Лекция 11

Темы для СРС
р

1.1 Магнитное поле в веществе
Если проводники находятся не в вакууме, а в какой-либо среде, то магнитное поле существенно изменяется.
Так, например, если в катушку с индуктивностью L вдвинуть железный сердечник, то индуктивность катушки возрастет, следовательно, возрастет магнитное поле внутри катушки. Это показывает, что вещество в магнитном поле намагничивается, т.е. само становится источником магнитного поля.
Намагниченное вещество создает поле В’, которое накладывается на поле токов В0, и результирующее магнитное поле будет равно
Для объяснения намагниченности вещества Ампер предположил наличие в атомах и молекулах круговых токов, обладающих магнитным моментом рm и создающих магнитное поле с индукцией В ∼ рm.
Так, схематично рассматривая атом как систему вращаю-
щихся электронов, можно вычислить соответствующий
магнитный момент

1.1 Магнитное поле в веществе
– площадь орбиты;
если v – частота вращения электрона, то
Тогда
Под действием магнитного поля магнитные моменты отдельных атомов получают преимущественную ориентацию, и вещество намагничивается.
Интенсивность намагничивания принято характеризовать вектором намагничивания J – магнитным моментом единицы объема :
Для однородного вещества :

1.2 Напряженность магнитного поля

1.2 Напряженность магнитного поля

1.3 Элементарные носители магнетизма

1.3 Элементарные носители магнетизма

1.3 Элементарные носители магнетизма

1.3 Виды магнетиков
По магнитным свойствам, в зависимости от строения атомов вещества, магнетики делятся на три группы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики.

1.4 Диамагнетизм
Явление диамагнетизма заключается в том, что в веществе, помещенном в магнитное поле, возникает дополнительный магнитный момент, направленный противоположно полю. Вещество при этом намагничивается противоположно внешнему полю. Это явление есть следствие электромагнитной индукции. За счет внешнего поля в атоме возникают индукционные токи, противодействующие ему, которые и создают дополнительный магнитный момент противоположного направления.
Электрон, вращающийся по орбите, можно представить в виде своеобразного волчка с магнитным моментом. В магнитном поле возникают силы, стремящиеся ориентировать плоскость орбиты перпендикулярно полю, что приводит к прецессии орбиты около направления поля
Прецессия – это медленное по сравнению с осевой скоростью вращение вокруг вертикальной оси. Электронная орбита при этом начнет прецессировать с угловой скоростью
частота Лармора
Диамагнетизм присущ всем веществам и проявляется у тех веществ, у атомов которых орбитальные и спиновые моменты взаимно скомпенсированы.
Диамагнетиками являются все инертные газы, углеводородные жидкости, вода, медь, серебро, золото, висмут и др. металлы . Диамагнитная восприимчивость для них отрицательна χ < 0 и изменяется в пределах χ = 10-6÷10-5, а μ ≤ 1

1.4 Парамагнетизм
Если результирующий магнитный момент
атома не равен нулю, то в отсутствие магнитно-
го поля магнитные моменты отдельных атомов
и молекул ориентированы хаотично и вещест-
во не намагничено (рис.а).
При наложении магнитного поля возникают
силы, ориентирующие магнитные моменты каждого атома по полю (рис.б).
Объем вещества приобретает магнитный момент – оно намагничивается.
С повышением температуры дезориентирующая роль теплового движения увеличивается, и намагниченность убывает. П. Кюри установил закон этой зависимости: , где χ − парамагнитная восприимчивость; С – константа
Парамагнетиками являются газы СО2, Н2, N2, щелочные металлы, хром, молибден, марганец и др. Для них χ > 0 и составляет χ = 10-5 ÷ 10-4, а μ ≥ 1.

1.4 Ферромагнетизм
Термин «магнетизм» по сути, относится только к сильно магнитным веществам – ферромагнетикам, названным из-за известного представителя этого класса – железа.
Причина ферромагнетизма лежит не только в строении атомов, но и в связи между атомами в кристалле. У атомов ферромагнетиков имеются незаполнен-ные электронные слои, в результате возникает нескомпенсированный магнит-ный момент. Однако в отличие от парамагнетиков у ферромагнетиков расстоя-ния между атомами устанавливается сильное взаимодействие. В результате спины атомов устанавливаются параллельно, что приводит к появлению свя-занных со спинами магнитных моментов. Вследствие объединения большого числа таких атомов возникает спонтанная (самопроизвольная) намагничен-ность, более сильная, чем способность создать внешнее поле. Такие области спонтанной намагниченности называют доменами.
В отсутствие внешнего поля наличие доменов не проявляется, т.к. каждый из них имеет случайную ориентацию. Полное упорядочение в расположении доменов происходит лишь во внешнем поле.

1.4 Ферромагнетизм
При возрастании напряженности внешнего поля Н домены с наиболее выгодной ориентацией увеличивают свои размеры за счет процессов смещения границ и вращения, и при больших напряженностях процесс завершается – вещество намагничивается. Процесс намагничивания ферромагнетиков впервые исследовал А.Г. Столетов. Кривые намагничивания, полученные им, показаны на рисунке:
Для ферромагнетиков магнитная проницаемость достигает больших значе-ний. Так, для железа, например, μmax = 5000.

1.4 Ферромагнетизм. Магнитный гистерезис
При намагничивании ферромагнетика в переменном по величине и направлению внешнем поле А.Г. Столетов обнаружил у них способность сохранять намагниченность.
Это приводит к магнитному гистерезису:
Здесь НК – коэрцитивная сила;
JК – остаточная намагниченность.
С повышением температуры остаточная намаг-
ниченность у ферромагнетиков уменьшается.
При достаточно высокой температуре –
точке Кюри – она полностью исчезает. Так, для
железа она 7800С, никеля 3500С, кобальта 11500С.
Коэрцитивная сила и форма петли гистерезиса характеризуют свойство ферромагнетика сохранять остаточное намагничивание и определяют их использование для различных целей.