MAGNETI SI PROPRIETATILE MAGNETICE ALE MATERIEI
Cele mai simple manifestări ale magnetismului sunt cunoscute de foarte mult timp și sunt familiare pentru majoritatea dintre noi. Cu toate acestea, pentru a explica acestea aparent fenomene simple bazat pe principiile fundamentale ale fizicii a fost posibil doar relativ recent. 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 îndreptată 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 avea numele opus, iar polul 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 (B), este egală cu numărul de linii de inducție care trec în mod normal 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 I este situat perpendicular pe liniile de inducție, atunci 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 și lungimea curentului. a conductorului. Astfel, pentru inducția magnetică B putem scrie expresia
Unde F este forța în newtoni, I este curentul în amperi, l este lungimea în metri. Unitatea de măsură pentru inducția magnetică este tesla (T)
(vezi și ELECTRICITATE ȘI MAGNETISM).
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 H este egală cu forța de magnetizare pe unitatea de lungime a bobinei. Astfel, valoarea lui H se măsoară în amperi pe metru; determină magnetizarea dobândită de materialul din interiorul bobinei. În vid, inducția magnetică B este proporțională cu intensitatea câmpului magnetic H:
Unde m0 este așa-numitul constantă magnetică având o valoare universală de 4pХ10-7 H/m. În multe materiale, valoarea lui B este aproximativ proporțională cu H. Cu toate acestea, în materialele feromagnetice relația dintre B și H este ceva mai complexă (așa cum se discută mai jos). În fig. 1 prezintă un electromagnet simplu conceput pentru a prinde sarcini. Sursa de energie este o baterie 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 giganți 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 H relativ scăzute, apar inducții mari B, dar relația dintre aceste mărimi, în general, este neliniară datorită fenomenelor de saturație și histerezis, care sunt discutate mai jos. Ferro materiale magnetice sunt puternic atrași 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 inducerea B până la valori foarte mari de rezistență H este proporțional cu acesta - exact la fel cu ceea ce se întâmplă 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 dezactivat, paramagneții 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. Odată cu o creștere a intensității câmpului magnetic de la punctul inițial (zero) (1), magnetizarea are loc de-a lungul liniei întrerupte 1-2, iar valoarea lui 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. Dacă acum reducem treptat valoarea lui H la zero, atunci curba B(H) nu mai urmează calea anterioară, ci trece prin punctul 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 (segmentul 1-3). După schimbarea direcției câmpului de magnetizare în direcția opusă, curba B (H) trece de punctul 4, iar segmentul (1)-(4) corespunde forței coercitive care împiedică demagnetizarea. O creștere suplimentară a valorilor (-H) aduce curba de histerezis în al treilea cadran - secțiunea 4-5. Scăderea ulterioară a valorii (-H) la zero și apoi crește valori pozitive H va duce la închiderea buclei de histerezis prin punctele 6, 7 și 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 siliconice, a căror valoare 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. Aliajele hipernic (50% Ni, 50% Fe) și mu-metal (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr) se disting prin valori deosebit de mari ale permeabilității magnetice m la valori scăzute. de H, în timp ce în perminvar (45 % Ni, 30% Fe, 25% Co) valoarea lui m este practic constantă pe 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 mm3. 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, se iau doar orientări aleatorii ( Fig. 7, a). În materialele feromagnetice, în cadrul fiecărui domeniu există o interacțiune puternică între dipolii individuali, conducând la alinierea lor paralelă ordonată (Fig. 7b). 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. 7c). În cele din urmă, în materialele ferimagnetice (de exemplu, ferite) există atât o ordonare paralelă, cât și o ordonare antiparalelă (Fig. 7d), ceea ce are ca rezultat 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 o sârmă feromagnetică. 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 dezvălui structura domeniului unui magnet folosind metoda figurii de pulbere, o picătură dintr-o suspensie coloidală de pulbere feromagnetică (de obicei Fe3O4) este aplicată pe o suprafață bine lustruită a unui material magnetizat. Particulele de pulbere se depun în principal în locurile 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 învelișuri ale sale (K și L), cele mai apropiate de nucleu, sunt umplute cu electroni, prima dintre ele conținând doi, iar a doua conținând opt electroni. În învelișul K, spinul unuia dintre electroni este pozitiv, iar celălalt este negativ. În învelișul L (mai precis, în cele două subcopii ale sale), patru dintre cei opt electroni au spini pozitivi, iar ceilalți patru au spinuri negativi. În ambele cazuri, spinurile electronilor dintr-o înveliș sunt complet compensate, astfel încât momentul magnetic total este zero. În coajă M, situația este diferită, deoarece din cei șase electroni situati în al treilea subcotaj, cinci electroni au spini direcționați într-o direcție, iar doar al șaselea în cealaltă. Ca urmare, rămân patru rotiri necompensate, ceea ce determină proprietățile magnetice ale atomului de fier. (Există doar doi electroni de valență în învelișul exterior de N, care nu contribuie la magnetismul atomului de fier.) Magnetismul altor feromagneți, cum ar fi nichelul și cobaltul, este explicat într-un 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 (vezi mai sus). 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 îndreptată opus celei care acționează asupra materialelor fero- și paramagnetice.
Măsurarea proprietăților magnetice. Când studiem proprietățile magnetice, două tipuri de măsurători sunt cele mai importante. Prima dintre ele este măsurarea forței care acționează asupra unei probe lângă un 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 este masa particulei, v este viteza acesteia, e este sarcina sa și B este inducerea magnetică a câmpul. Frecvența unei astfel de mișcări circulare este
unde f se măsoară în herți, e - în coulombs, m - în kilograme, B - în tesla. Această frecvență caracterizează mișcarea particulelor încărcate într-o substanță situată într-un câmp magnetic. Ambele tipuri de mișcări (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 obicei, această valoare este de ordinul a 1010 Hz/T pentru magnetizarea asociată cu electronii și de ordinul a 107 Hz/T pentru magnetizarea asociată cu sarcini pozitive în nucleele atomilor. Diagrama schematică instalația pentru observarea rezonanței magnetice nucleare (RMN) este prezentată în Fig. 11. Substanța 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 boul și 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 precedă. 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 * 10 -4 Tesla, în timp ce câmpul dintre polii unui electromagnet puternic este de aproximativ 2 Tesla 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. Inductia magnetica (in tesla) a campului creat de un fir drept lung cu un curent I (amperi), la o distanta r (metri) de fir este
Inducția în centrul unei bobine circulare de rază R cu curentul I este egală (în aceleași unități):
O bobină de sârmă înfășurată strâns fără miez de fier se numește solenoid. Inducția magnetică creată de un solenoid lung cu numărul de spire N într-un punct suficient de îndepărtat de capete este egală cu
Aici, valoarea NI/L este numărul de amperi (amperi-tururi) pe unitatea de lungime a solenoidului. În toate cazurile, câmpul magnetic al curentului este direcționat perpendicular pe acest curent, iar forța care acționează asupra curentului în câmpul magnetic este perpendiculară atât pe curent, cât și pe câmpul magnetic. 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 Ha creat de curentul Amperi este egală cu momentul magnetic al unei unități 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 magnetizat al tijei creează magnetizarea M. În acest caz, fluxul magnetic total este determinată de suma curenților reali și amperilor, astfel încât B = m0(H + Ha), sau B = m0(H + M). Raportul M/H se numește susceptibilitate magnetică și este notat cu litera greacă c; c este o mărime adimensională care caracterizează capacitatea unui material de a fi magnetizat într-un câmp magnetic.
Valoarea B/H care caracterizează proprietățile magnetice
materialul se numește permeabilitate magnetică și se notează cu ma, cu ma = m0m, unde ma este absolut și m este permeabilitatea relativă, m = 1 + c. În substanțele feromagnetice, valoarea lui c poate avea valori foarte mari - până la 10 4-10 6. Valoarea lui c pentru materialele paramagnetice este puțin mai mare decât zero, iar pentru materialele diamagnetice este puțin mai mică. Numai în vid și în câmpuri foarte slabe mărimile c și m sunt constante și independente de câmpul exterior. Dependența inducției B de H este de obicei neliniară, iar graficele sale, așa-numitele. curbe de magnetizare, pt materiale diferiteși chiar și la temperaturi diferite 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. - câmpuri cu o putere H? 0,5 = 1,0 ME (granița este arbitrară). Valoarea inferioară a S. p.t. corespunde max. valoarea câmpului staționar = 500 kOe, roiul poate fi accesibil mijloacelor moderne. tehnologie, câmp superior 1 ME, chiar și pentru o perioadă scurtă de timp. impact asupra......
Enciclopedie fizică O ramură a fizicii care studiază structura și proprietățile solidelor. Date științifice privind microstructura solidelor și fizic și proprietăți chimice atomii lor constitutivi sunt necesari pentru dezvoltarea de noi materiale si dispozitive tehnice. Fizica......
Enciclopedia lui Collier Ramură a fizicii care acoperă cunoștințe despre electricitate statică atomii lor constitutivi sunt necesari pentru dezvoltarea de noi materiale si dispozitive tehnice. Fizica......
, curenții electrici și fenomene magnetice. ELECTROSTATICA Electrostatica se ocupa de fenomenele asociate cu sarcina electrica in repaus. Prezența forțelor care acționează între... ... atomii lor constitutivi sunt necesari pentru dezvoltarea de noi materiale si dispozitive tehnice. Fizica......
- (din greaca veche physis nature). Anticii numeau fizică orice studiu al lumii înconjurătoare și al fenomenelor naturale. Această înțelegere a termenului de fizică a rămas până la sfârșitul secolului al XVII-lea. Ulterior au apărut o serie de discipline speciale: chimia, care studiază proprietățile... ... atomii lor constitutivi sunt necesari pentru dezvoltarea de noi materiale si dispozitive tehnice. Fizica......
Termenul moment în relație cu atomii și nucleele atomice poate însemna următoarele: 1) moment de spin, sau spin, 2) moment dipol magnetic, 3) moment cvadrupol electric, 4) alte momente electrice și magnetice. Diverse tipuri...... Analog electric al feromagnetismului. Așa cum polarizarea magnetică reziduală (momentul) apare în substanțele feromagnetice când sunt plasate într-un câmp magnetic, în dielectricii feroelectrici plasați în,… … câmp electric
Folosim cookie-uri pentru cea mai buna prezentare a site-ului nostru. Continuând să utilizați acest site, sunteți de acord cu aceasta. Bine
Principalele mărimi vectoriale care caracterizează câmpul magnetic sunt inducția magnetică B și magnetizarea
Inducția magnetică B este o mărime vectorială determinată de efectul forțat al câmpului magnetic asupra curentului (vezi capitolul 21).
Magnetizarea J este momentul magnetic pe unitatea de volum a unei substanțe.
Pe lângă aceste două mărimi, câmpul magnetic este caracterizat de intensitatea câmpului magnetic H.
Trei cantități - - sunt legate între ele prin următoarea relație:
În SI, unitatea de inducție B este tesla sau în multipli de Wb/cm2, iar în sistemul SGSM este gauss).
Unitatea de magnetizare J și intensitatea câmpului H este amperul pe metru (A/m), iar în sistemul SGSM este oersted (Oe).
Magnetizarea J este un vector a cărui direcție se presupune că coincide cu direcția într-un punct dat:
Coeficientul și pentru substanțele feromagnetice este o funcție. Înlocuind (14.2) în (14.1) și notând obținem
unde este o constantă care caracterizează proprietățile magnetice ale vidului; - permeabilitate magnetică absolută.
În SI Pentru substanțele feromagnetice este o funcție.
Fluxul magnetic Ф printr-o anumită suprafață este fluxul vectorului de inducție magnetică prin această suprafață:
unde este un element de suprafață
Unitatea SI a fluxului magnetic este weber (Wb); în SGSM - maxwell.
La calcularea circuitelor magnetice, se folosesc de obicei două mărimi: inducția magnetică B și intensitatea câmpului magnetic.
Magnetizarea, de regulă, nu este utilizată în calcule [dacă este necesar, valoarea corespunzătoare valorilor corespunzătoare ale lui B și poate fi întotdeauna găsită folosind formula (14.1)].
Se știe că corpurile fero- și ferimagnetice constau din regiuni de magnetizare spontană. Starea magnetică a fiecărei regiuni este caracterizată de vectorul de magnetizare. Direcția vectorului de magnetizare depinde de tensiunile elastice interne și de structura cristalină a corpului feromagnetic.
Vectorii de magnetizare ai regiunilor individuale ale unui corp magnetic fero(ferri), care nu au fost afectați de un câmp magnetic extern, sunt la fel de probabil direcționați în direcții diferite. Prin urmare, în spațiul exterior acestui corp nu apare magnetizarea corpului. Dacă este plasat într-un câmp extern I, atunci sub influența sa vectorii de magnetizare a regiunilor individuale se vor roti în conformitate cu câmpul. În acest caz, inducerea câmpului rezultat în corp poate fi de multe ori mai mare decât inducția magnetică a câmpului extern înainte de plasarea corpului feromagnetic în el.
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:
unde este inducția câmpului magnetic în substanță; - inducerea magnetică a unui câmp în vid, - inducerea magnetică a unui câmp care apare ca urmare a magnetizării unei substanțe.
În acest caz, substanța poate fie să întărească, fie să slăbească câmpul magnetic. Influența unei substanțe asupra unui câmp magnetic extern este caracterizată de o valoare numită permeabilitatea magnetică a substanței
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.
Substanțele care slăbesc un câmp magnetic extern se numesc materiale diamagnetice(bismut, azot, heliu, dioxid de carbon, apă, argint, aur, zinc, cadmiu etc.).
Substanțe care sporesc câmpul magnetic extern - paramagneti(săruri de aluminiu, oxigen, platină, cupru, calciu, crom, mangan, cobalt etc.).
Pentru materiale diamagnetice >1. Dar în ambele cazuri diferența față de 1 este mică (câteva zecimii sau sute de miimi de unitate). Deci, de exemplu, pentru bismut = 0,9998 = 1,000.
Unele substanțe (fier, cobalt, nichel, gadoliniu și diferite aliaje) provoacă o îmbunătățire foarte mare a câmpului extern. Sunt numiti feromagneti. Pentru ei = 10 3 -10 5.
Ampere a fost primul care a explicat motivele pentru care corpurile au proprietăți magnetice. Conform ipotezei sale, în interiorul moleculelor și atomilor circulă curenți electrici elementari, care determină proprietățile magnetice ale oricărei substanțe.
S-a stabilit acum că toți atomii și particulele elementare au de fapt proprietăți magnetice. Proprietățile magnetice ale atomilor sunt determinate în principal de electronii pe care îi conțin.
Conform modelului semiclasic al atomului, propus de E. Rutherford și N. Bohr, electronii din atomi se mișcă în jurul nucleului pe orbite închise (la o primă aproximare, putem presupune că sunt circulari). Mișcarea unui electron poate fi reprezentată ca un curent circular elementar, unde e este sarcina electronului, v este frecvența de rotație a electronului pe orbita sa. Acest curent formează un câmp magnetic, care este caracterizat de un moment magnetic, modulul său este determinat de formula, unde S este aria orbitală.
Momentul magnetic al unui electron datorită mișcării sale în jurul nucleului se numește moment magnetic orbital. Momentul magnetic orbital este o mărime vectorială, iar direcția este determinată de regula șurubului drept. Dacă electronul se mișcă în sensul acelor de ceasornic (Fig. 1), atunci curenții sunt direcționați în sens invers acelor de ceasornic (în direcția de mișcare a sarcinii pozitive), iar vectorul este perpendicular pe planul orbital.
Deoarece planurile orbitale ale diferiților electroni dintr-un atom nu coincid, momentele lor magnetice sunt direcționate în unghiuri diferite unul față de celălalt. Momentul magnetic orbital rezultat al unui atom multielectron este egal cu suma vectorială a momentelor magnetice orbitale ale electronilor individuali.
Atomii cu învelișuri de electroni parțial umplute au un moment magnetic orbital necompensat. În atomii cu învelișuri de electroni pline, este egal cu 0.
Pe lângă momentul magnetic orbital, electronul mai are moment magnetic intrinsec (spin)., care a fost stabilit pentru prima dată de O. Stern și W. Gerlach în 1922. Existența unui câmp magnetic într-un electron a fost explicată prin rotația acestuia în jurul propriei axe, deși nu ar trebui să asemănăm literalmente electronul cu o bilă încărcată rotativă (sus ).
S-a stabilit în mod fiabil că câmpul magnetic al unui electron este aceeași proprietate integrală ca și masa și sarcina acestuia. Un electron, la o aproximare foarte grosieră, poate fi imaginat ca o minge foarte mică înconjurată de câmpuri electrice și magnetice (Fig. 2). Câmpurile magnetice ale tuturor electronilor sunt aceleași, la fel ca și masele și sarcinile lor. Momentul magnetic de spin este un vector direcționat de-a lungul axei de rotație. Poate fi orientat doar în două moduri: fie de-a lungul... fie împotriva... Dacă în locul în care se află electronul există un câmp magnetic exterior, atunci fie de-a lungul câmpului, fie împotriva câmpului. După cum se arată în fizica cuantică, în același stare energetică Pot exista doar doi electroni ale căror momente magnetice de spin sunt opuse (principiul Pauli).
În atomii multielectroni, momentele magnetice de spin ale electronilor individuali, ca și momentele orbitale, se adună ca vectori. În acest caz, momentul magnetic de spin rezultat al atomului pentru atomii cu învelișuri de electroni pline este egal cu 0.
Momentul magnetic total al unui atom (molecule) este egal cu suma vectorială a momentelor magnetice (orbitale și spin) ale electronilor care intră în atom (moleculă):
Diamagneții constau din atomi care, în absența unui câmp magnetic extern, nu au propriile momente magnetice, deoarece toate spinurile și toate momentele magnetice orbitale sunt compensate pentru ei.
Un câmp magnetic extern nu acționează asupra întregului atom al unui material diamagnetic, ci acționează asupra electronilor individuali ai atomului, ale căror momente magnetice sunt diferite de zero. Lasă să intre în acest moment viteza electronului formează un anumit unghi (Fig. 3) cu inducerea magnetică a câmpului extern.
Datorită componentei, electronul va fi acționat de forța Lorentz (direcționată către noi în Fig. 3), care va provoca o mișcare suplimentară (pe lângă alte mișcări la care electronul participă în absența unui câmp) cerc. Dar această mișcare reprezintă un curent circular suplimentar, care va crea un câmp magnetic caracterizat printr-un moment magnetic (indus), îndreptat după regula șurubului drept spre. Ca urmare, materialele diamagnetice slăbesc câmpul magnetic extern.
Paramagneții constau din atomi al căror moment magnetic atomic net este . În absența unui câmp exterior, aceste momente sunt orientate aleatoriu și substanța în ansamblu nu creează un câmp magnetic în jurul ei. Când materialele paramagnetice sunt plasate într-un câmp magnetic, preferenţial orientarea vectorilor de-a lungul câmpului (aceasta este împiedicată de mișcarea termică a particulelor). Astfel, materialul paramagnetic este magnetizat, creându-și propriul câmp magnetic, care coincide în direcție cu câmpul exterior și îl intensifică. Acest efect se numește paramagnetic. Când câmpul magnetic extern este slăbit la zero, orientarea momentelor magnetice datorate mișcării termice este perturbată și paramagnetul este demagnetizat. În materialele paramagnetice se observă și un efect diamagnetic, dar este mult mai slab decât efectul paramagnetic.
Substanțele plasate în MP se comportă diferit. O serie de materiale, cum ar fi aurul, argintul, cuprul, zincul etc., slăbesc ușor câmpul magnetic din interiorul substanței. Se numesc diamagnetice. platină, magneziu, aluminiu, crom, paladiu, metale alcaline, oxigenul etc., dimpotrivă, crește ușor MP. Se numesc paramagneți.
Substanțele în care MF intrinsec (intern) poate fi de sute și mii de ori mai mare decât MF extern care a provocat-o se numesc feromagneți. Acestea includ fierul (Fe), cobalt (Co), nichel (№), unele elemente de pământuri rare, precum si aliaje pe baza acestor elemente.
În inginerie electrică, se obișnuiește să se împartă toate substanțele în magnetice (feromagnetice) și nemagnetice (diamagnetice și paramagnetice).
Deoarece câmpul magnetic din materialele nemagnetice practic nu se modifică atunci când sunt expuse la un câmp magnetic extern, feromagneții sunt de interes deosebit.
Ferromagnetismul se datorează prezenței unor regiuni magnetizate într-o substanță - domenii în care momentele magnetice ale atomilor au aceeași direcție. În principiu, fiecare domeniu este un mic magnet.
Un feromagnet este format dintr-un număr mare de domenii, care, în absența unui câmp magnetic extern, sunt orientate în mod arbitrar, astfel încât feromagnetul să rămână nemagnetic. Când un feromagnet este plasat într-un MF extern, domeniile încep să fie orientate în direcția liniilor de câmp ale MF extern. Odată cu o creștere suplimentară a puterii MF externe, toate domeniile sunt stabilite de-a lungul liniilor câmpului magnetic. Are loc saturația magnetică și magnetizarea aproape că nu crește. Dacă acum reducem puterea câmpului magnetic extern la zero, atunci orientarea domeniilor va fi doar parțial perturbată, astfel încât magnetizarea feromagnetului scade, dar nu la zero. Pentru a distruge magnetizarea reziduală a probei, este necesar să se aplice un MF extern în direcția opusă. Intensitatea unui astfel de câmp magnetic se numește forță coercitivă N s. Pentru fiecare material feromagnetic există o temperatură peste care dispar proprietățile sale feromagnetice. Se numește punctul Curie. Pentru fier, punctul Curie este de 768 °C, pentru nichel - 358 °C, iar pentru cobalt - 1120 °C.
Pentru a calcula inducția MF ÎNîntr-un feromagnet, se folosește o expresie care ia în considerare capacitatea de magnetizare a materialului, B =|d 0 | l g N = |l a N, Unde N- tensiune externă MF; x g- permeabilitatea magnetică relativă a materialului; |i a este permeabilitatea magnetică absolută a materialului.
Proprietățile feromagneților de magnetizare sunt luate în considerare |d (., deci pentru feromagneți »1, în timp ce pentru materialele nemagnetice C,. = 1.
Principalele caracteristici ale feromagneților sunt curba de magnetizare B(H)și o buclă de histerezis (Fig. 6.5, a). Pentru a obține o buclă de histerezis, este necesar să creșteți treptat N de la zero la /У 1тх, apoi descreșteți de la N la -N
După un număr de cicluri de magnetizare, se va obține o curbă închisă, care se numește buclă de histerezis. La diferite valori ale /Umax, se obține o familie de bucle de histerezis (Fig. 6.5,6). Dacă mărimea intensității câmpului magnetic depășește valoarea la care are loc saturația magnetică, i.e. /U ||gah > hs, atunci dimensiunile buclei nu mai cresc, cresc doar zonele fără histerezis (1-2 și 5-6 în fig. 6.5, a). O astfel de buclă se numește buclă de histerezis limită.
Orez. 6.5. Curbele de magnetizare ale feromagneţilor: a - bucla de histerezis; b - cicluri parțiale și limită
Magnetizarea materialului feromagnetic, plasat mai întâi în MP, se realizează de-a lungul liniei 0-1. Punctele 8 și 4 ale buclei de histerezis limită corespund forței coercitive //.(-//.), iar punctele 3 și 7 dau valorile inducției reziduale V g (~V G).
Prin conectarea vârfurilor din familia tuturor curbelor de histerezis, obținem curba principală de magnetizare a feromagnetului. Această curbă este utilizată în principal în calculele tehnice și este aproape identică cu curba de magnetizare originală 0-1 (vezi Fig. 6.5, a). Pentru comoditate, este dat numai pentru valori pozitive.
Orez. 6.6.
1 - moale magnetic; 2 - dur magnetic
În fig. Figura 6.6 prezintă buclele de histerezis pentru diferite materiale magnetice. În funcție de valoarea forței coercitive, toate materialele magnetice sunt de obicei împărțite în magnetice moi (curba 1) și magnetice dure (curba 2).
Moale magnetic materialele au coercivitate scăzută și o buclă de histerezis relativ îngustă. Acest grup include oțel electric, permalloy și ferite. Aceste materiale sunt folosite în dispozitive electrice, cum ar fi mașini electrice, transformatoare, dispozitive electrice etc.
Magnetic-dur materialele au o forță coercitivă mare și o buclă largă de histerezis. Fiind magnetizate, ei păstrează magnetizarea chiar și după ce câmpul de magnetizare este îndepărtat. Magneții permanenți sunt fabricați din astfel de materiale, care sunt utilizate pe scară largă în diferite dispozitive.
Magnetizarea materiei. Magneții permanenți pot fi fabricați din relativ puține substanțe, dar toate substanțele plasate într-un câmp magnetic sunt magnetizate, adică ele însele devin surse de câmp magnetic. Ca urmare, vectorul de inducție magnetică în prezența materiei diferă de vectorul de inducție magnetică în vid.
Ipoteza lui Ampere. Motivul pentru care corpurile au proprietăți magnetice a fost stabilit de omul de știință francez Ampere. În primul rând, sub impresia directă a observării unui ac magnetic care se învârte lângă un conductor care poartă curent în experimentele lui Oersted, Lmyer a sugerat că magnetismul Pământului a fost cauzat de curenții care trec în interior. glob. S-a făcut pasul principal: proprietățile magnetice ale unui corp pot fi explicate prin curenții care circulă în interiorul acestuia. În plus, Ampere a ajuns la o concluzie generală: proprietățile magnetice ale oricărui corp sunt determinate de curenții electrici închisi din interiorul acestuia. Acest pas decisiv de la posibilitatea de a explica proprietățile magnetice ale unui corp prin curenți până la afirmația categorică că interacțiunile magnetice sunt interacțiunile curenților este o dovadă a marelui curaj științific al lui Ampere.
Conform ipotezei lui Ampere, curenții electrici elementari circulă în interiorul moleculelor și atomilor. (Acum știm bine că acești curenți se formează datorită mișcării electronilor în atomi.) Dacă planurile în care circulă acești curenți sunt situate aleatoriu unele în raport cu altele datorită mișcării termice a moleculelor (Fig. 1.28, a) , atunci acțiunile lor sunt compensate reciproc, iar corpul nu prezintă nicio proprietăți magnetice. În stare magnetizată, curenții elementari din corp sunt orientați astfel încât acțiunile lor să se însumeze (Fig. 1.28, b).
Ipoteza lui Ampere explică de ce un ac magnetic și un cadru (circuit) cu un curent într-un câmp magnetic se comportă la fel (vezi § 2). Săgeata poate fi considerată ca o colecție de circuite de curent mici, orientate în același mod.
Cele mai puternice câmpuri magnetice sunt create de substanțe numite feromagneți. Câmpurile magnetice sunt create de feromagneți nu numai datorită rotației electronilor în jurul nucleelor, ci și datorită propriei rotații.
Momentul de rotație propriu al electronului (momentul unghiular) se numește spin. Electronii par să se rotească întotdeauna în jurul axei lor și, având o sarcină, creează un câmp magnetic împreună cu câmpul care apare datorită mișcării lor orbitale în jurul nucleelor. În feromagneți, există regiuni cu orientări paralele de spin numite domenii; dimensiunile domeniilor sunt de aproximativ 0,5 µm. Orientarea paralelă a spinurilor oferă un minim de energie potențială. Dacă feromagnetul nu este magnetizat, atunci orientarea domeniilor este haotică, iar câmpul magnetic total creat de domenii este zero. Când un câmp magnetic extern este pornit, domeniile sunt orientate de-a lungul liniilor de inducție magnetică ale acestui câmp, iar inducția câmpului magnetic în feromagneți crește, devenind de mii și chiar milioane de ori mai mare decât inducerea câmpului extern.
Temperatura Curie. La temperaturi peste unele specifice pentru un anumit feromagnet, proprietățile feromagnetice ale acestuia dispar. Această temperatură se numește temperatura Curie după omul de știință francez care a descoperit acest fenomen. Dacă încălzești prea fierbinte un cui magnetizat, acesta își va pierde capacitatea de a atrage obiecte de fier. Temperatura Curie pentru fier este de 753 °C, pentru nichel 365 °C, iar pentru cobalt 1000 °C. Există aliaje feromagnetice cu o temperatură Curie mai mică de 100 °C.
Primele studii detaliate ale proprietăților magnetice ale feromagneților au fost efectuate de remarcabilul fizician rus A. G. Stoletov (1839-1896).
Feromagneții și aplicațiile lor. Deși nu există atât de multe corpuri feromagnetice în natură, proprietățile lor magnetice sunt cele care au primit cele mai mari aplicare practică. Miezul de fier sau oțel din bobină amplifică câmpul magnetic pe care îl creează de multe ori fără a crește curentul din bobină. Acest lucru economisește energie. Miezurile transformatoarelor, generatoarelor, motoarelor electrice etc. sunt realizate din feromagneți.
Când câmpul magnetic extern este oprit, feromagnetul rămâne magnetizat, adică creează un câmp magnetic în spațiul înconjurător. Acest lucru se explică prin faptul că domeniile nu revin la poziția anterioară și orientarea lor este parțial păstrată. Acesta este motivul pentru care există magneții permanenți.
Magneții permanenți sunt utilizați pe scară largă în instrumentele electrice de măsurare, difuzoare și telefoane, dispozitive de înregistrare a sunetului, busole magnetice etc.
Feritele, materiale feromagnetice care nu conduc curentul electric, sunt utilizate pe scară largă. Ei reprezintă compuși chimici oxizi de fier cu oxizi ai altor substanţe. Unul dintre materialele feromagnetice cunoscute - minereul de fier magnetic - este ferita.
Înregistrarea magnetică a informațiilor. Benzile magnetice și filmele magnetice subțiri sunt fabricate din materiale feromagnetice. Benzile magnetice sunt utilizate pe scară largă pentru înregistrarea sunetului în casetofon și pentru înregistrarea video în VCR.
Banda magnetică este o bază flexibilă din clorură de polivinil sau alte substanțe. Se aplică un strat de lucru sub formă de lac magnetic, constând din particule foarte mici de fier sau alt material feromagnetic și lianți în formă de ac.
Sunetul este înregistrat pe bandă folosind un electromagnet, al cărui câmp magnetic se modifică în timp odată cu vibrațiile sonore. Pe măsură ce banda se mișcă în apropierea capului magnetic, diferite secțiuni ale filmului sunt magnetizate. Circuitul capului de inducție magnetică este prezentat în Figura 1.29, a, unde 1 este miezul electromagnetului; 2 - banda magnetica; 3 - decalaj de lucru; 4 - înfășurare electromagnet.
La redarea sunetului, se observă procesul opus: banda magnetizată excită semnale electrice în capul magnetic, care, după amplificare, sunt trimise la difuzorul reportofonului.
Filmele magnetice subțiri constau dintr-un strat de material feromagnetic cu o grosime de 0,03 până la 10 microni.
Sunt utilizate în dispozitivele de stocare ale calculatoarelor electronice (calculatoare). Filmele magnetice sunt concepute pentru înregistrarea, stocarea și reproducerea informațiilor. Ele sunt aplicate pe un disc subțire sau pe un tambur de aluminiu. Informațiile sunt înregistrate și reproduse aproape în același mod ca într-un magnetofon convențional. Înregistrarea informațiilor într-un computer se poate face și pe benzi magnetice.
Dezvoltarea tehnologiei de înregistrare magnetică a dus la apariția microcapetelor magnetice, care sunt utilizate în computere, permițând crearea unei densități de înregistrare magnetice inimaginabile anterior. Un hard disk feromagnetic cu un diametru mai mic de 8 cm stochează până la câțiva teraocteți (10 12 octeți) de informații. Citirea și scrierea informațiilor pe un astfel de disc se realizează cu ajutorul unui microcap situat pe pârghia rotativă (Fig. 1.29, b). Discul în sine se rotește cu o viteză enormă, iar capul plutește deasupra lui în fluxul de aer, ceea ce împiedică posibilitatea deteriorare mecanică disc.
Toate substanțele plasate într-un câmp magnetic își creează propriul câmp. Cele mai puternice câmpuri sunt create de feromagneți. Sunt folosiți pentru a face magneți permanenți, deoarece câmpul feromagnetic nu dispare după ce câmpul de magnetizare este oprit. Feromagneții sunt folosiți pe scară largă în practică.
1. Ce substante se numesc feromagneti!
2. În ce scopuri sunt utilizate materialele feromagnetice?
3. Cum se înregistrează informațiile într-un computer!