3.5 Proprietățile magnetice ale materiei
3.5.1 Magnetică. Proprietățile magnetice ale substanțelor
În capitolul anterior s-a presupus că firele prin care curg curenții, creând un câmp magnetic, sunt în vid. Dacă firele purtătoare de curent sunt în orice mediu, câmpul magnetic se modifică. Acest lucru se explică prin faptul că fiecare substanță este magnetică, adică este capabilă să dobândească un moment magnetic (magnetizat) sub influența unui câmp magnetic. O substanță magnetizată creează un câmp magnetic ÎN " , care se suprapune câmpului provocat de curenți ÎN 0 . Ambele câmpuri se adună la câmpul rezultat
|
ÎN = ÎN 0 + ÎN " |
Acest fenomen a fost descoperit pentru prima dată de Ampere, care a descoperit că introducerea unui miez de fier într-un solenoid echivalează cu creșterea numărului de spire de amperi ale acelui solenoid. Ulterior s-a constatat că inducția ÎN câmpul magnetic dintr-o substanță poate fi atât mai mare, cât și mai mic decât inducția B 0 același câmp în vid. Acest lucru se întâmplă deoarece fiecare substanță, într-o măsură mai mare sau mai mică, are propriul ei magnetic ÎN ".
De obicei sunt numite substanțe capabile să modifice parametrii unui câmp magnetic magneti. Pentru a caracteriza proprietățile magnetice ale substanțelor, cantitatea μ = B/ B 0 , numit permeabilitatea magnetică a acestei substante. În funcție de valoarea permeabilității magnetice, toți magneții sunt împărțiți în trei grupuri.
a) Deoarece câmpul magnetic intern dintr-un material diamagnetic este îndreptat împotriva câmpului extern, modulul de inducție al câmpului rezultat într-un material diamagnetic este mai mic decât modulul de inducție al câmpului în vid, adică. ÎN<ÎN 0 . De aceea substante care au μ<. l, numit materiale diamagnetice. Acestea includ, de exemplu, elementele Bi, Cu, Ag, Au, Hg, Be, CI, gaze inerte și alte substanțe. Permeabilitatea magnetică μ Diamagnetismul nu depinde de inducție ÎN 0 câmp magnetic extern.
b) Substanțele paramagnetice constau din atomi în care momentele magnetice orbitale ale electronilor nu sunt compensate. Prin urmare, atomii unui material diamagnetic au momente magnetice diferite de zero. Cu toate acestea, în absența unui câmp magnetic extern, mișcarea termică a atomilor duce la o aranjare haotică a momentelor lor magnetice, în urma căreia orice volum al unui material paramagnetic în ansamblu nu are un moment magnetic.
Atunci când un material paramagnetic este introdus într-un câmp magnetic extern, atomii săi, într-o măsură mai mare sau mai mică (în funcție de inducția acestui câmp), sunt aranjați astfel încât momentele lor magnetice să fie orientate în direcția câmpului exterior. Ca urmare, în paramagnet ia naștere un câmp magnetic intern, a cărui inducție B coincide în direcție cu inducția B„ a câmpului extern. Prin urmare, modulul de inducție ÎN câmpul magnetic rezultat într-un material paramagnetic este mai mare decât modulul de inducție ÎN 0 câmpuri în vid, de ex. B>B 0 . De aceea paramagnetic sunt substanţe pentru care μ>1. Acestea includ, în special, Na, Mg, K, Ca, Al, Mn, Pt, oxigen și multe alte elemente, precum și soluții ale unor săruri. Permeabilitatea magnetică μ paramagnetic, ca și diamagnetic, nu depinde de inducție ÎN 0 câmp magnetic extern.
Trebuie remarcat faptul că valoarea μ pentru dia- și paramagneți diferă de unitate foarte puțin, doar printr-o cantitate de ordinul 10 -5 - 10 -6, prin urmare substanțele dia- și paramagnetice aparțin substanțelor slab magnetice.
c) Spre deosebire de dia- și paramagneți, ale căror proprietăți magnetice sunt determinate de momentele magnetice orbitale ale electronilor atomici, proprietățile magnetice ale feromagneților sunt determinate de momentele magnetice de spin ale electronilor. Substantele feromagnetice (avand intotdeauna o structura cristalina) constau din atomi in care nu toti electronii au momente magnetice de spin care sunt compensate reciproc.
Într-un feromagnet există regiuni de spontană ( spontan ) magnetizare, care se numește domenii. (Mărimea domeniilor este de ordinul a 10 -4 - 10 -7 m.) În fiecare domeniu, momentele magnetice de spin ale electronilor atomici au aceeași orientare, ca urmare a căreia domeniul este magnetizat într-o stare de saturaţie. Deoarece în absența unui câmp magnetic extern momentele magnetice ale domeniilor sunt orientate aleatoriu, proba feromagnetică în astfel de condiții nu este în general magnetizată.
Sub influența unui câmp magnetic extern, momentele magnetice ale domeniilor sunt orientate în direcția acestui câmp. Ca urmare, în feromagnet apare un câmp magnetic intern puternic cu inducție magnetică ÎN", care coincide în direcție cu inducția magnetică a câmpului extern ÎN 0 . Prin urmare, modulul de inducție ÎN Câmpul magnetic rezultat într-un feromagnet este mult mai mare decât câmpul în vid, adică. B»B 0 . Când toate momentele magnetice ale domeniilor sub influența unui câmp magnetic extern sunt orientate de-a lungul câmpului, are loc saturația probei feromagnetice.
La atingerea anumitor puncte de temperatură pentru fiecare substanță, numite mai sus punctul Curie, structura domeniului este distrusă și feromagnetul își pierde proprietățile inerente.
Astfel, substanțele pentru care se numesc μ»1 feromagneți. Acestea includ elementele Fe, Co, Ni, Gd și multe aliaje. Într-un câmp magnetic extern, o probă feromagnetică se comportă ca un material paramagnetic. Cu toate acestea, permeabilitatea magnetică μ a unui feromagnet depinde de putere N câmp magnetic extern și variază într-un interval destul de larg, drept urmare dependența B =f(H) este neliniar . Valorile μ ale unor aliaje ajung la zeci de mii. Prin urmare, feromagneții sunt clasificați ca substanțe foarte magnetice.
Pentru fiecare feromagnet există o anumită temperatură, numită Punctul Curie, când este încălzită deasupra căreia substanța își pierde proprietățile feromagnetice și se transformă într-un paramagnetic. De exemplu, pentru Fe punctul Curie este 1043 K, iar pentru Ni - 631 K.
Pentru a explica procesul de magnetizare a corpurilor, Ampere a sugerat că în moleculele substanței circulă curenți circulari (curenți moleculari). Fiecare astfel de curent are un moment magnetic și creează un câmp magnetic în spațiul înconjurător. În absența unui câmp extern, curenții moleculari sunt orientați aleatoriu, drept urmare câmpul rezultat datorat acestora este egal cu zero. Datorită orientării haotice a momentelor magnetice ale moleculelor individuale, momentul magnetic total al corpului este, de asemenea, zero. Sub influența unui câmp, momentele magnetice ale moleculelor capătă o orientare predominantă într-o direcție, în urma căreia magnetul este magnetizat - momentul său magnetic total devine diferit de zero. Câmpurile magnetice ale curenților moleculari individuali în acest caz nu se mai compensează reciproc și apare un câmp ÎN". Este firesc să se caracterizeze magnetizarea unui magnet prin momentul magnetic pe unitatea de volum. Această cantitate se numește magnetizareși notată prin literă J. Magnetizarea este de obicei asociată nu cu inducția magnetică, ci cu puterea câmpului. Se crede că în fiecare punct
Spre deosebire de susceptibilitatea dielectrică, care poate avea doar valori pozitive (polarizare Rîntr-un dielectric izotrop este întotdeauna îndreptat de-a lungul câmpului E), susceptibilitate magnetică χ poate fi atât pozitiv, cât și negativ. Prin urmare, permeabilitatea magnetică μ poate fi mai mare sau mai mic decât unu.
Magnetizarea substanțelor slab magnetice variază liniar cu puterea câmpului. Magnetizarea feromagneților s, atârnă de Nîntr-un mod complex. În imagine - 3,39 date curba de magnetizare un feromagnet al cărui moment magnetic a fost inițial egal cu zero. Deja în câmpuri de ordinul mai multor oersteds (~100 A/m), magnetizarea J ajunge la saturație. Curba de magnetizare de bază în diagramă B - H prezentată în fig. 59,2 (curba 0-1). La atingerea saturaţiei ÎN continuă să crească din N conform legii liniare. Dacă magnetizarea este adusă la saturație (punctul 1 în Figura - 3.40) și apoi reduceți intensitatea câmpului magnetic, apoi inducția ÎN nu urmează curba inițială 0-1, a variază în funcție de curbă 1-2. Ca rezultat, atunci când intensitatea câmpului extern devine zero (punctul 2), magnetizarea nu dispare și se caracterizează prin mărime ÎN r , care se numeste inducție reziduală. Magnetizarea contează J r, numită magnetizare reziduală.
|
|
|
|
Figura - 3.39 |
Figura - 3.40 |
Inducţie ÎN dispare numai sub influența câmpului N Cu , având o direcţie opusă câmpului care a provocat magnetizarea. Tensiune N Cu numit forță coercitivă.
Existența magnetizării reziduale face posibilă fabricarea magneților permanenți, adică corpuri care, fără a consuma energie pentru a menține curenții macroscopici, au un moment magnetic și creează un câmp magnetic în spațiul din jurul lor. Un magnet permanent își păstrează mai bine proprietățile, cu cât forța de constrângere a materialului din care este fabricat este mai mare.
Când un feromagnet este expus la un câmp magnetic alternativ, inducția se modifică în conformitate cu curba /- 2 -3-4-5-1 (Figura - 3.40), care se numește bucla de histerezis(o buclă similară apare în diagramă J- H). Dacă valorile maxime N sunt astfel încât magnetizarea ajunge la saturație, se obține o așa-numită buclă de histerezis maxim (bucla solidă din Figura 3.40). Dacă la valori de amplitudine N nu se realizează saturația, se obține o buclă numită ciclu privat (bucla punctată din figură). Există un număr infinit de cicluri private, toate se află în bucla maximă de histerezis. Histerezisul duce la faptul că magnetizarea unui feromagnet nu este o funcție unică N, este in într-o măsură puternică depindea de fundalul eșantionului - de ce domenii fusese înainte.
Datorită ambiguității dependenței ÎN din N conceptul de permeabilitate magnetică se aplică numai curbei de magnetizare de bază. Permeabilitatea magnetică a feromagneților μ , prin urmare, susceptibilitatea magnetică χ este o funcție a intensității câmpului. În imagine - 3.41 ,O Este prezentată curba principală de magnetizare. (tragem o linie dreaptă de la originea coordonatelor, care trece printr-un punct arbitrar al curbei. Tangenta unghiului de înclinare: linia dreaptă este proporțională cu raportul V/N, t. e. permeabilitatea magnetică μ, pentru valoarea tensiunii corespunzătoare N. La crestere N de la zero unghiul de înclinare (și prin urmare μ ) mai întâi crește. La punctul 2 atinge un maxim (drept DESPRE este tangentă la curbă) și apoi scade. În figură - 3.41, b este dat un grafic de dependență μ din N. Figura arată că valoarea maximă a permeabilității este atinsă puțin mai devreme decât saturația. Cu creștere nelimitată N permeabil se apropie asimptotic de unitate. Aceasta rezultă din faptul că / în expresie μ = 1 - J/ H nu poate depăși valoarea 1.
|
|
|
Figura - 3.41 |
Cantitati ÎN r (sau J r ), N Cu Şi μ sunt principalele caracteristici ale unui feromagnet. Dacă forţa coercitivă N Cu are o mare se numeste cantitatea de feromagnet greu. Se caracterizează printr-o buclă largă de histerezis. Feromagnetic cu scăzut N Cu (și în consecință o buclă îngustă de histerezis) se numește moale. În funcție de scop, se iau feromagneți cu una sau alta caracteristică. Așadar, pentru magneții permanenți am folosit feromagneți duri, iar pentru miezurile transformatoarelor moi. Prezența punctului Curie în feromagneți poate fi înțeleasă, având în vedere că atomii participă la mișcarea termică: atâta timp cât temperatura este scăzută, atomii mențin o orientare paralelă a momentelor lor magnetice în cadrul domeniilor. Dar pe măsură ce temperatura crește, crește și mișcarea termică Când o substanță atinge o temperatură specifică unei substanțe date, mișcarea termică distruge această orientare - domeniul dispare. În plus, feromagnetul se comportă ca un paramagnetic.
Bazele teoriei feromagnetismului au fost create de Ya I. Frenkel și W. Heisenberg în 1928. În zilele noastre, magneții și proprietățile lor magnetice sunt utilizate pe scară largă în știință și tehnologie.
Numeroase experimente indică faptul că toate substanțele plasate într-un câmp magnetic sunt magnetizate și își creează propriul câmp magnetic, acțiunea căruia se adaugă la acțiunea unui câmp magnetic extern:
\(~\vec B = \vec B_0 + \vec B_1,\)
unde \(~\vec B\) este inducția câmpului magnetic în substanță; \(~\vec B_0\) este inducția magnetică a câmpului în vid, \(~\vec B_1\) este inducția magnetică a câmpului rezultată din magnetizarea substanței. În acest caz, substanța poate fie să întărească, fie să slăbească câmpul magnetic. Influența unei substanțe asupra câmpului magnetic extern este caracterizată de valoarea μ, care se numește permeabilitatea magnetică a substanței.
\(~\mu = \dfrac B(B_0).\)
- Permeabilitatea magnetică este o mărime scalară fizică care arată de câte ori diferă inducția câmpului magnetic într-o anumită substanță de inducția câmpului magnetic în vid.
Dia- și para-magneți
Toate substanțele au anumite proprietăți magnetice, adică sunt magneti. Pentru majoritatea substanțelor, permeabilitatea magnetică μ este apropiată de unitate și nu depinde de puterea câmpului magnetic. Substanțe pentru care permeabilitatea magnetică este puțin mai mică decât unitatea (μ< 1), называются materiale diamagnetice, puțin mai mare decât unitatea (μ > 1) - paramagnetic. Substanțele a căror permeabilitate magnetică depinde de intensitatea câmpului exterior și pot depăși semnificativ unitatea (μ »1) se numesc feromagneți.
Exemple de materiale diamagnetice sunt plumbul, zincul, bismutul (μ = 0,9998); substanțe paramagnetice - sodiu, oxigen, aluminiu (μ = 1,00023); feromagneți - cobalt, nichel, fier (μ atinge o valoare de 8⋅10 3).
Prima explicație a motivelor pentru care corpurile au proprietăți magnetice a fost dată de Henri Ampère (1820). Conform ipotezei sale, în interiorul moleculelor și atomilor circulă curenți electrici elementari, care determină proprietățile magnetice ale oricărei substanțe.
Să luăm o substanță solidă. Magnetizarea sa este legată de proprietățile magnetice ale particulelor (molecule și atomi) din care este compus. Să luăm în considerare ce circuite de curent sunt posibile la nivel micro. Magnetismul atomilor se datorează a două motive principale:
1) mișcarea electronilor în jurul nucleului pe orbite închise ( moment magnetic orbital) (Fig. 1);
2) rotația intrinsecă (spin) a electronilor ( moment magnetic de rotație) (Fig. 2).
Pentru curioși. Momentul magnetic al circuitului este egal cu produsul dintre curentul din circuit și aria acoperită de circuit. Direcția sa coincide cu direcția vectorului de inducție a câmpului magnetic din mijlocul circuitului purtător de curent.Deoarece planurile orbitale ale diferiților electroni dintr-un atom nu coincid, vectorii de inducție a câmpului magnetic creați de aceștia (momentele magnetice orbitale și de spin) sunt direcționați în unghiuri diferite unul față de celălalt. Vectorul de inducție rezultat al unui atom multielectron este egal cu suma vectorială a vectorilor de inducție a câmpului creați de electroni individuali. Atomii cu învelișuri de electroni parțial umplute au câmpuri necompensate. În atomii cu învelișuri de electroni pline, vectorul de inducție rezultat este 0.
În toate cazurile, modificarea câmpului magnetic este cauzată de apariția curenților de magnetizare (se observă fenomenul de inducție electromagnetică). Cu alte cuvinte, principiul suprapunerii pentru câmpul magnetic rămâne valabil: câmpul din interiorul magnetului este o suprapunere a câmpului extern \(~\vec B_0\) și câmpului \(~\vec B"\) al curenților de magnetizare. eu, care apar sub influența unui câmp extern. Dacă câmpul curenților de magnetizare este direcționat în același mod ca și câmpul exterior, atunci inducerea câmpului total va fi mai mare decât câmpul exterior (Fig. 3, a) - în acest caz spunem că substanța amplifică câmpul ; dacă câmpul curenților de magnetizare este îndreptat opus câmpului exterior, atunci câmpul total va fi mai mic decât câmpul exterior (Fig. 3, b) - în acest sens spunem că substanța slăbește câmpul magnetic.
Orez. 3 ÎN materiale diamagnetice moleculele nu au propriul lor câmp magnetic. Sub influența unui câmp magnetic extern în atomi și molecule, câmpul curenților de magnetizare este direcționat opus câmpului extern, prin urmare mărimea vectorului de inducție magnetică \(~\vec B\) al câmpului rezultat va fi modul mai mic vectorul de inducție magnetică \(~\vec B_0\) al câmpului extern.
ÎN paramagneti moleculele au propriul lor câmp magnetic. În absența unui câmp magnetic extern, din cauza mișcării termice, vectorii de inducție ai câmpurilor magnetice ale atomilor și moleculelor sunt orientați aleatoriu, deci magnetizarea lor medie este zero (Fig. 4, a). Când un câmp magnetic extern este aplicat atomilor și moleculelor, începe să acționeze un moment de forță, având tendința de a le roti astfel încât câmpurile lor să fie orientate paralel cu câmpul extern. Orientarea moleculelor paramagnetice duce la faptul că substanța este magnetizată (Fig. 4, b).
Orez. 4 Orientarea completă a moleculelor într-un câmp magnetic este împiedicată de mișcarea lor termică, prin urmare permeabilitatea magnetică a materialelor paramagnetice depinde de temperatură. Este evident că odată cu creșterea temperaturii permeabilitatea magnetică a materialelor paramagnetice scade.
Feromagneți
Însuși numele acestei clase materiale magnetice provine din nume latin fier - Ferrum. Caracteristica principală Aceste substanțe sunt capabile să mențină magnetizarea în absența unui câmp magnetic extern, toți magneții permanenți aparțin clasei feromagneților. Pe lângă fier, „vecinii” săi de pe tabelul periodic - cobaltul și nichelul - au proprietăți feromagnetice. Ferromagneții se găsesc lat aplicare practicăîn știință și tehnologie, de aceea s-au dezvoltat un număr semnificativ de aliaje cu diferite proprietăți feromagnetice.
Toate exemplele date de feromagneți se referă la metale din grupul de tranziție, a căror înveliș electronic conține mai mulți electroni nepereche, ceea ce duce la faptul că acești atomi au un câmp magnetic semnificativ propriu. În starea cristalină, datorită interacțiunii dintre atomi din cristale, apar zone de magnetizare spontană - domenii. Dimensiunile acestor domenii sunt zecimi și sutimi de milimetru (10 -4 − 10 -5 m), ceea ce depășește semnificativ dimensiunea unui atom individual (10 -9 m). În cadrul unui domeniu, câmpurile magnetice ale atomilor sunt orientate strict paralel, orientarea câmpurilor magnetice ale altor domenii în absența unui câmp magnetic extern se modifică în mod arbitrar (Fig. 5).
Astfel, chiar și într-o stare nemagnetizată, în interiorul unui feromagnet există câmpuri magnetice puternice, a căror orientare se schimbă într-un mod aleator, haotic în timpul tranziției de la un domeniu la altul. Dacă dimensiunile unui corp depășesc semnificativ dimensiunile domeniilor individuale, atunci câmpul magnetic mediu creat de domeniile acestui corp este practic absent.
Dacă plasați un feromagnet într-un câmp magnetic extern ÎN 0, atunci momentele magnetice ale domeniilor încep să se rearanjeze. Cu toate acestea, rotația spațială mecanică a secțiunilor substanței nu are loc. Procesul de inversare a magnetizării este asociat cu o modificare a mișcării electronilor, dar nu și cu o schimbare a poziției atomilor în nodurile rețelei cristaline. Domeniile care au cea mai favorabilă orientare în raport cu direcția câmpului își măresc dimensiunea în detrimentul domeniilor învecinate „orientate greșit”, absorbindu-le. În acest caz, câmpul în substanță crește destul de semnificativ.
Proprietățile feromagneților
1) proprietățile feromagnetice ale unei substanțe apar numai atunci când este localizată substanța corespunzătoare în stare cristalină;
2) proprietățile magnetice ale feromagneților depind puternic de temperatură, deoarece orientarea câmpurilor magnetice ale domeniilor este împiedicată de mișcarea termică. Pentru fiecare feromagnet există o anumită temperatură la care structura domeniului este complet distrusă, iar feromagnetul se transformă într-un paramagnet. Această valoare a temperaturii se numește Punctul Curie. Deci pentru fierul pur temperatura Curie este de aproximativ 900°C;
3) feromagneții sunt magnetizați până la saturareîn câmpuri magnetice slabe. Figura 6 arată cum se modifică modulul de inducție a câmpului magnetic Bîn oţel cu modificare în câmpul exterior B 0 ;
4) permeabilitatea magnetică a unui feromagnet depinde de câmpul magnetic extern (Fig. 7).
Acest lucru se explică prin faptul că inițial cu o creștere B 0 inducție magnetică B crește mai puternic și, prin urmare, μ va crește. Apoi, la valoarea inducției magnetice B Are loc saturația ´ 0 (μ în acest moment este maximă) și cu o creștere suplimentară B 0 inducție magnetică B 1 în substanță încetează să se schimbe, iar permeabilitatea magnetică scade (tinde la 1):
\(~\mu = \dfrac B(B_0) = \dfrac (B_0 + B_1)(B_0) = 1 + \dfrac (B_1)(B_0);\)
5) feromagneții prezintă magnetizare reziduală. Dacă, de exemplu, o tijă feromagnetică este plasată într-un solenoid prin care trece curentul și se magnetizează până la saturație (punctul O) (Fig. 8), și apoi reduceți curentul în solenoid și odată cu acesta B 0, atunci se poate observa că inducția câmpului în tijă în timpul demagnetizării acesteia rămâne întotdeauna mai mare decât în timpul procesului de magnetizare. Când B 0 = 0 (curentul din solenoid este oprit), inducția va fi egală cu B r(inducție reziduală). Tija poate fi scoasă din solenoid și folosită ca magnet permanent. Pentru a demagnetiza în final tija, trebuie să treceți un curent în sens opus prin solenoid, adică. se aplică un câmp magnetic extern cu direcția opusă vectorului de inducție. Acum crescând modulul de inducție a acestui câmp la B oc, demagnetizați tija ( B = 0).).
Astfel, la magnetizarea și demagnetizarea unui feromagnet, inducția B rămâne în urmă B 0 . Acest decalaj se numește fenomenul de histerezis. Curba prezentată în Figura 8 este numită bucla de histerezis.
histerezis(greacă ὑστέρησις - „în urmă”) - o proprietate a sistemelor care nu urmează imediat forțele aplicate.Forma curbei de magnetizare (bucla de histerezis) variază semnificativ pentru diferite materiale feromagnetice, care au găsit o utilizare foarte largă în aplicații științifice și tehnice. Unele materiale magnetice au o buclă largă cu valori ridicate de remanență și coercivitate, acestea se numesc dur magneticși sunt folosite pentru a face magneți permanenți. Alte aliaje feromagnetice se caracterizează prin valori scăzute ale forței de coerciție astfel de materiale sunt ușor magnetizate și remagnetizate chiar și în câmpuri slabe. Astfel de materiale sunt numite moale magneticși sunt utilizate în diverse dispozitive electrice - relee, transformatoare, circuite magnetice etc.
Literatură
- Aksenovich L. A. Fizica în liceu: Teorie. Sarcini. Teste: manual. alocație pentru instituțiile care oferă învățământ general. mediu, educație / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - P.330-335.
- Zhilko, V.V. Fizica: manual. indemnizatie pentru clasa a XI-a. învăţământul general şcoală din rusă limbă antrenament / V.V Zhilko, A.V. Lavrinenko, L. G. Markovich. - Mn.: Nar. Asveta, 2002. - p. 291-297.
Există curenți circulari microscopici ( curenti moleculari). Această idee a fost confirmată ulterior, după descoperirea electronului și a structurii atomului: acești curenți sunt creați prin mișcarea electronilor în jurul nucleului și, întrucât sunt orientați în același mod, în total formează un câmp în interior și în jurul magnetului.
In poza O planurile în care se află curenții electrici elementari sunt orientate aleatoriu datorită mișcării termice haotice a atomilor, iar substanța nu prezintă proprietăți magnetice. Într-o stare magnetizată (sub influența, de exemplu, a unui câmp magnetic extern) (Figura b) aceste planuri sunt orientate identic, iar actiunile lor sunt rezumate.
Permeabilitatea magnetică.
Reacția mediului la influența unui câmp magnetic extern cu inducție B0 (câmp în vid) este determinată de susceptibilitatea magnetică μ :
Unde ÎN— inducția câmpului magnetic într-o substanță. Permeabilitatea magnetică este similară cu constanta dielectrică ɛ .
Pe baza proprietăților lor magnetice, substanțele sunt împărțite în materiale diamagnetice, paramagnetiŞi ferromagneti. Pentru materialele diamagnetice coeficientul μ , care caracterizează proprietățile magnetice ale mediului, este mai mică decât unitatea (de exemplu, pentru bismut μ = 0,999824); în materiale paramagnetice μ > 1 (pentru platină μ - 1,00036); în feromagneţi μ ≫ 1 (fier, nichel, cobalt).
Diamagneții sunt respinși de un magnet, materialele paramagnetice sunt atrase de acesta. Prin aceste caracteristici se pot distinge unul de celălalt. Pentru multe substanțe, permeabilitatea magnetică este aproape aceeași cu unitatea, dar pentru feromagneți o depășește cu mult, ajungând la câteva zeci de mii de unități.
Ferromagneți.
Feromagneții prezintă cele mai puternice proprietăți magnetice. Câmpurile magnetice create de feromagneți sunt mult mai puternice decât câmpul de magnetizare extern. Adevărat, câmpurile magnetice ale feromagneților nu sunt create ca urmare a rotației electronilor în jurul nucleelor - moment magnetic orbitalși datorită propriei rotații a electronului - propriul său moment magnetic, numit rotire.
temperatura Curie ( TCu) este temperatura peste care materialele feromagnetice își pierd proprietățile magnetice. Este diferit pentru fiecare feromagnet. De exemplu, pentru fier T s= 753 °C, pentru nichel T s= 365 °C, pentru cobalt T s= 1000 °C. Există aliaje feromagnetice în care T s < 100 °С.
Primele studii detaliate ale proprietăților magnetice ale feromagneților au fost efectuate de remarcabilul fizician rus A. G. Stoletov (1839-1896).
Feromagneții sunt folosiți destul de larg: ca magneți permanenți (în instrumente electrice de măsură, difuzoare, telefoane etc.), miezuri de oțel în transformatoare, generatoare, motoare electrice (pentru a spori câmpul magnetic și pentru a economisi energie electrică). Benzile magnetice, care sunt realizate din materiale feromagnetice, înregistrează sunetul și imaginile pentru casetofone și videorecordere. Informațiile sunt înregistrate pe folii magnetice subțiri pentru dispozitivele de stocare din calculatoarele electronice.
Sunt doi magneți diferite tipuri. Unii sunt așa-numiți magneți permanenți, fabricați din materiale „magnetice dure”. Proprietățile lor magnetice nu sunt legate de utilizarea surselor externe sau a curenților. Un alt tip include așa-numiții electromagneți cu un miez din fier „magnetic moale”. Câmpurile magnetice pe care le creează se datorează în principal faptului că un curent electric trece prin firul de înfășurare care înconjoară miezul.
Poli magnetici si camp magnetic.
Proprietățile magnetice ale unui magnet bar sunt cele mai vizibile în apropierea capetelor sale. Dacă un astfel de magnet este atârnat de partea din mijloc, astfel încât să se poată roti liber într-un plan orizontal, atunci va lua o poziție aproximativ corespunzătoare direcției de la nord la sud. Capătul tijei îndreptat spre nord se numește polul nord, iar capătul opus se numește polul sudic. Polii opuși ai doi magneți se atrag unul pe celălalt, iar polii asemănători se resping reciproc.
Dacă o bară de fier nemagnetizat este adusă aproape de unul dintre polii unui magnet, acesta din urmă va deveni temporar magnetizat. În acest caz, polul barei magnetizate cel mai apropiat de polul magnetului va fi opus ca nume, iar cel îndepărtat va avea același nume. Atractia dintre polul magnetului si polul opus indusa de acesta in bara explica actiunea magnetului. Unele materiale (cum ar fi oțelul) ele însele devin magneți permanenți slabi după ce se află lângă un magnet permanent sau un electromagnet. O tijă de oțel poate fi magnetizată prin simpla trecere a capătului unui magnet permanent de bară de-a lungul capătului său.
Deci, un magnet atrage alți magneți și obiecte din materiale magnetice fără a fi în contact cu aceștia. Această acțiune la distanță se explică prin existența unui câmp magnetic în spațiul din jurul magnetului. O idee despre intensitatea și direcția acestui câmp magnetic poate fi obținută prin turnarea piliturii de fier pe o foaie de carton sau sticlă plasată pe un magnet. Rumegul se va alinia în lanțuri în direcția câmpului, iar densitatea liniilor de rumeguș va corespunde intensității acestui câmp. (Sunt cele mai groase la capetele magnetului, unde intensitatea câmpului magnetic este cea mai mare.)
M. Faraday (1791–1867) a introdus conceptul de linii de inducție închise pentru magneți. Liniile de inducție se extind în spațiul înconjurător de la magnetul de la polul său nord, intră în magnet la polul său sudic și trec în interiorul materialului magnetului de la polul sud înapoi la nord, formând o buclă închisă. Numărul total de linii de inducție care ies dintr-un magnet se numește flux magnetic. Densitatea fluxului magnetic sau inducția magnetică ( ÎN), este egal cu numărul de linii de inducție care trec de-a lungul normalei printr-o zonă elementară de dimensiunea unității.
Inducția magnetică determină forța cu care acționează un câmp magnetic asupra unui conductor de curent aflat în el. Dacă conductorul prin care trece curentul eu, este situat perpendicular pe liniile de inducție, apoi conform legii lui Ampere forța F, care acționează asupra conductorului, este perpendiculară atât pe câmp, cât și pe conductor și este proporțională cu inducția magnetică, puterea curentului și lungimea conductorului. Astfel, pentru inducția magnetică B poți scrie o expresie
Unde F- forta in newtoni, eu- curent în amperi, l– lungime în metri. Unitatea de măsură pentru inducția magnetică este tesla (T).
Galvanometru.
Un galvanometru este un instrument sensibil pentru măsurarea curenților slabi. Un galvanometru folosește cuplul produs de interacțiunea unui magnet permanent în formă de potcoavă cu o bobină mică purtătoare de curent (un electromagnet slab) suspendată în golul dintre polii magnetului. Cuplul și, prin urmare, deviația bobinei, este proporțională cu curentul și cu inducția magnetică totală în spațiul de aer, astfel încât scara dispozitivului este aproape liniară pentru deviații mici ale bobinei.
Forța de magnetizare și puterea câmpului magnetic.
În continuare, ar trebui să introducem o altă mărime care caracterizează acțiunea magnetică curent electric. Să presupunem că curentul trece prin firul unei bobine lungi, în interiorul căreia se află un material magnetizabil. Forța de magnetizare este produsul dintre curentul electric din bobină și numărul de spire (această forță se măsoară în amperi, deoarece numărul de spire este o mărime adimensională). Intensitatea câmpului magnetic N egală cu forța de magnetizare pe unitatea de lungime a bobinei. Astfel, valoarea N măsurată în amperi pe metru; determină magnetizarea dobândită de materialul din interiorul bobinei.
Într-o inducție magnetică în vid B proporțional cu intensitatea câmpului magnetic N:
Unde m 0 – așa-numitul constantă magnetică având o valoare universală de 4 p H 10-7 H/m. În multe materiale valoarea B aproximativ proporțională N. Cu toate acestea, în materialele feromagnetice raportul dintre BŞi N ceva mai complicat (după cum va fi discutat mai jos).
În fig. 1 prezintă un electromagnet simplu conceput pentru a prinde sarcini. Sursa de energie este o baterie reîncărcabilă DC. Figura prezintă, de asemenea, liniile de câmp ale electromagnetului, care pot fi detectate prin metoda obișnuită a piliturii de fier.
Electromagneții mari cu miez de fier și un număr foarte mare de spire-amperi, care funcționează în regim continuu, au o forță mare de magnetizare. Ele creează o inducție magnetică de până la 6 Tesla în golul dintre poli; această inducție este limitată doar de solicitarea mecanică, încălzirea bobinelor și saturația magnetică a miezului. O serie de electromagneți uriași răciți cu apă (fără miez), precum și instalații pentru crearea de câmpuri magnetice pulsate, au fost proiectate de P.L Kapitsa (1894–1984) la Cambridge și la Institutul de Probleme Fizice al Academiei de Științe a URSS și F. Bitter (1902–1967) în Massachusetts Institute of Technology. Cu astfel de magneți a fost posibil să se obțină o inducție de până la 50 Tesla. Un electromagnet relativ mic care creează câmpuri de până la 6,2 Tesla, consumatoare putere electrică 15 kW și răcit cu hidrogen lichid, a fost dezvoltat la Laboratorul Național Losalamos. Câmpuri similare se obțin la temperaturi criogenice.
Permeabilitatea magnetică și rolul său în magnetism.
Permeabilitatea magnetică m este o mărime care caracterizează proprietățile magnetice ale unui material. Metalele feromagnetice Fe, Ni, Co și aliajele lor au permeabilitati maxime foarte mari - de la 5000 (pentru Fe) la 800.000 (pentru supermaloy). În astfel de materiale la intensități de câmp relativ scăzute H apar inducții mari B, dar relația dintre aceste mărimi este, în general, neliniară datorită fenomenelor de saturație și histerezis, care sunt discutate mai jos. Materialele ferromagnetice sunt puternic atrase de magneți. Ei își pierd proprietățile magnetice la temperaturi peste punctul Curie (770°C pentru Fe, 358°C pentru Ni, 1120°C pentru Co) și se comportă ca paramagneți, pentru care inducție. B până la valori foarte mari de tensiune H este proporțională cu ea - exact la fel ca și în vid. Multe elemente și compuși sunt paramagnetice la toate temperaturile. Substanțele paramagnetice se caracterizează prin faptul că se magnetizează într-un câmp magnetic extern; dacă acest câmp este oprit, substanțele paramagnetice revin la o stare nemagnetizată. Magnetizarea în feromagneți este menținută chiar și după oprirea câmpului extern.
În fig. Figura 2 prezintă o buclă tipică de histerezis pentru un material feromagnetic dur magnetic (cu pierderi mari). Caracterizează dependența ambiguă a magnetizării unui material ordonat magnetic de puterea câmpului de magnetizare. Cu creșterea intensității câmpului magnetic de la punctul inițial (zero) ( 1 ) magnetizarea are loc de-a lungul liniei întrerupte 1 –2 , și valoarea m se modifică semnificativ pe măsură ce magnetizarea probei crește. La punctul 2 se atinge saturația, adică cu o creștere suplimentară a tensiunii, magnetizarea nu mai crește. Daca acum scadem treptat valoarea H la zero, apoi curba B(H) nu mai urmează aceeași cale, ci trece prin punct 3 , dezvăluind, parcă, o „amintire” a materialului despre „istoria trecută”, de unde și numele de „histereză”. Este evident că în acest caz se păstrează o oarecare magnetizare reziduală (segment 1 –3 ). După schimbarea direcției câmpului de magnetizare în direcția opusă, curba ÎN (N) trece punctul 4 , iar segmentul ( 1 )–(4 ) corespunde forţei coercitive care împiedică demagnetizarea. Creștere suplimentară a valorilor (- H) aduce curba de histerezis la al treilea cadran - secțiunea 4 –5 . Scăderea ulterioară a valorii (- H) la zero și apoi crescând valori pozitive H va duce la închiderea buclei de histerezis prin puncte 6 , 7 Şi 2 .
Materialele magnetice dure se caracterizează printr-o buclă largă de histerezis, care acoperă o zonă semnificativă pe diagramă și, prin urmare, corespunzând unor valori mari de magnetizare remanentă (inducție magnetică) și forță coercitivă. O buclă îngustă de histerezis (Fig. 3) este caracteristică materialelor magnetice moi, cum ar fi oțelul moale și aliajele speciale cu permeabilitate magnetică ridicată. Astfel de aliaje au fost create cu scopul de a reduce pierderile de energie cauzate de histerezis. Majoritatea acestor aliaje speciale, precum feritele, au o rezistență electrică ridicată, ceea ce reduce nu numai pierderile magnetice, ci și pierderile electrice cauzate de curenții turbionari.
Materialele magnetice cu permeabilitate ridicată sunt produse prin recoacere, realizată prin menținerea la o temperatură de aproximativ 1000 ° C, urmată de revenire (răcire treptată) până la temperatura camerei. În acest caz, tratamentul mecanic și termic preliminar, precum și absența impurităților în probă sunt foarte importante. Pentru miezurile transformatoarelor la începutul secolului XX. au fost dezvoltate oțeluri de siliciu, magnitudinea m care a crescut odată cu creșterea conținutului de siliciu. Între 1915 și 1920, au apărut permalloies (aliaje de Ni și Fe) cu o buclă caracteristică de histerezis îngustă și aproape dreptunghiulară. Valori de permeabilitate magnetică deosebit de ridicate m la valori mici H Aliajele diferă prin hipernic (50% Ni, 50% Fe) și mu-metal (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), în timp ce în perminvar (45% Ni, 30% Fe, 25% Co ) valoare m practic constantă într-o gamă largă de modificări ale intensității câmpului. Dintre materialele magnetice moderne, trebuie menționat supermaloy, un aliaj cu cea mai mare permeabilitate magnetică (conține 79% Ni, 15% Fe și 5% Mo).
Teorii ale magnetismului.
Pentru prima dată, presupunerea că fenomenele magnetice sunt în cele din urmă reduse la fenomene electrice a apărut de la Ampere în 1825, când a exprimat ideea microcurenților interni închisi care circulă în fiecare atom al unui magnet. Cu toate acestea, fără nicio confirmare experimentală a prezenței unor astfel de curenți în materie (electronul a fost descoperit de J. Thomson abia în 1897, iar descrierea structurii atomului a fost dată de Rutherford și Bohr în 1913), această teorie „a dispărut”. .” În 1852, W. Weber a sugerat că fiecare atom substanță magnetică este un magnet mic, sau dipol magnetic, astfel încât magnetizarea completă a unei substanțe este realizată atunci când toți magneții atomici individuali sunt aliniați într-o anumită ordine (Fig. 4, b). Weber credea că „frecarea” moleculară sau atomică ajută acești magneți elementari să-și mențină ordinea în ciuda influenței perturbatoare a vibrațiilor termice. Teoria sa a putut explica magnetizarea corpurilor la contactul cu un magnet, precum și demagnetizarea lor la impact sau încălzire; în sfârșit, a fost explicată și „reproducția” magneților la tăierea în bucăți a unui ac magnetizat sau a unei tije magnetice. Și totuși această teorie nu a explicat nici originea magneților elementari înșiși, nici fenomenele de saturație și histerezis. Teoria lui Weber a fost îmbunătățită în 1890 de J. Ewing, care și-a înlocuit ipoteza frecării atomice cu ideea forțelor de limitare interatomice care ajută la menținerea ordonării dipolilor elementari care alcătuiesc un magnet permanent.
Abordarea problemei, propusă cândva de Ampere, a primit o a doua viață în 1905, când P. Langevin a explicat comportamentul materialelor paramagnetice, atribuind fiecărui atom câte un necompensat intern. curent de electroni. Potrivit lui Langevin, acești curenți formează magneți minusculi care sunt orientați aleatoriu atunci când nu există un câmp extern, dar capătă o orientare ordonată atunci când este aplicat. În acest caz, abordarea ordinii complete corespunde saturației magnetizării. În plus, Langevin a introdus conceptul de moment magnetic, care pentru un magnet atomic individual este egal cu produsul dintre „sarcina magnetică” a unui pol și distanța dintre poli. Astfel, magnetismul slab al materialelor paramagnetice se datorează momentului magnetic total creat de curenții de electroni necompensați.
În 1907, P. Weiss a introdus conceptul de „domeniu”, care a devenit o contribuție importantă la teoria modernă a magnetismului. Weiss și-a imaginat domeniile ca mici „colonii” de atomi, în interiorul cărora momentele magnetice ale tuturor atomilor, din anumite motive, sunt forțate să mențină aceeași orientare, astfel încât fiecare domeniu este magnetizat până la saturație. Un domeniu separat poate avea dimensiuni liniare aproximativ 0,01 mm și, în consecință, volumul este de aproximativ 10 –6 mm 3. Domeniile sunt separate de așa-numiții pereți Bloch, a căror grosime nu depășește 1000 de dimensiuni atomice. „Peretele” și două domenii orientate opus sunt prezentate schematic în Fig. 5. Astfel de pereți reprezintă „straturi de tranziție” în care direcția de magnetizare a domeniului se schimbă.
În cazul general, pe curba de magnetizare inițială se pot distinge trei secțiuni (Fig. 6). În secțiunea inițială, peretele, sub influența unui câmp exterior, se deplasează prin grosimea substanței până când întâlnește un defect în rețeaua cristalină, care îl oprește. Prin creșterea intensității câmpului, puteți forța peretele să se miște mai departe secțiunea de mijlocîntre liniile întrerupte. Dacă după aceasta intensitatea câmpului este din nou redusă la zero, atunci pereții nu vor mai reveni la poziția inițială, astfel încât proba va rămâne parțial magnetizată. Aceasta explică histerezisul magnetului. La secțiunea finală a curbei, procesul se încheie cu saturarea magnetizării probei datorită ordonării magnetizării în interiorul ultimelor domenii dezordonate. Acest proces este aproape complet reversibil. Duritatea magnetică este prezentată de acele materiale a căror rețea atomică conține multe defecte care împiedică mișcarea pereților interdomenii. Acest lucru se poate realiza mecanic și tratament termic, de exemplu prin comprimarea și apoi sinterizarea materialului sub formă de pulbere. În aliajele de alnico și analogii lor, același rezultat este obținut prin topirea metalelor într-o structură complexă.
Pe lângă materialele paramagnetice și feromagnetice, există materiale cu așa-numitele proprietăți antiferomagnetice și ferimagnetice. Diferența dintre aceste tipuri de magnetism este explicată în Fig. 7. Pe baza conceptului de domenii, paramagnetismul poate fi considerat ca un fenomen cauzat de prezența în material a unor grupuri mici de dipoli magnetici, în care dipolii individuali interacționează foarte slab între ei (sau nu interacționează deloc) și, prin urmare, , în absența unui câmp extern, luați doar orientări aleatorii ( Fig. 7, O). În materialele feromagnetice, în cadrul fiecărui domeniu există o interacțiune puternică între dipolii individuali, conducând la alinierea paralelă ordonată a acestora (Fig. 7, b). În materialele antiferomagnetice, dimpotrivă, interacțiunea dintre dipolii individuali duce la alinierea lor ordonată antiparalelă, astfel încât momentul magnetic total al fiecărui domeniu este zero (Fig. 7, V). În cele din urmă, în materialele ferimagnetice (de exemplu, ferite) există atât o ordonare paralelă, cât și o ordonare antiparalelă (Fig. 7, G), rezultând un magnetism slab.
Există două confirmări experimentale convingătoare ale existenței domeniilor. Primul dintre ele este așa-numitul efect Barkhausen, al doilea este metoda figurilor de pulbere. În 1919, G. Barkhausen a stabilit că atunci când un câmp extern este aplicat unui eșantion de material feromagnetic, magnetizarea acestuia se modifică în porțiuni discrete mici. Din punctul de vedere al teoriei domeniului, acesta nu este altceva decât un avans brusc al peretelui interdomeniu, întâlnind pe drum defecte individuale care îl întârzie. Acest efect este de obicei detectat folosind o bobină în care este plasată o tijă sau un fir feromagnetic. Dacă aduceți alternativ un magnet puternic spre și departe de eșantion, eșantionul va fi magnetizat și remagnetizat. Modificările bruște ale magnetizării probei modifică fluxul magnetic prin bobină și un curent de inducție este excitat în ea. Tensiunea generată în bobină este amplificată și alimentată la intrarea unei perechi de căști acustice. Clicuri auzite prin căști indică o schimbare bruscă a magnetizării.
Pentru a identifica structura domeniului unui magnet folosind metoda figurii de pulbere, o picătură dintr-o suspensie coloidală de pulbere feromagnetică (de obicei Fe 3 O 4) este aplicată pe o suprafață bine lustruită a unui material magnetizat. Particulele de pulbere se depun în principal în locuri cu neomogenitate maximă a câmpului magnetic - la granițele domeniilor. Această structură poate fi studiată la microscop. De asemenea, a fost propusă o metodă bazată pe trecerea luminii polarizate printr-un material feromagnetic transparent.
Teoria originală a magnetismului a lui Weiss în principalele sale trăsături și-a păstrat semnificația până în ziua de azi, având totuși o interpretare actualizată bazată pe ideea spinurilor electronilor necompensate ca factor care determină magnetismul atomic. Ipoteza despre existența impulsului propriu al unui electron a fost înaintată în 1926 de S. Goudsmit și J. Uhlenbeck, iar în prezent electronii ca purtători de spin sunt considerați „magneți elementari”.
Pentru a explica acest concept, luați în considerare (Fig. 8) un atom liber de fier, un material feromagnetic tipic. Cele două scoici ( KŞi L), cei mai aproape de nucleu sunt umpluți cu electroni, primul dintre ei conținând doi, iar al doilea conținând opt electroni. ÎN K-shell, spinul unuia dintre electroni este pozitiv, iar celălalt este negativ. ÎN L-coaja (mai precis, în cele două subînvelișuri ale sale), patru din cei opt electroni au spini pozitivi, iar ceilalți patru au spini negativi. În ambele cazuri, spinurile electronilor dintr-o înveliș sunt complet compensate, astfel încât momentul magnetic total este zero. ÎN M-shell, situatia este diferita, deoarece din cei sase electroni situati in al treilea subshell, cinci electroni au spini indreptati intr-o directie, iar doar al saselea in cealalta. Ca urmare, rămân patru rotiri necompensate, ceea ce determină proprietățile magnetice ale atomului de fier. (În exterior N-shell are doar doi electroni de valență, care nu contribuie la magnetismul atomului de fier.) Magnetismul altor feromagneți, precum nichelul și cobaltul, se explică în mod similar. Deoarece atomii învecinați dintr-o probă de fier interacționează puternic între ei, iar electronii lor sunt parțial colectivizați, această explicație ar trebui considerată doar ca o diagramă vizuală, dar foarte simplificată a situației reale.
Teoria magnetismului atomic, bazată pe luarea în considerare a spinului electronului, este susținută de două experimente giromagnetice interesante, dintre care unul a fost realizat de A. Einstein și W. de Haas, iar celălalt de S. Barnett. În primul dintre aceste experimente, un cilindru de material feromagnetic a fost suspendat așa cum se arată în Fig. 9. Dacă curentul este trecut prin firul de înfășurare, cilindrul se rotește în jurul axei sale. Când direcția curentului (și, prin urmare, câmpul magnetic) se schimbă, acesta se întoarce în direcția opusă. În ambele cazuri, rotația cilindrului se datorează ordonării spinilor electronilor. În experimentul lui Barnett, dimpotrivă, un cilindru suspendat, adus brusc într-o stare de rotație, devine magnetizat în absența unui câmp magnetic. Acest efect se explică prin faptul că atunci când magnetul se rotește, se creează un moment giroscopic, care tinde să rotească momentele de rotație în direcția propriei axe de rotație.
Pentru o explicație mai completă a naturii și originii forțelor cu rază scurtă de acțiune care ordonă magneții atomici învecinați și contracarează influența dezordonată a mișcării termice, ar trebui să apelăm la mecanica cuantică. O explicație mecanică cuantică a naturii acestor forțe a fost propusă în 1928 de W. Heisenberg, care a postulat existența interacțiunilor de schimb între atomii vecini. Mai târziu, G. Bethe și J. Slater au arătat că forțele de schimb cresc semnificativ odată cu scăderea distanței dintre atomi, dar la atingerea unei anumite distanțe interatomice minime ele scad la zero.
PROPRIETĂȚI MAGNETICE ALE SUBSTANȚEI
Unul dintre primele studii extinse și sistematice ale proprietăților magnetice ale materiei a fost întreprins de P. Curie. El a stabilit că, în funcție de proprietățile lor magnetice, toate substanțele pot fi împărțite în trei clase. Prima categorie include substanțe cu proprietăți magnetice pronunțate, similare cu proprietățile fierului. Astfel de substanțe se numesc feromagnetice; câmpul lor magnetic este vizibil la distanțe considerabile ( cm. superior). A doua clasă include substanțe numite paramagnetice; Proprietățile lor magnetice sunt în general similare cu cele ale materialelor feromagnetice, dar mult mai slabe. De exemplu, forța de atracție către polii unui electromagnet puternic poate smulge un ciocan de fier din mâinile tale, iar pentru a detecta atracția unei substanțe paramagnetice față de același magnet, de obicei aveți nevoie de balanțe analitice foarte sensibile. Ultima, a treia clasă include așa-numitele substanțe diamagnetice. Ele sunt respinse de un electromagnet, adică. Forța care acționează asupra materialelor diamagnetice este direcționată opus celei care acționează asupra materialelor fero- și paramagnetice.
Măsurarea proprietăților magnetice.
Când se studiază proprietățile magnetice, două tipuri de măsurători sunt cele mai importante. Prima dintre ele este măsurarea forței care acționează asupra unei probe în apropierea unui magnet; Astfel se determină magnetizarea probei. Al doilea include măsurători ale frecvențelor „rezonante” asociate cu magnetizarea materiei. Atomii sunt „giroscopii” minuscule și într-un câmp magnetic precess (ca un vârf obișnuit sub influența cuplului creat de gravitație) la o frecvență care poate fi măsurată. În plus, o forță acționează asupra particulelor încărcate libere care se mișcă în unghi drept față de liniile de inducție magnetică, la fel ca curentul de electroni dintr-un conductor. Determină mișcarea particulei pe o orbită circulară, a cărei rază este dată de
R = mv/eB,
Unde m- masa particulelor, v- viteza sa, e este sarcina sa și B– inducția câmpului magnetic. Frecvența unei astfel de mișcări circulare este
Unde f măsurată în herți, e– în pandantive, m– în kilograme, B- în Tesla. Această frecvență caracterizează mișcarea particulelor încărcate într-o substanță situată într-un câmp magnetic. Ambele tipuri de mișcare (precesia și mișcarea de-a lungul orbitelor circulare) pot fi excitate prin alternarea câmpurilor cu frecvențe de rezonanță egale cu frecvențele „naturale” caracteristice unui material dat. În primul caz, rezonanța se numește magnetică, iar în al doilea - ciclotron (datorită asemănării sale cu mișcarea ciclică a unei particule subatomice într-un ciclotron).
Vorbind despre proprietățile magnetice ale atomilor, este necesar să se acorde o atenție deosebită momentului lor unghiular. Câmpul magnetic acționează asupra dipolului atomic rotativ, având tendința de a-l roti și de a-l plasa paralel cu câmpul. În schimb, atomul începe să preceseze în jurul direcției câmpului (Fig. 10) cu o frecvență care depinde de momentul dipol și de puterea câmpului aplicat.
Precesia atomică nu este direct observabilă, deoarece toți atomii dintr-o probă precesează într-o fază diferită. Dacă aplicăm un mic câmp alternativ direcționat perpendicular pe câmpul de ordonare constant, atunci se stabilește o anumită relație de fază între atomii care precedă și momentul lor magnetic total începe să preceadă cu o frecvență egală cu frecvența de precesiune a momentelor magnetice individuale. Important are viteza unghiulara precesiune. De regulă, această valoare este de ordinul a 10 10 Hz/T pentru magnetizarea asociată cu electronii și de ordinul a 10 7 Hz/T pentru magnetizarea asociată cu sarcini pozitive în nucleele atomilor.
O diagramă schematică a unei configurații pentru observarea rezonanței magnetice nucleare (RMN) este prezentată în Fig. 11. Substanţa studiată este introdusă într-un câmp constant uniform între poli. Dacă un câmp de radiofrecvență este apoi excitat folosind o bobină mică care înconjoară eprubeta, se poate obține o rezonanță la o frecvență specifică egală cu frecvența de precesiune a tuturor „giroscopului” nuclear din probă. Măsurătorile sunt similare cu reglarea unui receptor radio la frecvența unui anumit post.
Metodele de rezonanță magnetică fac posibilă studierea nu numai a proprietăților magnetice ale anumitor atomi și nuclee, ci și a proprietăților mediului lor. Cert este că câmpurile magnetice în solide iar moleculele sunt neomogene, deoarece sunt distorsionate de sarcinile atomice, iar detaliile cursului curbei de rezonanță experimentală sunt determinate de câmpul local din regiunea în care se află nucleul care precesează. Acest lucru face posibilă studierea caracteristicilor structurale ale unui anumit eșantion folosind metode de rezonanță.
Calculul proprietăților magnetice.
Inducția magnetică a câmpului Pământului este de 0,5 x 10 –4 T, în timp ce câmpul dintre polii unui electromagnet puternic este de aproximativ 2 T sau mai mult.
Câmpul magnetic creat de orice configurație de curenți poate fi calculat folosind formula Biot-Savart-Laplace pentru inducerea magnetică a câmpului creat de un element de curent. Calcularea câmpului creat de circuite de diferite forme și bobine cilindrice este în multe cazuri foarte complexă. Mai jos sunt formule pentru o serie de cazuri simple. Inducția magnetică (în tesla) a câmpului creat de un fir drept lung care transportă curent eu
Câmpul unei tije magnetizate de fier este similar cu câmpul extern al unui solenoid lung, numărul de spire amperaj pe unitate de lungime corespunzând curentului din atomii de pe suprafața tijei magnetizate, deoarece curenții din interiorul tijei se anulează. unul pe altul (Fig. 12). Sub numele de Ampere, un astfel de curent de suprafață se numește Ampere. Intensitatea câmpului magnetic H a, creat de curentul Amperi, este egal cu momentul magnetic pe unitatea de volum a tijei M.
Dacă o tijă de fier este introdusă în solenoid, atunci pe lângă faptul că curentul solenoidului creează un câmp magnetic H, ordonarea dipolilor atomici în materialul tijei magnetizate creează magnetizare M. În acest caz, fluxul magnetic total este determinat de suma curenților reali și amperilor, astfel încât B = m 0(H + H a), sau B = m 0(H+M). Atitudine M/H numit susceptibilitate magnetică și este notat cu litera greacă c; c– mărime adimensională care caracterizează capacitatea unui material de a fi magnetizat într-un câmp magnetic.
Magnitudinea B/H, care caracterizează proprietățile magnetice ale unui material, se numește permeabilitate magnetică și se notează prin m a, și m a = m 0m, Unde m a- absolut, și m- permeabilitatea relativă,
În substanţele feromagnetice cantitatea c poate avea valori foarte mari – până la 10 4 е 10 6 . Magnitudinea c Materialele paramagnetice au puțin mai mult decât zero, iar materialele diamagnetice au puțin mai puțin. Doar în vid și în câmpuri de mărime foarte slabe cŞi m sunt constante și independente de câmpul exterior. Dependența de inducție B din H este de obicei neliniar, iar graficele sale, așa-numitele. curbele de magnetizare pentru diferite materiale și chiar la diferite temperaturi pot diferi semnificativ (exemple de astfel de curbe sunt prezentate în Fig. 2 și 3).
Proprietățile magnetice ale materiei sunt foarte complexe, iar înțelegerea lor profundă necesită o analiză atentă a structurii atomilor, a interacțiunilor lor în molecule, a ciocnirilor lor în gaze și a influenței lor reciproce în solide și lichide; Proprietățile magnetice ale lichidelor sunt încă cele mai puțin studiate.