiva. O valor zero da magnetização da amostra é obtido alterando a direção do campo magnético externo para o valor . Continuando a aumentar o campo magnético externo na direção oposta ao valor máximo, levamos ao valor . Então, mudamos a direção do campo magnético, aumentando-o de volta para o valor . Nesse caso, nossa matéria permanece magnetizada. Apenas a magnitude da indução do campo magnético tem a direção oposta em relação ao valor no ponto. Continuando a aumentar o valor da indução magnética na mesma direção, alcançamos a desmagnetização completa da substância no ponto , e, além disso, nos encontramos novamente no ponto . Assim, obtemos uma função fechada que descreve o ciclo de remagnetização completa. Tal dependência para o ciclo de reversão completa da magnetização da indução do campo magnético da amostra na magnitude do campo magnético externo é chamada ciclo de histerese. A forma do laço de histerese é uma das principais características de qualquer substância ferromagnética. No entanto, é impossível chegar ao ponto desta forma.

Atualmente, é bastante fácil obter campos magnéticos fortes. Um grande número de instalações e dispositivos operam em ímãs permanentes. Campos de 1-2 T são alcançados neles à temperatura ambiente. Em pequenos volumes, os físicos aprenderam a obter campos magnéticos constantes de até 4 T, usando ligas especiais para esse fim. Em baixas temperaturas, da ordem da temperatura do hélio líquido, são obtidos campos magnéticos acima de 10 T.

43) A lei da indução eletromagnética (z. Faraday-Maxwell). Regras de Lenz

Resumindo o resultado dos experimentos, Faraday formulou a lei da indução eletromagnética. Ele mostrou que com qualquer mudança no fluxo magnético em um circuito condutor fechado, uma corrente de indução é excitada. Portanto, uma fem de indução ocorre no circuito.

A fem de indução é diretamente proporcional à taxa de variação do fluxo magnético ao longo do tempo. O registro matemático dessa lei foi projetado por Maxwell e, portanto, é chamado de lei de Faraday-Maxwell (a lei da indução eletromagnética).

Permeabilidade magnética. Propriedades magnéticas das substâncias

Propriedades magnéticas das substâncias

Assim como as propriedades elétricas de uma substância são caracterizadas pela permissividade, as propriedades magnéticas de uma substância são caracterizadas por permeabilidade magnética.

Devido ao fato de que todas as substâncias em um campo magnético criam seu próprio campo magnético, o vetor de indução magnética em um meio homogêneo difere do vetor no mesmo ponto no espaço na ausência de um meio, ou seja, no vácuo.

A relação é chamada permeabilidade magnética do meio.

Assim, em um meio homogêneo, a indução magnética é igual a:

O valor de m para o ferro é muito grande. Isso pode ser comprovado pela experiência. Se um núcleo de ferro for inserido em uma bobina longa, a indução magnética, de acordo com a fórmula (12.1), aumentará m vezes. Consequentemente, o fluxo de indução magnética aumentará na mesma quantidade. Quando o circuito que alimenta a bobina de magnetização com corrente contínua é aberto, uma corrente de indução aparece na segunda, pequena bobina enrolada sobre a principal, que é registrada por um galvanômetro (Fig. 12.1).

Se um núcleo de ferro for inserido na bobina, o desvio da agulha do galvanômetro quando o circuito for aberto será m vezes maior. As medições mostram que o fluxo magnético quando um núcleo de ferro é introduzido na bobina pode aumentar milhares de vezes. Portanto, a permeabilidade magnética do ferro é enorme.

Existem três classes principais de substâncias com propriedades magnéticas nitidamente diferentes: ferromagnetos, paramagnetos e diamagnetos.

ferromagnetos

Substâncias nas quais, como o ferro, m >> 1, são chamadas de ferroímãs. Além de ferro, cobalto e níquel, bem como vários elementos de terras raras e muitas ligas, são ferroímãs. A propriedade mais importante dos ferromagnetos é a existência de magnetismo residual. Uma substância ferromagnética pode estar em um estado magnetizado sem um campo magnetizante externo.

Um objeto de ferro (por exemplo, uma haste) é conhecido por ser atraído para um campo magnético, ou seja, ele se move para uma área onde a indução magnética é maior. Consequentemente, é atraído por um ímã ou um eletroímã. Isso acontece porque as correntes elementares no ferro são orientadas de tal maneira que a direção da indução magnética de seu campo coincide com a direção da indução do campo magnetizante. Como resultado, a barra de ferro se transforma em um ímã, cujo pólo mais próximo é oposto ao pólo do eletroímã. Pólos opostos de ímãs são atraídos (Fig. 12.2).

Arroz. 12.2

PARE! Decida por si mesmo: A1-A3, B1, B3.

Paraímãs

Existem substâncias que se comportam como o ferro, ou seja, são atraídas para um campo magnético. Essas substâncias são chamadas paramagnético. Estes incluem alguns metais (alumínio, sódio, potássio, manganês, platina, etc.), oxigênio e muitos outros elementos, bem como várias soluções eletrolíticas.

Como os paraímãs são atraídos para o campo, as linhas de indução de seu próprio campo magnético criado por eles e o campo de magnetização são direcionados da mesma maneira, de modo que o campo é amplificado. Assim, eles têm m > 1. Mas m difere muito ligeiramente da unidade, apenas por um valor da ordem de 10 -5 ... 10 -6 . Portanto, campos magnéticos poderosos são necessários para observar fenômenos paramagnéticos.

Diamagnets

Uma classe especial de substâncias é diamagnetos descoberto por Faraday. Eles são empurrados para fora do campo magnético. Se você pendurar uma haste diamagnética perto do pólo de um eletroímã forte, ela se repelirá. Consequentemente, as linhas de indução do campo criado por ele são direcionadas opostas às linhas de indução do campo magnetizante, ou seja, o campo é enfraquecido (Fig. 12.3). Assim, para os diamagnetos m< 1, причем отличается от единицы на вели­чину порядка 10 –6 . Магнитные свойства у диамагнетиков вы­ражены слабее, чем у парамагнетиков.

Se nos experimentos descritos acima, em vez de um núcleo de ferro, forem retirados núcleos de outros materiais, também poderá ser detectada uma mudança no fluxo magnético. É mais natural esperar que o efeito mais perceptível seja produzido por materiais semelhantes em suas propriedades magnéticas ao ferro, ou seja, níquel, cobalto e algumas ligas magnéticas. De fato, quando um núcleo desses materiais é introduzido na bobina, o aumento do fluxo magnético acaba sendo bastante significativo. Em outras palavras, podemos dizer que sua permeabilidade magnética é alta; para o níquel, por exemplo, pode chegar a um valor de 50, para o cobalto 100. Todos esses materiais com grandes valores são combinados em um grupo de materiais ferromagnéticos.

No entanto, todos os outros materiais "não magnéticos" também têm algum efeito sobre o fluxo magnético, embora esse efeito seja muito menor que o dos materiais ferromagnéticos. Com medições muito cuidadosas, essa mudança pode ser detectada e a permeabilidade magnética de vários materiais pode ser determinada. No entanto, deve-se ter em mente que no experimento descrito acima, comparamos o fluxo magnético na bobina, cuja cavidade é preenchida com ferro, com o fluxo na bobina, dentro da qual há ar. Enquanto estávamos falando sobre materiais fortemente magnéticos como ferro, níquel, cobalto, isso não importava, já que a presença de ar tem muito pouco efeito sobre o fluxo magnético. Mas ao estudar as propriedades magnéticas de outras substâncias, em particular o próprio ar, devemos, é claro, fazer comparações com uma bobina sem ar dentro (vácuo). Assim, para a permeabilidade magnética tomamos a razão dos fluxos magnéticos na substância em estudo e no vácuo. Em outras palavras, tomamos a permeabilidade magnética para o vácuo como uma unidade (se , então ).

As medições mostram que a permeabilidade magnética de todas as substâncias é diferente da unidade, embora na maioria dos casos essa diferença seja muito pequena. Mas o fato de algumas substâncias terem uma permeabilidade magnética maior que um, enquanto outras a possuírem menor que um, é especialmente notável, ou seja, encher a bobina com algumas substâncias aumenta o fluxo magnético, e encher a bobina com outras substâncias reduz esse fluxo. . A primeira dessas substâncias é chamada de paramagnética (), e a segunda - diamagnética (). Como Tabela. 7, a diferença na permeabilidade da unidade é pequena para substâncias paramagnéticas e diamagnéticas.

Deve ser especialmente enfatizado que para corpos paramagnéticos e diamagnéticos, a permeabilidade magnética não depende da indução magnética do campo magnetizante externo, ou seja, é um valor constante que caracteriza uma determinada substância. Como veremos no § 149, este não é o caso do ferro e de outros corpos semelhantes (ferromagnéticos).

Tabela 7. Permeabilidade para algumas substâncias paramagnéticas e diamagnéticas

Substâncias paramagnéticas		Substâncias diamagnéticas
Nitrogênio (gasoso)		Hidrogênio (gasoso)
Ar (gasoso)
Oxigênio (gasoso)
Oxigênio (líquido)
Alumínio
Tungstênio

A influência das substâncias paramagnéticas e diamagnéticas no fluxo magnético é explicada, assim como a influência das substâncias ferromagnéticas, pelo fato de que um fluxo proveniente de correntes elementares de amperes é adicionado ao fluxo magnético criado pela corrente no enrolamento da bobina. Substâncias paramagnéticas aumentam o fluxo magnético da bobina. Este aumento de fluxo quando a bobina é preenchida com uma substância paramagnética indica que nas substâncias paramagnéticas, sob a ação de um campo magnético externo, as correntes elementares são orientadas de modo que sua direção coincida com a direção da corrente de enrolamento (Fig. 276). Uma pequena diferença da unidade indica apenas que no caso de substâncias paramagnéticas este fluxo magnético adicional é muito pequeno, ou seja, que as substâncias paramagnéticas são magnetizadas muito fracamente.

A diminuição do fluxo magnético quando a bobina é preenchida com uma substância diamagnética significa que, neste caso, o fluxo magnético das correntes elementares de ampere é direcionado oposta ao fluxo magnético da bobina, ou seja, que as correntes elementares surgem em substâncias diamagnéticas sob a ação de um campo magnético externo, dirigido opostamente às correntes do enrolamento (Fig. 277). A pequenez dos desvios da unidade neste caso também indica que o fluxo adicional dessas correntes elementares é pequeno.

Arroz. 277. Substâncias diamagnéticas dentro da bobina enfraquecem o campo magnético do solenóide. As correntes elementares neles são direcionadas opostas à corrente no solenóide

Determinação da permeabilidade magnética de uma substância. Seu papel na descrição do campo magnético

Se você realizar um experimento com um solenóide conectado a um galvanômetro balístico, quando a corrente for ligada no solenóide, você poderá determinar o valor do fluxo magnético Ф, que será proporcional à rejeição da agulha do galvanômetro. Vamos realizar o experimento duas vezes, e a corrente (I) no galvanômetro será ajustada da mesma forma, mas no primeiro experimento o solenóide ficará sem núcleo e no segundo experimento, antes de ligar a corrente, introduziremos um núcleo de ferro no solenóide. Verifica-se que no segundo experimento o fluxo magnético é significativamente maior do que no primeiro (sem núcleo). Ao repetir o experimento com núcleos de diferentes espessuras, verifica-se que o fluxo máximo é obtido quando todo o solenóide é preenchido com ferro, ou seja, o enrolamento é enrolado firmemente ao redor do núcleo de ferro. Você pode experimentar com diferentes núcleos. O resultado é que:

onde $Ф$ é o fluxo magnético em uma bobina com núcleo, $Ф_0$ é o fluxo magnético em uma bobina sem núcleo. O aumento do fluxo magnético quando o núcleo é introduzido no solenóide é explicado pelo fato de que o fluxo magnético criado por uma combinação de correntes moleculares de amperes orientadas foi adicionado ao fluxo magnético, o que cria uma corrente no enrolamento do solenóide. Sob a influência de um campo magnético, as correntes moleculares são orientadas e seu momento magnético total deixa de ser igual a zero, surge um campo magnético adicional.

Definição

O valor $\mu $, que caracteriza as propriedades magnéticas do meio, é chamado de permeabilidade magnética (ou permeabilidade magnética relativa).

Esta é uma característica adimensional da matéria. Um aumento no fluxo Ф de $\mu $ vezes (1) significa que a indução magnética $\overrightarrow(B)$ no núcleo é tantas vezes maior que no vácuo com a mesma corrente no solenóide. Portanto, pode-se escrever que:

\[\overrightarrow(B)=\mu (\overrightarrow(B))_0\left(2\right),\]

onde $(\overrightarrow(B))_0$ é a indução do campo magnético no vácuo.

Juntamente com a indução magnética, que é a principal característica da força do campo, é usada uma quantidade vetorial auxiliar como a intensidade do campo magnético ($\overrightarrow(H)$), que está relacionada a $\overrightarrow(B)$ pelo seguinte relação:

\[\overrightarrow(B)=\mu \overrightarrow(H)\left(3\right).\]

Se a fórmula (3) for aplicada ao experimento com um núcleo, obtemos que na ausência de um núcleo:

\[(\overrightarrow(B))_0=(\mu )_0\overrightarrow(H_0)\left(4\right),\]

onde $\mu$=1. Na presença de um núcleo, temos:

\[\overrightarrow(B)=\mu (\mu )_0\overrightarrow(H)\left(5\right).\]

Mas como (2) é satisfeito, verifica-se que:

\[\mu (\mu )_0\overrightarrow(H)=(\mu m)_0\overrightarrow(H_0)\to \overrightarrow(H)=\overrightarrow(H_0)\left(6\right).\]

Obtivemos que a força do campo magnético não depende de que tipo de substância homogênea o espaço é preenchido. A permeabilidade magnética da maioria das substâncias é de cerca de unidade, com exceção dos ferromagnetos.

Suscetibilidade magnética da matéria

Normalmente, o vetor de magnetização ($\overrightarrow(J)$) está associado ao vetor de intensidade em cada ponto do ímã:

\[\overrightarrow(J)=\varkappa \overrightarrow(H)\left(7\right),\]

onde $\varkappa $ é a suscetibilidade magnética, uma quantidade adimensional. Para substâncias não ferromagnéticas e em campos pequenos, $\varkappa $ não depende da intensidade, é uma quantidade escalar. Em meios anisotrópicos, $\varkappa$ é um tensor e as direções de $\overrightarrow(J)$ e $\overrightarrow(H)$ não coincidem.

Relação entre suscetibilidade magnética e permeabilidade magnética

\[\overrightarrow(H)=\frac(\overrightarrow(B))((\mu )_0)-\overrightarrow(J)\left(8\right).\]

Substituindo em (8) a expressão para o vetor de magnetização (7), obtemos:

\[\overrightarrow(H)=\frac(\overrightarrow(B))((\mu )_0)-\overrightarrow(H)\left(9\right).\]

Expressando a tensão, obtemos:

\[\overrightarrow(H)=\frac(\overrightarrow(B))((\mu )_0\left(1+\varkappa \right))\to \overrightarrow(B)=(\mu )_0\left( 1+\varkappa \right)\overrightarrow(H)\left(10\right).\]

Comparando as expressões (5) e (10), temos:

\[\mu =1+\varkappa \left(11\right).\]

A suscetibilidade magnética pode ser positiva ou negativa. De (11) segue-se que a permeabilidade magnética pode ser maior que a unidade e menor que ela.

Exemplo 1

Tarefa: Calcule a magnetização no centro de uma bobina circular de raio R=0,1 m com uma corrente de I=2A se estiver imersa em oxigênio líquido. A suscetibilidade magnética do oxigênio líquido é $\varkappa =3.4\cdot (10)^(-3).$

Como base para resolver o problema, tomamos uma expressão que reflete a relação entre a força do campo magnético e a magnetização:

\[\overrightarrow(J)=\varkappa \overrightarrow(H)\left(1.1\right).\]

Vamos encontrar o campo no centro da bobina com corrente, pois precisamos calcular a magnetização neste ponto.

Selecionamos uma seção elementar em um condutor de corrente (Fig. 1), como base para resolver o problema, usamos a fórmula para a intensidade de um elemento de bobina com corrente:

onde $\ \overrightarrow(r)$ é o vetor de raio traçado do elemento atual até o ponto considerado, $\overrightarrow(dl)$ é o elemento condutor com corrente (a direção é dada pela direção da corrente), $\ vartheta$ é o ângulo entre $ \overrightarrow(dl)$ e $\overrightarrow(r)$. Com base na Fig. 1 $\vartheta=90()^\circ $, portanto (1.1) será simplificado, além disso, a distância do centro do círculo (o ponto onde estamos procurando o campo magnético) do elemento condutor com corrente é constante e igual ao raio da bobina (R), portanto temos:

O vetor resultante da intensidade do campo magnético é direcionado ao longo do eixo X, pode ser encontrado como a soma dos vetores individuais $\ \ \overrightarrow(dH),$ já que todos os elementos atuais criam campos magnéticos no centro do pavio, direcionados ao longo da normal da bobina. Então, de acordo com o princípio da superposição, a força total do campo magnético pode ser obtida indo para a integral:

Substituímos (1.3) em (1.4), obtemos:

Encontramos a magnetização, se substituirmos a intensidade de (1.5) em (1.1), obtemos:

Todas as unidades são dadas no sistema SI, vamos fazer os cálculos:

Resposta: $J=3,4\cdot (10)^(-2)\frac(A)(m).$

Exemplo 2

Tarefa: Calcule a proporção do campo magnético total em uma haste de tungstênio, que está em um campo magnético uniforme externo, que é determinado por correntes moleculares. A permeabilidade magnética do tungstênio é $\mu =1,0176.$

A indução de campo magnético ($B"$), que é contabilizada por correntes moleculares, pode ser encontrada como:

onde $J$ é a magnetização. Está relacionado com a força do campo magnético pela expressão:

onde a suscetibilidade magnética de uma substância pode ser encontrada como:

\[\varkappa =\mu -1\ \left(2.3\right).\]

Portanto, encontramos o campo magnético das correntes moleculares como:

O campo total na barra é calculado de acordo com a fórmula:

Usamos as expressões (2.4) e (2.5) para encontrar a relação necessária:

\[\frac(B")(B)=\frac((\mu )_0\left(\mu -1\right)H)(\mu (\mu )_0H)=\frac(\mu -1) (\mu ).\]

Vamos fazer os cálculos:

\[\frac(B")(B)=\frac(1,0176-1)(1,0176)=0,0173.\]

Resposta: $\frac(B")(B)=0,0173.$