Materiale magnetice: proprietăți și caracteristici. Caracteristicile diferitelor tipuri de magnetism. procese de magnetizare. Caracteristicile materialelor puternic magnetice. pierderi de remagnetizare.

Materiale magnetice moi: clasificare, proprietăți, scop.

Materiale magnetice dure: clasificare, proprietăți, scop. Materiale magnetice pentru scopuri speciale: clasificare, proprietăți, scop.

Literatură

Toate substanțele din natură interacționează cu un câmp magnetic extern, dar fiecare substanță este diferită.

Proprietățile magnetice ale substanțelor depind de proprietățile magnetice ale particulelor elementare, de structura atomilor și moleculelor, precum și de grupele acestora, dar principala influență determinantă este exercitată de electroni și momentele lor magnetice.

Toate substanțele, în raport cu câmpul magnetic, comportamentul în acesta, sunt împărțite în următoarele grupuri:

Diamagneți- materiale care nu au un moment dipol magnetic permanent, cu o permeabilitate magnetică relativă (μ≤1) puțin mai mică decât unitatea. Permitivitatea relativă μ a diamagneților este aproape independentă de mărimea câmpului magnetic (H) și nu depinde de temperatură. Acestea includ: gaze inerte (Ne, Ar, Kr, Xe), hidrogen (H2); cupru (Сu), zinc (Zn), argint (Аg), aur (Au), antimoniu (Sb), etc.

Paramagneți- materiale care au momente dipolare permanente, dar sunt localizate aleator, deci interactiunea dintre ele este foarte slaba. Permeabilitatea magnetică relativă a paramagneților este puțin mai mare decât unitatea (μ≥1), dependentă slab de intensitatea câmpului magnetic și de temperatură.

Paramagneții includ următoarele materiale: oxigen (O 2), aluminiu (Al), platină (Pt), metale alcaline, săruri de fier, nichel, cobalt etc.

feromagneți– materiale cu momente dipolare magnetice permanente, structura domeniului. În fiecare domeniu, ele sunt paralele între ele și în mod egal dirijate, astfel încât interacțiunea dintre ele este foarte puternică. Permeabilitatea magnetică relativă a feromagneților este mare (μ >> 1), pentru unele aliaje ajunge la 1500000. Depinde de intensitatea câmpului magnetic și de temperatură.

Acestea includ: fier (Fe), nichel (Ni), cobalt (Co), multe aliaje, elemente din pământuri rare: samariu (Sm), gadoliniu (Gd), etc.

Antiferomagneți- materiale care au momente magnetice dipol permanente care sunt antiparalele unele cu altele. Permeabilitatea lor magnetică relativă este puțin mai mare decât unitatea (μ ≥ 1), foarte slab dependentă de intensitatea câmpului magnetic și de temperatură. Acestea includ: oxizi de cobalt (CoO), mangan (MnO), fluorură de nichel (NiF 2), etc.

Ferimagneți- materiale care au momente magnetice de dipol permanent antiparalel care nu se compensează pe deplin. Cu cât această compensare este mai mică, cu atât proprietățile lor feromagnetice sunt mai mari. Permeabilitatea magnetică relativă a ferimagneților poate fi apropiată de unitate (cu compensarea aproape completă a momentelor) și poate ajunge la zeci de mii (cu o compensație mică).

Feritele sunt ferimagneți, pot fi numite oxiferi, deoarece sunt oxizi ai metalelor divalente cu Fe 2 O 3. Formula generală a feritei, unde Me este un metal divalent.

Permeabilitatea magnetică a feritelor depinde de temperatură și de intensitatea câmpului magnetic, dar într-o măsură mai mică decât cea a feromagneților.

Feritele sunt materiale feromagnetice ceramice cu conductivitate electrică scăzută, drept urmare pot fi clasificate ca semiconductori electronici cu permeabilitate magnetică mare (μ ≈ 10 4) și dielectrică ridicată (ε ≈ 10 3).

Dia-, para- și antiferomagneții pot fi combinați într-un grup de substanțe slab magnetice, iar fero- și ferimagneții într-un grup de substanțe puternic magnetice.

Pentru aplicațiile tehnice din domeniul electronicii radio, substanțele puternic magnetice sunt de cel mai mare interes (Fig. 6.1).

Orez. 6.1. Schema structurală a materialelor magnetice

Proprietățile magnetice ale materialelor sunt determinate de forme interne ascunse de mișcare a sarcinilor electrice, care sunt curenți circulari elementari. Curentul circular este caracterizat de un moment magnetic și poate fi înlocuit cu un dipol magnetic echivalent. Dipolii magnetici sunt formați în principal prin rotația de spin a electronilor, în timp ce rotația orbitală a electronilor are un rol slab în acest proces, precum și rotația nucleară.

În majoritatea materialelor, momentele de spin ale electronilor se anulează reciproc. Prin urmare, feromagnetismul nu este observat în toate substanțele din tabelul periodic.

Condiții necesare pentru ca un material să fie feromagnetic:

1. Existenta curentilor circulari elementari in atomi.

2. Prezența momentelor de spin necompensate, electroni.

3. Raportul dintre diametrul orbitei electronilor (D), care are un moment de spin necompensat, și constanta rețelei cristaline a substanței (a) trebuie să fie

. (6.1)

4. Prezența unei structuri de domeniu, i.e. astfel de regiuni cristaline în care momentele magnetice dipolare sunt orientate paralel.

5. Temperatura materialului (substanței) trebuie să fie sub punctul Curie, deoarece la o temperatură mai mare structura domeniului dispare, materialul trece din starea feromagnetică în starea paramagnetică.

O proprietate caracteristică a stării feromagnetice a materiei este prezența magnetizării spontane fără aplicarea unui câmp magnetic extern. Cu toate acestea, fluxul magnetic al unui astfel de corp va fi egal cu zero, deoarece direcția momentelor magnetice ale domeniilor individuale este diferită (o structură de domeniu cu un circuit magnetic închis).

Gradul de magnetizare al unei substanțe este caracterizat de mărimea magnetizării sau intensitatea magnetizării (J), care este definită ca limita raportului momentului magnetic rezultat Σm, raportat la volumul substanței (V) , când volumul tinde spre zero

. (6.2)

Dacă plasăm substanța într-un câmp magnetic extern cu puterea H, atunci raportul dintre J și H va fi

J = 4 πχH, (6.3)

Unde χ (kappa) se numește vâscozitate magnetică.

Permeabilitatea magnetică relativă μ depinde de χ:

μ = 1 +4 πχ . (6.4)

Intensitatea magnetizării poate fi determinată prin cunoaștere μ

μ = 1+. (6.5)

În general, câmpul magnetic dintr-un feromagnet este creat ca suma a două componente: extern, creat de puterea câmpului magnetic extern H, și intern, creat de magnetizare (J).

Câmpul magnetic total este caracterizat de inducția magnetică B:

B = μ 0 (H + J), (6.6)

Unde μ 0 – constantă magnetică (permeabilitatea magnetică a vidului)

μ 0 = 4 π ∙10 -7 , g/m. (6,7)

Exprimând valoarea lui J în termeni de χ și apoi μ, obținem:

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

Valoarea absolută a permeabilității magnetice

μ abs = μ 0 ∙ μ . (6.9)

Formula finală pentru inducția magnetică B

B = μ abs H. (6.10)

Procesul de magnetizare a unui material feromagnetic sub influența unui câmp magnetic extern este următorul:

creșterea domeniilor ale căror momente magnetice sunt apropiate în direcția câmpului extern și scăderea în alte domenii;

orientarea momentelor magnetice ale tuturor domeniilor în direcția câmpului exterior.

Procesul de magnetizare este caracterizat pentru fiecare feromagnet prin curba sa principală de magnetizare B \u003d f (H).

Permeabilitatea magnetică μ se modifică și în timpul procesului de magnetizare.

Acest lucru este prezentat în fig. 6.2.

Orez. 6.2. Curbe de magnetizare (B = f(H)) și permeabilitate magnetică (μ = f(H))

Permeabilitatea magnetică μ la o putere H apropiată de zero se numește inițială (secțiunea 1), iar când materialul trece la saturație, acesta va lua o valoare maximă (2), cu o creștere suplimentară a H, permeabilitatea magnetică μ scade (secțiunile 3 și 4).

În timpul magnetizării ciclice a unui feromagnet, curbele de magnetizare și demagnetizare formează o buclă de histerezis. Bucla de histerezis obtinuta in conditia saturarii materialului se numeste limitatoare. Din bucla de histerezis, obținută, de exemplu, pe ecranul osciloscopului, puteți obține informații destul de complete despre principalii parametri magnetici ai materialului (Fig. 6.3).

Orez. 6.3. Bucla de histerezis

Parametrii principali sunt:

1) inducție reziduală, după îndepărtarea intensității câmpului - Br;

2) forta coercitiva Hc - tensiunea care trebuie aplicata probei pentru a elimina inductia reziduala;

3) inducerea maximă B max , care se realizează atunci când proba este complet saturată;

4) pierderi de histerezis specifice pentru un ciclu de inversare a magnetizării, care sunt caracterizate de zona acoperită de bucla de histerezis.

Parametrii magnetici rămași ai materialului, precum și pierderile datorate inversării magnetizării (histereză), curenții turbionari, energia în gol (pentru un magnet permanent) pot fi calculate folosind formulele care au fost date mai sus și vor fi date ulterior.

Pierderi în feromagneticemateriale - acestea sunt costurile energetice care merg la remagnetizarea feromagneților, la apariția curenților turbionari într-un câmp magnetic alternativ, la vâscozitatea magnetică a materialului - creează așa-numitele pierderi, care pot fi împărțite în următoarele tipuri:

a) pierderi de histerezis Рg, proporționale cu aria buclei de histerezis

Rg = η∙f∙
∙ V, W (6,11)

Unde η este coeficientul de histerezis pentru un material dat;

f este frecvența câmpului, Hz;

LA max– inductie maxima, T;

V este volumul probei, m3;

n≈ 1,6...2 - valoarea exponentului;

b) pierderi de curent turbionar

Rv.t. = ξ∙f 2 ∙B max ∙ V, W (6,12)

unde ξ este un coeficient care depinde de rezistența electrică specifică a materialului și de forma probei;

c) pierderi post-efect Pp.s. conform formulei

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

Pierderile curenților turbionari pot fi reduse prin creșterea rezistenței electrice a feromagnetului. Pentru a face acest lucru, circuitul magnetic, de exemplu, pentru transformatoare, este recrutat din plăci feromagnetice subțiri separate, izolate unele de altele.

În practică, uneori este folosit feromagneți cu circuit magnetic deschis, adică având, de exemplu, un spațiu de aer cu rezistență magnetică ridicată. Într-un corp cu întrefier apar poli liberi, creând un câmp demagnetizant îndreptat spre câmpul de magnetizare extern. Există o scădere a inducției cu cât este mai mare, cu atât mai mare este întrefierul. Acest lucru se manifestă în mașini electrice, dispozitive magnetice de ridicare etc.

Energia din decalaj (W L), de exemplu, un magnet permanent, este exprimată prin formula

, J/m3, (6,14)

Unde LA Lși H L sunt inducția reală și intensitatea câmpului pentru o lungime dată a spațiului de aer.

Prin modificarea tensiunii aplicate feromagnetului, este posibilă obținerea energiei maxime într-un interval dat.

Pentru a găsi W max, se folosește o diagramă în care, conform curbei de demagnetizare pentru un material magnetic situat în al doilea cadran (secțiunea buclei de histerezis), este trasată o curbă de energie în decalaj, dată de diferite valori ale B (sau H). Dependența lui W L de B L și H L este prezentată în fig. 6.4.

Orez. 6.4. Energia în spațiul de aer al unui feromagnet

Pentru a determina intensitatea câmpului H, la care va exista o energie maximă în decalajul magnetic, este necesar să se deseneze o tangentă la energia maximă (în punctul A) și să se tragă o linie orizontală de la aceasta până când se intersectează cu histerezisul. buclă în al doilea cadran. Apoi coborâți perpendiculara pe intersecția cu coordonata H. Punctul H L 2 va determina intensitatea dorită a câmpului magnetic.

În funcție de principalii parametri magnetici, materialele feromagnetice pot fi clasificați în următoarele grupe;

Moale magnetic - materiale cu forță coercitivă scăzută Hc (până la 100 A/m), permeabilitate magnetică ridicată și pierderi reduse de histerezis. Sunt utilizate ca circuite magnetice de curent continuu (nuclee de transformatoare, instrumente de măsurare, inductori etc.)

Lamateriale magnetice moi raporta:

fier tehnic pur, fier carbonil;

oțel electric;

permaloys;

alsifera;

ferite (cupru-mangan);

aliaje termomagnetice (Ni-Cr-Fe), etc.

2. Dur magnetic - materiale cu o forță coercitivă mare (Hc > 100 A/m) (vezi Fig. 4.5, G).

Materialele magnetice dure sunt folosite pentru a face magneți permanenți, care folosesc energia magnetică din spațiul de aer dintre polii magnetului.

La materiale magnetice dure raporta:

Aliaje turnate alni (Al-Ni-Fe);

Alnico (Al-Ni-Co-Fe);

Magnico;

Oțeluri aliate întărite la martensită etc.

De interes deosebit sunt aliajele pe bază de materiale cu pământuri rare (YCo, CeCo, SmCo etc.), care au o valoare ridicată a H c și w max .

3. Ferite - materiale care sunt dubli oxizi de fier cu oxizi ai metalelor divalente (MeO∙Fe 2 O 3). Feritele pot fi moi magnetic și dure magnetic, în funcție de structura lor cristalină, de exemplu, tipul spinelului - (MgAl 3 O 4), gausmagnet (Mn 3 O 4), granat Ga 3 Al 2 (SiO 4) 3 etc. Rezistivitatea lor electrică este mare (de la 10 -1 la 10 10 Ohm∙m), prin urmare, pierderile de curent turbionar, în special la frecvențe înalte, sunt mici.

4. Magnetodielectrice - materiale formate dintr-o pulbere feromagnetică cu un liant dielectric. Pulberea este de obicei luată pe baza unui material moale din punct de vedere magnetic - fier carbonil, alsifer, iar un material cu pierderi dielectrice scăzute - polistiren, bachelită etc., servește ca liant dielectric.

Întrebări pentru autoexaminare:

Clasificarea substanţelor după proprietăţi magnetice.

Caracteristicile substanțelor puternic magnetice (domenii, anizotropie, curbă de magnetizare, magnetostricție, permeabilitate magnetică, histerezis etc.)

Factori care afectează proprietățile magnetice

Pierderi în materiale magnetice

Clasificarea materialelor puternic magnetice

Materiale magnetice moi de joasă frecvență

Materiale magnetice moi de înaltă frecvență

Materiale magnetice dure

Materiale magnetice pentru scopuri speciale

Aplicații

Materiale conductoare Tabel A.1

conductor		Ohm∙mm 2 /m	specific rezistenţă-		transfer de căldură continut de apa W/m∙grad	mai ales cupru,	Funcția de lucru a unui electron	temperatura bordului,
metale pure
Aluminiu
Molibden
Tungsten
policristal
Manganin			(5…30)∙10 -6
Constantan			(5…20)∙10 -6
Nichel-argint
Termocupluri
Cupru-constantan				Tism până la 350 °С
Chromel-alumel				Tism până la 1000 °С
Platină-platină-rodiu				Tism până la 1600 °С

Materiale semiconductoare Tabel A.2

	Nume semiconductor material kovy			proprii transportatorii	Mobilitate transportatorii tu,
Anorganic Cristal. elementar (atomic)
	germaniu
Cristal. conexiuni
	Carbură de siliciu						sublimare
	Indiu de antimoniu
	arseniura de galiu
	fosfură de galiu
	arseniura de indiu
	Telurura de bismut
	sulfură de plumb
sticlos
	Calcogenuri	As 2 Te 2 Se, As 2 Se 3 Al 2 Se 3
organic
	antracen
	Naftalină
	Coloranți și pigmenți Ftalocianina de cupru
	Complexe moleculare Iod piren
	Polimeri Poliacrilonitril

Materiale dielectrice Tabel A.3

Starea de agregare	Numele mamei alov (dielectrice)	Constanta dielectrică, relativă E	volum- rezistenţă , Ohm m	unghiul de pierdere dielectrică	Rezistență (electrică) E pr, MV/m	Căldura specifică densitatea λ, W/m ºK
	SF6
lichid-oase	Ulei de transformator
Materiale solide	Organic a) Parafina holovax
	b) Rășină Bakel Colofoniu Polivinil- Polistiren Polietilenă Polimetil metacrilat Rășină epoxidică
	Compus
	d) Strat de fenol (FAS)
	e) Tesatura de lac
	Electro-carton (EVT)
	g) Cauciuc butadien
	Izolatoare din cauciuc
	h) Fluoro-plast-4 ftoroplast-3
	Anorganic a) Sticla electrica.
	b) Steatit (ceramic) porțelan de inginerie electrică
	c) Mică moscovită Mikalex
	d) Fero-ceramice VK-1 Piezoquartz
	e) Izolație cu fluor (AlF 3)
	f) azbest
	Element Organ. a) Silicon org. răşină
	b) Organ de siliciu. cauciuc

Materiale magnetice Tabel A.4

Denumirea materialului magnetic	Compoziția chimică sau marca	Permeabilitatea magnetică relativă, μ		Inducția magnetică B, T		coer-citiv- forta Ns, A/m	Specific e-mail rezistența ρ, μOhm∙m	Energia în decalaj , J/m 3
		initial, μ n	maxi-mic, μ max	rămânând exact, V	maxi-mic, V max
Moale magnetic
Tehnica electrica. oţel
Permalloy nichel scăzut
Permalloy cu nichel ridicat
supermalloy
Alcifer
Ferite
Ferită nichel-zinc
Ferită mangan-zinc
Dur magnetic
bariu
bariu
Magnetodielectrice
Pe baza de fier carbonil

Lista bibliografică

1. Pasynkov, V.V. Materiale de tehnologie electronică: manual pentru universități / V.V. Pasynkov, V.S. Sorokin - Sankt Petersburg: Lan, 2003. - 367p.

2. Materiale radio și componente radio: metodă. instructiuni / comp. A.M. Khadykin A.M. - Omsk: Editura OmSTU, 2007. - 44 p.

3. Materiale radio și componente radio: note de curs / ed. A. M. Khadykin. - Omsk: Editura OmGTU, 2008. - 91 p.

4. Materiale şi elemente de tehnologie electronică: metodă. instructiuni / comp. A. M. Khadykin. - Omsk: Editura OmGTU, 2005.-34s.

5. Klikushin Yu.N. Știința materialelor în instrumentare. Materiale electrotehnice: Proc. manual pentru universități / Yu. N. Klikushin, A. I. Cheredov, I. L. Zakharov; OmSTU. - Omsk: Editura OmGTU, 2005. - 79 p.

6. Sorokin V. S. Materiale și elemente de tehnologie electronică. În 2 volume: un manual pentru studenții care studiază în direcția formării de licențe, masteranzi și specialiști 210100 „Electronică și microelectronică” / V. S. Sorokin, B. L. Antipov, N. P. Lazareva. V.1: Conductori, semiconductori, dielectrici. - M.: Centrul editorial „Academia”, 2006. - 448 p.

7. Sorokin V. S. Materiale și elemente de tehnologie electronică. În 2 volume: un manual pentru studenții care studiază în direcția de pregătire și specialități „Electronică și Microelectronica” / V. S. Sorokin, B. L. Antipov, N. P. Lazareva. T.2. - M.: Centrul editorial „Academia”, 2006. - 384 p.

8. Aliev I.I. Materiale și produse electrotehnice. Director. - M.: IP RadioSoft, 2007. - 352 p.

9. A.I. Sidorov, N.V. Nikonorov „Materiale și tehnologii integrate

optică”. Manual, curs de prelegeri. Sankt Petersburg: Universitatea de Stat din Sankt Petersburg ITMO, 2009 - 107

10. Bondarenko I.B., Gatchin Yu.A., Ivanova N.Yu., Shilkin D.A. Conectori și dispozitive de comutare. Tutorial. Sankt Petersburg: SPbGU ITMO, 2007. 151 p.

11. Roshchin V.M. Tehnologia materialelor pentru micro-, opto- și nanoelectronică: manual. Ch 2 / V.M. Roșchin, M.V. Silibin. – M.: BINOM. Laboratorul de cunoștințe, 2010. - 180 p.

12. Sadcenkov D.A. Marcarea componentelor radio autohtone și străine. Manual de referință. Volumul 1. - M.: SOLON-R, 2002. - 208 p.

13. Petrov K.S. Materiale radio, componente radio și electronice. Manual pentru universități. - Sankt Petersburg.: Peter, 2006 - 522 p.

14. Ulyanina I.Yu. Structura materialelor: manual. indemnizație / I. Yu. Ulyanina, T. Yu. Skakova. - M. : MGIU, 2006. - 55 p.

15. Ulyanina I.Yu. Știința materialelor în diagrame-caiete: manual. indemnizaţie / I. Yu. Ulyanina. - M. : Editura MGIU, 2006. - 139 p.

16. Mishin D.D. materiale magnetice. - M.: Vyssh.shk., 1991. - 384 p.

17. Kharlamova T.E. Știința materialelor electrice. Materiale electrotehnice: Proc. Beneficiu. - Sankt Petersburg: SZPI, 1998. - 82 p.

18. Shkaruba M.V., Tikhonov S.A. Materiale și elemente de tehnologie electronică: Manual. - Omsk: Editura Omgtu, 2006. - 120 p.

19. Componente și tehnologii: Lunar. toate ruse jurnal - M .: Jurnal editorial. Finestreet Publishing - Publicat lunar.

20.Internet: www.wieland– electric.com

21.Internet: www.platan.ru

22.Internet: www.promelec.ru

23.Internet: www.chipdip.ru

Permeabilitatea magnetică absolută - acesta este un factor de proporționalitate care ține cont de influența mediului în care sunt amplasate firele.

Pentru a ne face o idee despre proprietățile magnetice ale mediului, am comparat câmpul magnetic din jurul firului cu curentul din mediul dat cu câmpul magnetic din jurul aceluiași fir, dar în vid. S-a constatat că în unele cazuri câmpul este mai intens decât în ​​vid, în altele este mai puțin.

Distinge:

v Materiale și medii paramagnetice în care se obține un câmp magnetic mai puternic (sodiu, potasiu, aluminiu, platină, mangan, aer);

v Materiale și medii diamagnetice în care câmpul magnetic este mai slab (argint, mercur, apă, sticlă, cupru);

v Materiale ferromagnetice în care se creează cel mai puternic câmp magnetic (fier, nichel, cobalt, fontă și aliajele acestora).

Permeabilitatea magnetică absolută pentru diferite substanțe are o valoare diferită.

constanta magnetica - este permeabilitatea magnetică absolută a vidului.

Permeabilitatea magnetică relativă a mediului- o mărime adimensională care arată de câte ori permeabilitatea magnetică absolută a unei substanțe este mai mare sau mai mică decât constanta magnetică:

Pentru substanțele diamagnetice - , pentru paramagnetice - (pentru calculele tehnice ale corpurilor diamagnetice și paramagnetice se ia egal cu unitatea), pentru materiale feromagnetice - .

Tensiunea MP N caracterizează condițiile de excitare a MF. Intensitatea într-un mediu omogen nu depinde de proprietățile magnetice ale substanței în care este creat câmpul, ci ține cont de influența mărimii curentului și a formei conductorilor asupra intensității câmpului magnetic la un punct dat.

Tensiunea MP este o mărime vectorială. direcția vectorială H pentru medii izotrope (medii cu aceleași proprietăți magnetice în toate direcțiile) , coincide cu direcția câmpului magnetic sau a vectorului într-un punct dat.

Intensitatea câmpului magnetic creat de diverse surse este prezentată în fig. treisprezece.

Fluxul magnetic este numărul total de linii magnetice care trec prin întreaga suprafață luată în considerare. flux magnetic F sau fluxul MI prin zonă S , perpendiculară pe liniile magnetice este egală cu produsul mărimii inducției magnetice LA de mărimea zonei care este pătrunsă de acest flux magnetic.

42) Când un miez de fier este introdus în bobină, câmpul magnetic crește și miezul devine magnetizat. Acest efect a fost descoperit de Ampère. De asemenea, a descoperit că inducerea unui câmp magnetic într-o substanță poate fi mai mare sau mai mică decât inducerea câmpului în sine. Astfel de substanțe au devenit cunoscute sub numele de magneți.

Magnetism sunt substanțe capabile să modifice proprietățile unui câmp magnetic extern.

Permeabilitatea magnetică substanțele este determinată de raportul:

B 0 - inducția câmpului magnetic extern, B - inducția în interiorul substanței.

În funcție de raportul dintre B și B 0, substanțele sunt împărțite în trei tipuri:

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

Această clasă de substanțe a fost descoperită de Faraday. Aceste substanțe sunt „împinse” în afara câmpului magnetic. Dacă atârnați o tijă diamagnetică lângă polul unui electromagnet puternic, atunci se va respinge de ea. Liniile de inducție ale câmpului și ale magnetului, prin urmare, sunt direcționate în direcții diferite.

2) Paramagneți au permeabilitate magnetică m>1, iar în acest caz depășește și puțin unitatea: m=1+(10 -5 - 10 -6). Acest tip de magneți include elementele chimice Na, Mg, K, Al.

Permeabilitatea magnetică a paramagneților depinde de temperatură și scade odată cu creșterea acesteia. Fără un câmp de magnetizare, paramagneții nu își creează propriul câmp magnetic. Nu există paramagneți permanenți în natură.

3) feromagneți(m>>1): Fe, Co, Ni, Cd.

Aceste substanțe pot fi în stare magnetizată fără un câmp extern. Existenţă magnetism rezidual una dintre proprietățile importante ale feromagneților. Când este încălzită la o temperatură ridicată, proprietățile feromagnetice ale unei substanțe dispar. Se numește temperatura la care dispar aceste proprietăți Temperatura Curie(de exemplu, pentru fier T Curie = 1043 K).

La temperaturi sub punctul Curie, un feromagnet este format din domenii. Domenii- acestea sunt zone de magnetizare spontană spontană (Fig. 9.21). Mărimea domeniului este de aproximativ 10 -4 -10 -7 m. Apariția unor regiuni de magnetizare spontană în substanță se datorează existenței magneților. Un magnet de fier își poate păstra proprietățile magnetice pentru o lungă perioadă de timp, deoarece domeniile din el se aliniază într-o manieră ordonată (prevalează o singură direcție). Proprietățile magnetice vor dispărea dacă magnetul este lovit puternic sau încălzit puternic. Ca urmare a acestor influențe, domeniile sunt „dezordonate”.

Fig.9.21. Forma domeniului: a) în absența unui câmp magnetic, b) în prezența unui câmp magnetic extern.

Domeniile pot fi reprezentate ca curenți închisi în microvolume de magneți. Domeniul este bine ilustrat în Fig. 9.21, care arată că curentul din domeniu se deplasează de-a lungul unei bucle închise întrerupte. Curenții închiși de electroni duc la apariția unui câmp magnetic perpendicular pe planul orbitei electronilor. În absența unui câmp magnetic extern, câmpul magnetic al domeniilor este dirijat haotic. Acest câmp magnetic își schimbă direcția sub acțiunea unui câmp magnetic extern. Magnetica, după cum sa menționat deja, este împărțită în grupuri în funcție de modul în care câmpul magnetic al domeniului reacționează la acțiunea unui câmp magnetic extern. La diamagneți, câmpul magnetic al unui număr mai mare de domenii este îndreptat în direcția opusă acțiunii câmpului magnetic extern, iar la paramagneți, dimpotrivă, în direcția câmpului magnetic extern. Cu toate acestea, numărul de domenii ale căror câmpuri magnetice sunt direcționate în direcții opuse diferă cu o cantitate foarte mică. Prin urmare, permeabilitatea magnetică m în dia- și paramagneți diferă de unitate printr-o valoare de ordinul 10 -5 - 10 -6 . La feromagneți, numărul de domenii cu un câmp magnetic în direcția câmpului extern este de multe ori mai mare decât numărul de domenii cu direcția opusă câmpului magnetic.

Curba de magnetizare. Bucla de histerezis. Fenomenul de magnetizare se datorează existenței magnetismului rezidual sub acțiunea unui câmp magnetic extern asupra unei substanțe.

Histerezis magnetic se numește fenomenul de întârziere a modificării inducției magnetice într-un feromagnet în raport cu modificarea intensității unui câmp magnetic extern.

Figura 9.22 arată dependența câmpului magnetic din substanță de câmpul magnetic extern B=B(B 0). Mai mult, câmpul extern este reprezentat de-a lungul axei Ox, iar magnetizarea substanței este reprezentată de-a lungul axei Oy. O creștere a câmpului magnetic extern duce la o creștere a câmpului magnetic în substanță de-a lungul liniei până la valoarea . O scădere a câmpului magnetic extern la zero duce la o scădere a câmpului magnetic din substanță (în punctul cu) pâna la În ost(magnetizare reziduală, a cărei valoare este mai mare decât zero). Acest efect este o consecință a întârzierii magnetizării probei.

Valoarea inducției câmpului magnetic extern, necesară pentru demagnetizarea completă a substanței (punctul d din Fig. 9.21) se numește forță coercitivă. Valoarea zero a magnetizării probei se obține prin schimbarea direcției câmpului magnetic extern la valoarea . Continuând să creștem câmpul magnetic extern în direcția opusă valorii maxime, îl aducem la valoarea . Apoi, schimbăm direcția câmpului magnetic, crescându-l înapoi la valoarea . În acest caz, materia noastră rămâne magnetizată. Doar mărimea inducției câmpului magnetic are direcția opusă față de valoarea din punct. Continuând să creștem valoarea inducției magnetice în aceeași direcție, obținem demagnetizarea completă a substanței în punctul , și mai departe, ne regăsim din nou în punctul . Astfel, obținem o funcție închisă care descrie ciclul remagnetizării complete. O astfel de dependență pentru ciclul de inversare completă a magnetizării a inducției câmpului magnetic al probei de mărimea câmpului magnetic extern se numește bucla de histerezis. Forma buclei de histerezis este una dintre principalele caracteristici ale oricărei substanțe feromagnetice. Cu toate acestea, este imposibil să ajungem la obiect în acest fel.

În prezent, este destul de ușor să obțineți câmpuri magnetice puternice. Un număr mare de instalații și dispozitive funcționează pe magneți permanenți. Câmpuri de 1–2 T sunt realizate în ele la temperatura camerei. În volume mici, fizicienii au învățat cum să obțină câmpuri magnetice constante de până la 4 T, folosind aliaje speciale în acest scop. La temperaturi scăzute, de ordinul temperaturii heliului lichid, se obțin câmpuri magnetice de peste 10 T.

43) Legea inducției electromagnetice (z. Faraday-Maxwell). regulile lui Lenz

Rezumând rezultatul experimentelor, Faraday a formulat legea inducției electromagnetice. El a arătat că, cu orice modificare a fluxului magnetic într-un circuit conductor închis, un curent de inducție este excitat. Prin urmare, în circuit are loc o FEM de inducție.

FEM de inducție este direct proporțională cu viteza de modificare a fluxului magnetic în timp. Înregistrarea matematică a acestei legi a fost concepută de Maxwell și de aceea se numește legea Faraday-Maxwell (legea inducției electromagnetice).

Permeabilitatea magnetică. Proprietățile magnetice ale substanțelor

Proprietățile magnetice ale substanțelor

Așa cum proprietățile electrice ale unei substanțe sunt caracterizate de constanta dielectrică, proprietățile magnetice ale unei substanțe sunt caracterizate prin permeabilitatea magnetică.

Datorită faptului că toate substanțele dintr-un câmp magnetic își creează propriul câmp magnetic, vectorul de inducție magnetică într-un mediu omogen diferă de vectorul din același punct din spațiu în absența unui mediu, adică în vid.

Relația se numește permeabilitatea magnetică a mediului.

Deci, într-un mediu omogen, inducția magnetică este egală cu:

Valoarea lui m pentru fier este foarte mare. Acest lucru poate fi verificat prin experiență. Dacă un miez de fier este introdus într-o bobină lungă, atunci inducția magnetică, conform formulei (12.1), va crește de m ori. În consecință, fluxul de inducție magnetică va crește cu aceeași cantitate. Când se deschide circuitul care alimentează bobina de magnetizare cu curent continuu, în a doua bobină mică, înfăşurată peste cea principală, apare un curent de inducţie, care este înregistrat de un galvanometru (Fig. 12.1).

Dacă un miez de fier este introdus în bobină, atunci abaterea acului galvanometrului atunci când circuitul este deschis va fi de m ori mai mare. Măsurătorile arată că fluxul magnetic atunci când un miez de fier este introdus în bobină poate crește de mii de ori. Prin urmare, permeabilitatea magnetică a fierului este enormă.

Există trei clase principale de substanțe cu proprietăți magnetice foarte diferite: feromagneți, paramagneți și diamagneți.

feromagneți

Substantele in care, ca si fierul, m >> 1, se numesc feromagneti. Pe lângă fier, cobalt și nichel, precum și o serie de elemente de pământ rare și multe aliaje, sunt feromagneți. Cea mai importantă proprietate a feromagneților este existența magnetismului rezidual. O substanță feromagnetică poate fi într-o stare magnetizată fără un câmp de magnetizare extern.

Se știe că un obiect de fier (de exemplu, o tijă) este atras într-un câmp magnetic, adică se deplasează într-o zonă în care inducția magnetică este mai mare. În consecință, este atras de un magnet sau un electromagnet. Acest lucru se întâmplă deoarece curenții elementari din fier sunt orientați în așa fel încât direcția de inducție magnetică a câmpului lor să coincidă cu direcția de inducție a câmpului de magnetizare. Drept urmare, tija de fier se transformă într-un magnet, cel mai apropiat pol al căruia este opus polului electromagnetului. Polii opuși ai magneților sunt atrași (Fig. 12.2).

Orez. 12.2

STOP! Decideți singur: A1-A3, B1, B3.

Paramagneți

Există substanțe care se comportă ca fierul, adică sunt atrase într-un câmp magnetic. Aceste substanțe sunt numite paramagnetic. Acestea includ unele metale (aluminiu, sodiu, potasiu, mangan, platină etc.), oxigen și multe alte elemente, precum și diverse soluții de electroliți.

Deoarece paramagneții sunt atrași în câmp, liniile de inducție ale propriului câmp magnetic creat de ei și câmpul de magnetizare sunt direcționate în același mod, astfel încât câmpul este amplificat. Astfel, au m > 1. Dar m diferă foarte puțin de unitate, doar printr-o valoare de ordinul 10 -5 ... 10 -6 . Prin urmare, sunt necesare câmpuri magnetice puternice pentru a observa fenomenele paramagnetice.

Diamagneți

O clasă specială de substanțe sunt diamagneti descoperit de Faraday. Sunt împinși în afara câmpului magnetic. Dacă atârnați o tijă diamagnetică lângă polul unui electromagnet puternic, atunci se va respinge de ea. În consecință, liniile de inducție ale câmpului creat de el sunt direcționate opus liniilor de inducție ale câmpului magnetizant, adică câmpul este slăbit (Fig. 12.3). În consecință, pentru diamagneții m< 1, причем отличается от единицы на вели­чину порядка 10 –6 . Магнитные свойства у диамагнетиков вы­ражены слабее, чем у парамагнетиков.

Dacă în experimentele descrise mai sus, în loc de un miez de fier, sunt luate miezuri din alte materiale, atunci poate fi detectată și o modificare a fluxului magnetic. Este cel mai natural să ne așteptăm ca efectul cel mai vizibil să fie produs de materiale similare în proprietățile lor magnetice cu fierul, adică nichel, cobalt și unele aliaje magnetice. Într-adevăr, atunci când un miez din aceste materiale este introdus în bobină, creșterea fluxului magnetic se dovedește a fi destul de semnificativă. Cu alte cuvinte, putem spune că permeabilitatea lor magnetică este mare; pentru nichel, de exemplu, poate ajunge la o valoare de 50, pentru cobalt 100. Toate aceste materiale cu valori mari sunt combinate într-un singur grup de materiale feromagnetice.

Cu toate acestea, toate celelalte materiale „nemagnetice” au, de asemenea, un anumit efect asupra fluxului magnetic, deși acest efect este mult mai mic decât cel al materialelor feromagnetice. Cu măsurători foarte atente, această modificare poate fi detectată și poate fi determinată permeabilitatea magnetică a diferitelor materiale. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere că în experimentul descris mai sus, am comparat fluxul magnetic din bobină, a cărei cavitate este umplută cu fier, cu fluxul din bobină, în interiorul căreia se află aer. În timp ce vorbeam despre materiale atât de puternic magnetice precum fierul, nichelul, cobaltul, acest lucru nu a contat, deoarece prezența aerului are un efect foarte mic asupra fluxului magnetic. Dar atunci când studiem proprietățile magnetice ale altor substanțe, în special aerul însuși, trebuie, desigur, să facem comparații cu o bobină fără aer în interior (vid). Astfel, pentru permeabilitatea magnetică luăm raportul fluxurilor magnetice în substanța studiată și în vid. Cu alte cuvinte, luăm permeabilitatea magnetică pentru vid ca unitate (dacă , atunci ).

Măsurătorile arată că permeabilitatea magnetică a tuturor substanțelor este diferită de unitate, deși în majoritatea cazurilor această diferență este foarte mică. Dar faptul că unele substanțe au o permeabilitate magnetică mai mare decât unu, în timp ce altele o au mai mică de unu, este deosebit de remarcabil, adică umplerea bobinei cu unele substanțe crește fluxul magnetic, iar umplerea bobinei cu alte substanțe reduce acest flux. . Prima dintre aceste substanțe se numește paramagnetice (), iar a doua - diamagnetică (). Ca Tabel. 7, diferența de permeabilitate față de unitate este mică atât pentru substanțele paramagnetice, cât și pentru cele diamagnetice.

Trebuie subliniat în special faptul că pentru corpurile paramagnetice și diamagnetice, permeabilitatea magnetică nu depinde de inducția magnetică a câmpului extern magnetizant, adică este o valoare constantă care caracterizează o substanță dată. După cum vom vedea § 149, acesta nu este cazul pentru fier și alte corpuri similare (feromagnetice).

Tabelul 7. Permeabilitatea unor substanțe paramagnetice și diamagnetice

Substanțe paramagnetice		Substante diamagnetice
Azot (gazos)		Hidrogen (gazos)
Aer (gazos)
Oxigen (gazos)
Oxigen (lichid)
Aluminiu
Tungsten

Influența substanțelor paramagnetice și diamagnetice asupra fluxului magnetic se explică, precum și influența substanțelor feromagnetice, prin faptul că fluxului magnetic creat de curentul din înfășurarea bobinei se adaugă un flux emanat de curenți elementari de amperi. Substanțele paramagnetice cresc fluxul magnetic al bobinei. Această creștere a fluxului atunci când bobina este umplută cu o substanță paramagnetică indică faptul că în substanțele paramagnetice, sub acțiunea unui câmp magnetic extern, curenții elementari sunt orientați astfel încât direcția lor să coincidă cu direcția curentului de înfășurare (Fig. 276). O ușoară diferență față de unitate indică doar că, în cazul substanțelor paramagnetice, acest flux magnetic suplimentar este foarte mic, adică că substanțele paramagnetice sunt magnetizate foarte slab.

Scăderea fluxului magnetic atunci când bobina este umplută cu o substanță diamagnetică înseamnă că, în acest caz, fluxul magnetic de la curenții elementari de amperi este direcționat opus fluxului magnetic al bobinei, adică că în substanțele diamagnetice apar curenți elementari sub acțiune. a unui câmp magnetic extern, îndreptat opus curenților de înfășurare (Fig. 277). Miciunea abaterilor de la unitate în acest caz indică, de asemenea, că fluxul suplimentar al acestor curenți elementari este mic.

Orez. 277. Substanțele diamagnetice din interiorul bobinei slăbesc câmpul magnetic al solenoidului. Curenții elementari din ele sunt direcționați opus curentului din solenoid

Determinarea permeabilității magnetice a unei substanțe. Rolul său în descrierea câmpului magnetic

Dacă efectuați un experiment cu un solenoid care este conectat la un galvanometru balistic, atunci când curentul este pornit în solenoid, puteți determina valoarea fluxului magnetic Ф, care va fi proporțional cu respingerea acului galvanometrului. Vom efectua experimentul de două ori, iar curentul (I) din galvanometru va fi setat la fel, dar în primul experiment solenoidul va fi fără miez, iar în al doilea experiment, înainte de a porni curentul, vom introduce un miez de fier în solenoid. Se constată că în al doilea experiment fluxul magnetic este semnificativ mai mare decât în ​​primul (fără miez). La repetarea experimentului cu miezuri de diferite grosimi, se dovedește că fluxul maxim se obține atunci când întregul solenoid este umplut cu fier, adică înfășurarea este înfășurată strâns în jurul miezului de fier. Puteți experimenta cu diferite nuclee. Rezultatul este ca:

unde $Ф$ este fluxul magnetic într-o bobină cu miez, $Ф_0$ este fluxul magnetic într-o bobină fără miez. Creșterea fluxului magnetic atunci când miezul este introdus în solenoid se explică prin faptul că fluxul magnetic creat de o combinație de curenți moleculari orientați amperilor a fost adăugat fluxului magnetic, care creează un curent în înfășurarea solenoidului. Sub influența unui câmp magnetic, curenții moleculari sunt orientați, iar momentul lor magnetic total încetează să fie egal cu zero, apare un câmp magnetic suplimentar.

Definiție

Valoarea $\mu $, care caracterizează proprietățile magnetice ale mediului, se numește permeabilitate magnetică (sau permeabilitate magnetică relativă).

Aceasta este o caracteristică adimensională a materiei. O creștere a fluxului Ф de $\mu $ ori (1) înseamnă că inducția magnetică $\overrightarrow(B)$ în miez este de atâtea ori mai mare decât în ​​vid, la același curent în solenoid. Prin urmare, se poate scrie că:

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

unde $(\overrightarrow(B))_0$ este inducția câmpului magnetic în vid.

Alături de inducția magnetică, care este caracteristica principală a forței câmpului, se folosește o astfel de mărime vectorială auxiliară precum intensitatea câmpului magnetic ($\overrightarrow(H)$), care este legată de $\overrightarrow(B)$ de către urmatoarea relatie:

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

Dacă formula (3) se aplică experimentului cu un miez, obținem că în absența unui miez:

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

unde $\mu$=1. În prezența unui nucleu, obținem:

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

Dar, deoarece (2) este satisfăcută, rezultă că:

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

Am obținut că puterea câmpului magnetic nu depinde de ce fel de substanță omogenă este umplut spațiul. Permeabilitatea magnetică a majorității substanțelor este despre unitate, cu excepția feromagneților.

Susceptibilitatea magnetică a materiei

De obicei, vectorul de magnetizare ($\overrightarrow(J)$) este asociat cu vectorul de intensitate în fiecare punct al magnetului:

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

unde $\varkappa $ este susceptibilitatea magnetică, o mărime adimensională. Pentru substanțele neferomagnetice și în câmpuri mici, $\varkappa $ nu depinde de intensitate, este o mărime scalară. În mediile anizotrope, $\varkappa$ este un tensor și direcțiile lui $\overrightarrow(J)$ și $\overrightarrow(H)$ nu coincid.

Relația dintre susceptibilitatea magnetică și permeabilitatea magnetică

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

Înlocuind în (8) expresia pentru vectorul de magnetizare (7), obținem:

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

Exprimăm tensiunea, obținem:

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

Comparând expresiile (5) și (10), obținem:

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

Susceptibilitatea magnetică poate fi pozitivă sau negativă. Din (11) rezultă că permeabilitatea magnetică poate fi atât mai mare decât unitatea, cât și mai mică decât aceasta.

Exemplul 1

Sarcină: Calculați magnetizarea în centrul unei bobine circulare cu raza R=0,1 m cu un curent de I=2A dacă este scufundată în oxigen lichid. Susceptibilitatea magnetică a oxigenului lichid este $\varkappa =3.4\cdot (10)^(-3).$

Ca bază pentru rezolvarea problemei, luăm o expresie care reflectă relația dintre puterea câmpului magnetic și magnetizare:

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

Să găsim câmpul în centrul bobinei cu curent, deoarece trebuie să calculăm magnetizarea în acest punct.

Selectăm o secțiune elementară pe un conductor purtător de curent (Fig. 1), ca bază pentru rezolvarea problemei, utilizăm formula pentru intensitatea unui element bobină cu curent:

unde $\ \overrightarrow(r)$ este vectorul rază tras de la elementul curent până la punctul luat în considerare, $\overrightarrow(dl)$ este elementul conductor cu curent (direcția este dată de direcția curentului), $\ vartheta$ este unghiul dintre $ \overrightarrow(dl)$ și $\overrightarrow(r)$. Pe baza Fig. 1 $\vartheta=90()^\circ $, prin urmare (1.1) se va simplifica, în plus, distanța de la centrul cercului (punctul în care căutăm câmpul magnetic) a elementului conductor cu curent. este constantă și egală cu raza bobinei (R), prin urmare avem:

Vectorul rezultat al intensității câmpului magnetic este direcționat de-a lungul axei X, acesta poate fi găsit ca sumă a vectorilor individuali $\ \ \overrightarrow(dH),$ deoarece toate elementele curente creează câmpuri magnetice în centrul fitilului, direcționate. de-a lungul normalului bobinei. Apoi, conform principiului suprapunerii, puterea totală a câmpului magnetic poate fi obținută mergând la integrală:

Inlocuim (1.3) in (1.4), obtinem:

Găsim magnetizarea, dacă substituim intensitatea de la (1.5) în (1.1), obținem:

Toate unitățile sunt date în sistemul SI, să facem calculele:

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

Exemplul 2

Sarcină: Calculați proporția câmpului magnetic total dintr-o tijă de wolfram, care se află într-un câmp magnetic extern uniform, care este determinat de curenții moleculari. Permeabilitatea magnetică a wolframului este $\mu =1,0176.$

Inducerea câmpului magnetic ($B"$), care este explicată de curenții moleculari, poate fi găsită ca:

unde $J$ este magnetizarea. Este legat de intensitatea câmpului magnetic prin expresia:

unde susceptibilitatea magnetică a unei substanțe poate fi găsită ca:

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

Prin urmare, găsim câmpul magnetic al curenților moleculari ca:

Câmpul total din bară se calculează după formula:

Folosim expresiile (2.4) și (2.5) pentru a găsi relația necesară:

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

Hai sa facem calculele:

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

Răspuns: $\frac(B")(B)=0,0173.$