Виды и свойства магнетиков
Содержание
Введение:
магнитное поле
I.
Классификация магнетиков
.
Диамагнетики
.
Парамагнетики
.
Ферромагентики.
.
Ферромагнитная жидкость
.
Ферримагнетики
II.
Магниты: постоянные и электрические
Заключение
Список
используемой литературы
Введение: магнитное поле
Еще в прошлом веке было установлено, что в
пространстве вокруг провода с электрическим током возникают магнитные силы,
действующие на другие проводники с током и на различные вещества. Особенно
большое влияние магнитные силы оказывают на тела, состоящие из железа, стали и
некоторых сплавов. Эти силы передаются с помощью материальной среды, которая
находится в особом напряженном состоянии и называется магнитным полем.
Магнитное поле всегда создается движущимися электрическими зарядами. Неподвижные
заряды не могут создать магнитного поля. Вокруг них, как мы знаем, образуется
электростатическое поле. Само магнитное поле действует только на движущиеся
электрические заряды. На неподвижные заряды магнитное поле не действует.
Магнитное поле обладает способностью проникать
через многие вещества: воздух, стекло, бумагу, картон, медь, воду, а так же
через разряженное (безвоздушное) пространство. Таким образом, вокруг проводника
с током магнитное поле образуется в любых веществах. По современным физическим воззрениям
магнитное поле представляет собой вид материи. Так как магнитное поле действует
на различные предметы и может приводит их в движение, то ясно, что оно обладает
энергией.
Магнитное поле, характеристики которого не
изменяются с течением времени, называют стационарным (постоянным). В противном
случае магнитное поле является нестационарным (переменным). Магнитные силы
действуют в магнитном поле по определенным направлениям, которые называют
магнитными силовыми линиями (МСЛ). С их помощью удобно и наглядно показывать
магнитное поле в том или ином случае. Изображение магнитного поля в виде
совокупности некоторого числа силовых линий является довольно грубым и
неточным. В действительности магнитное поле заполняет все пространство и через
любую его точку проходит какая-то силовая линия. Однако для простоты для
простоты изображают лишь некоторое число силовых линий, показывающих наиболее
характерные особенности структуры поля. Магнитные силовые линии всегда являются
замкнутыми в отличие от электрических силовых линий, которые, как правило,
начинаются на одном электрическом заряде и заканчиваются на другом. Направление
магнитных силовых линий выбрано условно в соответствии с так называемым
правилом бура: если ввинчивать винт по направлению тока, то МСЛ будут
направлены по вращению винта. Иначе говоря, если смотреть вдоль провода по
направлению тока, то МСЛ будут направлены по часовой стрелке. Следует заметить,
что в электромагнетизме направление тока принимается условное, т. е. от плюса к
минусу.
Магнитное поле характеризуется магнитной
индукцией В. Она связана с густотой расположения МСЛ. Чем сильнее поле в данном
месте пространства, тем гуще в нем расположены МСЛ и тем больше магнитная
индукция. Поэтому МСЛ также называют линиями магнитной индукции. Если в некоторой
области МСЛ расположены равномерно, то поле в этой области называют однородным.
Магнитная индукция В в нем везде одна и та же.
Магнитное поле: а) проводника с током; б)
катушки.
а) б)
Для характеристики силы магнитного поля вместо
магнитной индукции В часто применяют напряженность магнитного поля Н, которая
пропорциональна магнитной индукции и связана с нею следующим соотношением:
здесь ϻа
есть
так называемая абсолютная магнитная проницаемость. Она характеризует магнитные
свойства среды, в которой создано магнитное поле. Напряженность магнитного поля
измеряется в амперах на метр (А/м).
Магнитное поле, пронизывающее какую-либо
площадь, называют магнитным потоком. Если такую площадь пронизывают все МСЛ
данного поля, то говорят о полном магнитном потоке. Очевидно, что можно
рассматривать частичный магнитный поток, составляющий лишь часть полного
потока. Магнитный поток обозначается буквой Ф и измеряется в веберах (Вб). Эта
единица измерения названа в честь немецкого ученого В. Вебера. Ранее магнитный
поток выражали в максвеллах (Мкс), названных в честь английского физика Д.
Максвелла, сделавшего выдающиеся исследования в теории электромагнетизма. Один
максвелл составляет 10-8 вебера.
Поскольку магнитная индукция связана с густотой
МСЛ, то число силовых линий, проходящих через 1 см2 площади
поперечного сечения магнитного потока, пропорционально магнитной индукции В.
Тогда общее число МСЛ, проходящих через площадь S,
перпендикулярно к ней, для однородного поля пропорционально произведению BS
и определяет магнитный поток Ф, пронизывающий площадь S,
т.е.
Ф=BS,
отсюда В=Ф/S, т.е. магнитная индукция
представляет собой плотность магнитного потока. Если Ф=1 Вб и S=1 м2,
то В=1. Эта единица измерения магнитной индукции названа в честь югославского
ученого Н.Тесла-тесла (Тс). Таким образом, 1 Тс=1 Вб/м2. Ранее
применялась единица измерения магнитной индукции гаусс (Гс), названная в честь
немецкого математика К.Гаусса, причем 1 Тс=104 Гс.
магнетик поле электрический
I. Классификация
магнетиков
Магнетиками называются все вещества, способные
намагничиваться во внешнем магнитном поле, т.е. создавать собственное
(внутренне) магнитное поле самого вещества. Магнетики подразделяются по своим
магнитным свойствам на слабомагнитные и сильномагнитные вещества. К
слабомагнитным веществам относятся парамагнетики и диамагнетики. Основную
группу сильномагнитных веществ составляют ферромагнетики. Слабо- и
сильномагнитные вещества отличаются величиной относительной магнитной проницаемости
ϻ.
Абсолютная магнитная проницаемость среда (ϻа)
- величина, являющуюся коэффициентом, отражающим магнитные свойства среды:
ϻа=ϻ0ϻ,
где ϻ0=4π.10-7
(Ом.с)/м - магнитная постоянная, характеризующая магнитные свойства
вакуума. Единицу (Ом.с) называют генри (Гн).
Величину ϻ,
называют относительной магнитной проницаемостью среды. Она показывает, во
сколько раз индукция поля, созданного током в данной среде, больше или меньше,
чем в вакууме, и является безразмерной величиной. Магнитная проницаемость
является важной величиной, характеризующей магнитные свойства различных
веществ. Для слабо магнитных веществ ϻ
не значительно отличается от 1: для диамагнетиков ϻ≤1,
для парамагнетиков ϻ≥1. Кроме
того, ϻ
для слабомагнитных веществ не зависит от индукции В0 того магнитного
поля, в котором намагничиваются вещества. Для сильномагнитных веществ ϻ»1
и зависит от В0.
1) Диамагнетики
Называются вещества, у которых атомы или
молекулы в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют магнитных
маментов.Атомы таких веществ называются диамагнитными атомами.
При внесении диамагнитного вещества в магнитное
Ii поле в каждом его атоме (или молекуле) ΔРmi
B0
индуцируется некоторый дополнительный атомный (или молекулярный) индукционный
ток Ii,
с магнитным моментом ΔРmi.
Вектор ΔРmi
направлен противоположно вектору B0
магнитной
индукции внешнего магнитного поля. Вектор ΔРmi
и индукционный ток Ii
по правилу Ленца должны иметь такое направление, чтобы магнитное поле,
созданное наведенными токами, было противоположно намагничивающему внешнему
полю. Суммарное магнитное поле, созданное наведенными во всех атомах
(молекулах) индукционными токами, является собственным (внутренним) магнитным
полем. Вектор магнитной индукции внутреннего поля направлен противоположно
вектору индукции внешнего, намагничивающего поля. В этом и заключается
намагничивание диамагнитного вещества. Если воздействие намагничивающего поля
прекращается, то исчезают индукционные токи в атомах (молекулах) и диамагнитные
свойства исчезают (размагничивание диамагнетика). На возникновение индукционных
токов в атомах (молекулах) не влияет тепловое, хаотическое движение атомов
(молекул). Поэтому диамагнитные свойства вещества не зависят от температуры.
Диамагнетизм является универсальным свойством
всех веществ, так как а атомах (молекулах) любых веществ, помещенных в
магнитное поле, наводятся индукционные токи. Однако диамагнетизм является очень
слабым эффектом. Поэтому диамагнитные свойства наблюдаются только у тех
веществ, у которых эти свойства являются единственными и не маскируются
другими, более сильными магнитными свойствами.
) Парамагнетики
Атомы (молекулы) обладающие некоторым магнитным
моментом Рм называются парамагнитными, а состоящие из них вещества -
парамагнетиками. Магнитные моменты атомов (молекул) парамагнетика зависят от
строения атомов (молекул), постоянны для данного вещества и не зависят от
внешнего магнитного поля.
В отсутствие магнитного поля тепловое движение
атомов (молекул) парамагнетика и их соударения между собой препятствуют
возникновению упорядоченного расположения векторов Рм магнитных
моментов отдельных атомов (молекул). Поэтому в парамагнитном веществе в
отсутствие внешнего магнитного поля атомные (молекулярные) токи не создают
результирующего магнитного поля. Вещество не намагничивается - в нем не
возникает собственного (внутреннего) магнитного поля.
При внесении парамагнетика во внешнее однородное
магнитное поле каждый атомный (молекулярный) ток стремиться расположиться так,
чтобы вектор его магнитного момента был ориентирован параллельно вектору В0
индукции внешнего поля. Этому препятствует тепловое движение атомов (молекул).
Совместное действие магнитного поля и теплового движения приводит к тому, что
возникает преимущественная ориентация магнитных моментов атомов (молекул) по
направлению внешнего магнитного поля.
Парамагнетик в слабом магнитном поле
<#"583777.files/image006.gif"> <#"583777.files/image007.gif">
намагничивание практически остается
постоянным, равным Iн
(намагничивание насыщения), ϻ0-магнитная постоянная в СИ.
Значительное увеличение магнитного
потока в ферромагнитных телах объясняется тем, что такие тела под действием
внешнего магнитного поля намагничиваются и создают собственное магнитное поле.
Оно складывается с намагничивающим полем и результирующее поле становиться
более сильным.
На рисунке показано изменение
магнитного поля, когда в него помещен ферромагнетик. Силовые линии втягиваются
в этот предмет и в нем получается значительно более сильный магнитный поток,
нежели в окружающем пространстве. Данные явления наблюдаются только у
ферромагнитных веществ. При нормальных температурах они имеют кристаллическое
строение. Маленькие кристаллы ферромагнитных веществ состоят из отдельных
намагниченных областей, называемых доменами и имеющих размеры около 10-2-10-3
см. В каждом домене магнитные поля атомов расположены в определенном порядке,
т.е. имеют одинаковые направления. В ненамагниченном теле магнитные поля
доменов имеют различные направления. Под действием внешнего магнитного поля у
части атомов, находящихся внутри доменов, магнитные поля поворачиваются и
получают направления вдоль внешнего поля. Иначе говоря, домены, имеющие свое
поле, почти совпадающее по направлению с внешним полем, увеличиваются в
размерах за счет соседних доменов. Возникает сильное результирующее поле. Чем
сильнее внешнее намагничивающее поле, Тем более строгий порядок наблюдается в
расположении элементарных магнитных полей доменов и тем сильнее общий магнитный
поток. При достаточно сильном намагничивающем поле магнитные поля всех доменов принимают
одинаковые направления. Дальнейшее увеличение намагничивания становиться
невозможным. Такое состояние ферромагнитного тела называется магнитным
насыщением.
Процесс намагничивания
ферромагнитного вещества наглядно отражает кривая намагничивания. Она
показывает зависимость магнитного потока Ф или магнитной индукции В от
напряженности намагничивающего поля Н. Как видно сначала при увеличении Н
наблюдается быстрый рост магнитного потока (при малых значениях Н это
возрастание происходит несколько медленнее).
Направления магнитных полей доменов в
ферромагнитном веществе: А) в отсутствие внешнего магнитного поля; Б) при
внешнем намагничивающем поле; В) при магнитном насыщении.
Но при некотором значении Н увеличение магнитного
потока замедляется и далее почти Ф или В прекращается, т.е. наступает магнитное
насыщение.
Кривая намагничивания ферромагнитного вещества
Небольшое увеличение магнитного потока при
насыщении происходит за счет того, что растет внешнее намагничивающее поле.
Из рассмотрения кривой намагничивания 0 Н можно
сделать вывод, что магнитная ферромагнитного вещества. Кривая намагничивания
проницаемость у ферромагнитных веществ не является постоянной, а зависит от Н.
Действительно, магнитная проницаемость ϻ=В/ϻ0Н
могла бы оставаться постоянной только тогда, когда величина В изменялась бы
пропорционально Н, т.е. если бы кривая намагничивания представляла собой прямую
линию, проходящую через начало координат. Кривая намагничивания показывает, что
В изменяется не пропорционально Н, поэтому ϻ
при возрастании Н сначала растет, а при переходе к магнитному насыщению она
уменьшается.
Зависимость магнитной проницаемости от
напряженности намагничивающего поля
Если ферромагнитное тело намагнитить с помощью
внешнего магнитного поля, а затем уменьшить напряжённость этого поля до нуля,
то тело размагничивается не полностью. В нем обнаруживается остаточный
магнетизм. Это объясняется тем, что не все домены под влиянием имеющегося в
каждом теле теплового движения возвращаются к беспорядочному состоянию.
Остаточный магнетизм может быть показан с помощью кривой намагничивания. Если
тело вначале не было намагничено, то при возрастании Н магнитный поток изменяется
по кривой ОА. Пусть теперь Н уменьшается. Тогда магнитный поток Ф будет
изменяться не по той же кривой ОА, а по кривой АБ, которая расположена выше ОА.
Изменение магнитного потока отстает от изменений намагничивающего поля. Такое
отставание называется магнитным гистерезисом.
Кривая намагничивания и перемагничивания
ферромагнитного вещества
Кривая размагничивания ДЕ не совпадает с кривой
ГД. При Н=0 снова наблюдается остаточный магнетизм (отрезок ОЕ), и для его
уничтожения необходимо иметь Н, соответствующую отрезку ОЖ. Таким образом, если
осуществлять перемагничивание, т.е. намагничивание и размагничивание, то оно
будет проходить по кривой АБГДЕЖА, котрую принято называть петлей гистерезиса.
Форма и размеры этой кривой различны для разных ферромагнитных материалов.
Ферромагнитные вещества делятся на две группы. К
магнитомягким материалам, относиться железо,мягкая(незакаленная) сталь, а также
ряд других материалов, которые легко намагничиваются. В них можно получить
высокие значения магнитной индукции при сравнительно небольших напряженностях
намагничивающего поля. Но зато они легко размагничиваются, и поэтому в них
наблюдается очень небольшой остаточный магнетизм. Магнитожесткие (или
магнитотвердые) материалы намагнитить труднее. К ним относиться закаленная
сталь и стальные сплавы,содержпшие вольфрам, хром, молибден,алюминий, никель,
кобальт и другие материалы. Для их намагничивания необходимо значительно более
сильное поле, но зато они характеризуются большей коэрцитивной силой, т.е. их
труднее размагнитить. В таких материалах может существовать большой
остаточный магнетизм.
Петля гистерезиса: а) магнитомягкого (кривая 1),
магнитотвердого (кривая 2); б)прямоугольная петля гистерезиса.
В последние годы в радиоэлектронной аппаратуре
находят все более широкое применение ферромагнитные материалы с прямоугольной
петлей гистерезиса. Пример такой петли показан выше на рисунке б. Как видно, ее
форма действительно приближается к прямоугольнику. Такие материалы характерны
тем, что при изменении напряженности намагничивающего поля в них происходит
резкий переход из одного намагниченного состояния в другое, при котором
направление магнитного потока изменяется на противоположное.
Тепловое движение атомов ферромагнитных веществ
способствует уменьшению величины остаточного намагничивания. Поэтому с
повышением температуры остаточное намагничивание уменьшается. При достижении
температуры, равной температуре (точке) Кюри, остаточное намагничивание
полностью исчезает - области самопроизвольной намагниченности распадаются, и
вещество теряет ферромагнитные свойства.
4) Ферромагнитная жидкость.
Ферромагнитная жидкость (ФМЖ,
магнитная жидкость, феррофлюид) - жидкость
<#"583777.files/image015.gif"> <#"583777.files/image016.gif"> <#"583777.files/image017.gif"> <#"583777.files/image018.gif"> <#"583777.files/image019.gif">
Постоянные магниты и электромагниты
имеют широкое применение. Они являются основной составной частью большинства
громкоговорителей и телефонов. Возникновение и исчезновение магнитного поля
электромагнитов при размыкании и замыкании тока используется в электрических
звонках, зуммерах и вибропреобразователей, которые периодически автоматически
прерывают электрическую цепь. На подобном же принципе основана работа
электромагнитных реле, служащих для включения и выключения электрических цепей.
Реле широко используются в радиоаппаратуре ,автоматике и телемеханике,
проводной связи, на электростанциях, в различном электрооборудовании.
Электромагниты и постоянные магниты также применяются в электрических машинах,
трансформаторах, телеграфных аппаратах, электроизмерительных приборах и во
многих других устройствах. Ферромагнитные жидкости используются для создания
жидких уплотнительных устройств
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%83%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE>
вокруг вращающихся осей в жёстких дисках
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%96%D1%91%D1%81%D1%82%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%B4%D0%B8%D1%81%D0%BA>.
Вращающаяся ось окружена магнитом, в зазор между магнитом и осью помещено
небольшое количество ферромагнитной жидкости, которая удерживается притяжением
магнита. Жидкость образует барьер, препятствующий попаданию частиц извне внутрь
жёсткого диска. Ферромагнитная жидкость также используются во многих динамиках
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%BA%D0%BE%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C>
для высоких частот, для отвода тепла от звуковой катушки. Одновременно она
работает механическим демпфером
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D1%84%D0%B5%D1%80>,
подавляя нежелательный резонанс
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D1%81>.
Ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре вокруг звуковой катушки сильным
магнитным полем, находясь одновременно в контакте с обеими магнитными
поверхностями и с катушкой. Ферромагнитная жидкость способна снижать трение
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5>.
Нанесенная на поверхность достаточно сильного магнита, например неодимового
<http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%9D%D0%B5%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82&action=edit&redlink=1>,
она позволяет магниту скользить по гладкой поверхности с минимальным
сопротивлением.
Заключение
В современном мире очень велико значение
электричества. Человек внедрил электроприборы практически во все сферы своей
жизнедеятельности, а практически в каждом приборе в той или иной степени использованы
магнетики. Их свойства позволяют широко использовать их во всех сферах науки и
техники: экранирование проводов позволят избежать ненужных потерь и шумов при
передаче энергии и информации, открытие новых сплавов с различными магнитными
свойствами позволяет расширить спектр применения магнетиков, а открытие
ферромагнитной жидкости открыло совершенно новый раздел применения магнетизма.
Ферромагнитная жидкость - уникальное изобретение человека, совмещающее в себе
свойства как твердого ферромагнетика так и жидкости. И данные аспекты открывают
все новые и новые возможности применения данного магнетика. Магнетики не
заменимы в современном мире. Они заняли твердое место в жизни человека,
облегчая его труд и жизнедеятельность.
Список используемой литературы
1) И.П.
Жеребцов «Электрические и магнитные цепи, основы электротехники», 1982г.
2) И.А.
Данилов П.М. Иванов «Общая электротехника с основами электроники», 2005 г.
) Б.М.
Яровский Ю.А. Селезнев «Справочное руководство по физике», 1975 г.