Намагнічування феромагнетиків

В залежності від величини магнітної проникності розрізняють парамагнітні, діамагнітні та феромагнітні речовини.

Парамагнітними називають речовини, у яких магнітна проникність ненабагато більша ніж у вакууму ( ≈1: _{вольфрам}=1,000175, _{повітря}=1,0000031). До них відносяться: алюміній, платина, натрій, хром, марганець, кисень… Якщо помістити алюмінієвий стрижень на ніті у магнітне поле, то він розміститься уздовж силових ліній поля. Так ведуть себе усі парамагнетики у магнітному полі. Тобто вони ненабагато збільшують його у кінця стрижня за рахунок свого магнетизму. Це можна пояснити тим, що в атомах парамагнітної речовини електрони, які рухаються по орбітам навколо ядер атомів, володіють власним магнітним полем. Магнітне поле таких електронів дуже слабке, але завдяки своєрідному розміщенню їх орбіт у просторі, при якому магнітні поля частково підсилюють один одного, магнітне поле атома стає з явно вираженими, хоча й слабкими, магнітними полюсами. Під дією зовнішнього поля утворюються ланцюжки з таких атомів, які уявляють собою дуже слабкі магнітики. В результаті чого загальне магнітне поле атомів стає направленим уздовж зовнішнього поля, яке намагнічує парамагнетик, що веде к підсиленню зовнішнього поля у кінців стрижня й його ослабленню поряд зі стрижнем.

Діамагнітними називають такі речовини, у яких магнітна проникність менша ніж у вакууму ( <1: _мідь=0,999912). До них відносяться: свинець, срібло, гелій, аргон, мідь, золото, усі органічні речовини - вода, цукор, крохмаль... Якщо помістити мідний стрижень на ніті у магнітне поле, то він розміститься перпендикулярно до силових ліній поля. Діамагнетики ослабляють магнітне поле у своїх кінців. Магнітне поле усередині діамагнетика ще більш слабше ніж зовні. Це можна пояснити тим, що в атомах діамагнітної речовини рух електронів навколо ядер відбувається в різних напрямках й в більшості прямо протилежних. В результаті чого магнітні полюса полей електронів нейтралізуються й атоми є нейтральними в магнітному відношенні. Зовнішнє магнітне поле, діючи на електрони атомів діамагнетиків, змінює напрямок руху деяких з них, але й саме відчуває їх протидію. В результаті діамагнетик небагато намагнічується, але його поле направлено назустріч зовнішньому магнітному полю, що ослаблює зовнішнє поле.

Для технічних розрахунків магнітні проникності діамагнетиків та парамагнетиків приймають рівним 1.

Феромагнітними називають такі речовини, у яких магнітна проникність набагато більша ніж у вакууму ( >1: _залізо=5000, _нікель=300 ). До них відносяться: залізо, чавун, нікель, сталь, кобальт ряд магнітних сплавів - магніко… Якщо помістити залізний стрижень на ніті у магнітне поле, то він розміститься уздовж силових ліній поля. Так ведуть себе усі феромагнетики у магнітному полі. Тобто вони намагнічуються й значно посилюють його за рахунок свого магнетизму у полюсів. Магнітна індукція феромагнетиків набагато більша ніж парамагнетиків. Там де потрібно отримати сильне магнітне поле використовують феромагнітні матеріали. Їх сильне намагнічування пояснюється тим, що усередині їх є області спонтанного (самостійного) намагнічування, які називають доменами. Напрямки магнітних полей в окремих доменах неоднакові, тому при відсутності зовнішнього магнітного поля феромагнетики у цілому залишаються ненамагніченими. Під дією зовнішнього магнітного поля домени перемагнічуються так, що їх магнітні поля підсилюють один одного. Максимальне підсилення відбувається, коли магнітні поля у всіх доменах направлені уздовж зовнішнього магнітного поля. Намагнічування феромагнітного матеріалу не може зростати безмежно. Якщо напрямок полей самодовільного намагнічування у всіх областях виявиться таким, що збігається з напрямком зовнішнього магнітного поля, намагнічування достигне своєї межі. Стан найбільшого намагнічування феромагнетиків називається магнітним насищенням. Утворення доменів пояснюється наявністю у електронів власного ( чи так називаємого спинового ) магнітного моменту. Спин електрона - це його рух навколо власної вісі. В результаті цього обертового руху електрон теж утворює магнітне поле. При певній температурі, яку назвали точкою Кюри, магнітні властивості феромагнетиків зникають. Феромагнетик, нагрітий вище точки Кюри, стає парамагнетиком. Точка Кюри для заліза дорівнює 770°С.

Результуюча магнітна індукція у феромагнітному матеріалі:

де - напруженість матеріалу, А/м

- намагніченість матеріалу, А/м

- магнітна стала, Гн/м

З іншого боку, магнітна індукція пов’язана з напруженістю магнітного поля відношенням:

Таким чином, абсолютна магнітна проникність феромагнітного матеріалу буде:

Непрямолінійний характер зміни намагнічування в залежності від напруженості доводе, що відношення не є постійною величиною. При збільшенні напруженості це відношення спочатку швидко росте, а потім його ріст зменшується, в невеликому інтервалі напруженості воно залишається практично постійним й починає зменшуватися, асимптотичне наближатися до нуля. Той самий характер має . Як видно з графіка, магнітна проникність змінюється при зміні напруженості поля (наприклад, в результаті зміни струму у котушки) у цілком великих межах, тому цю величину не використовують для розрахунків магнітного поля у феромагнетиків.