Напряженность магнитного поля. Связь магнитной индукции с напряженностью и намагниченностью. Ферромагнетики.

Как показывает опыт, при помещении в магнитное поле все вещества намагничиваются. Очевидно, магнитное поле оказывает определенное воздействие на атомы и молекулы вещества. Ампер выдвинул гипотезу, что в любом теле существуют микроскопические токи, вызванные движением электронов в атомах и молекулах. Чтобы качественно понять суть гипотезы, достаточно считать, что электроны в атомах и молекулах движутся по круговым орбитам. Понятно, что электрон, движущийся по такой орбите, может быть эквивалентен круговому току, поэтому он обладает орбитальным магнитным моментом p_m = ISn, модуль которого

p_m = IS = efS, (3.4.1)

где I = eν – сила тока, f – частота вращения электрона по орбите, S – площадь орбиты. Направление тока противоположно направлению движения электрона, так как электрон несет на себе отрицательный заряд. Если, например, электрон движется по часовой стрелке, то вектор p_m будет, во-первых, перпендикулярен плоскости орбиты,а, во-вторых, егонаправление (вверх на рис. 3.4.1) в соответствии с направлением тока определится по правилу правого винта.

С другой стороны, двигаясь по круговой орбите, электрон обладает и механическим моментом импульса L_e, модуль которого

L_e = mvr = m2πfr² = 2mfS, (3.4.2)

где скорость электрона v = 2πfr, а площадь орбиты S = πr². L_e называется орбитальным механическим моментом электрона, его направление тоже подчиняется правилу правого винта, поэтому в соответствии с направлением движения электрона вектор L_e на рис. 3.4.1 будет направлен вниз. Это означает, что вектора p_m и L_e противоположны друг другу по направлению, но равны по модулю.

p_m I

+ ое

L_e

Рис. 3.4.1.

С учетом этого обстоятельства получаем

p_m = - (e/2m)L_e = gL_e, (3.4.3)

где

g = - e/2m (3.4.4)

называется гиромагнитным отношением орбитальных моментов. Оно было экспериментально определено в опытах Эйнштейна и де Гааза. Они наблюдали поворот железного стержня, подвешенного на тончайшей кварцевой нити, при его намагничивании во внешнем магнитном поле, создаваемом соленоидом, по которому пропускался переменный ток с частотой вращения стержня. Они получили, что гиромагнитное отношение равно -e/m, что в 2 раза больше, чем значение, отвечающее уравнению 3.4.4. Впоследствии было доказано, что, кроме орбитального механического момента, электрон обладает и собственным механическим моментом импульса L_es, который называется спином. С этим моментом связан собственный спиновый магнитный момент p_ms, пропорциональный L_es и направленный в противоположную сторону:

p_ms = g_sL_es. (3.4.5)

Величина g_sназывается гиромагнитным отношением спиновых моментов.В общем случае магнитный момент электрона складывается из орбитального и спинового магнитных моментов.

Установлено, что всякое вещество способно приобретать магнитный момент под действием магнитного поля. Будем для простоты считать, что электрон в атоме движется по круговой орбите. Если нормаль плоскости орбиты составляет с вектором магнитной индукции В угол α, то орбита вращается вокруг направления вектора В с некоторой угловой скоростью, сохраняя постоянным угол α. Такое движение в механике называется прецессией. Прецессия эквивалентна круговому микротоку. Поскольку этот микроток индуцирован внешним полем, то, по правилу Ленца, у атома появляется составляющая магнитного поля, которая направлена противоположно внешнему полю. Такие наведенные составляющие атомов (молекул) складываются и образуют магнитное поле вещества, которое ослабляет внешнее магнитное поле. Такой эффект называется диамагнитным, а вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле против его направления, называют диамагнетиками. К ним относятся Bi, Ag, Au, Cu, большинство органических соединений, смолы, углерод и т. д.

Наряду с диамагнетиками существуют также парамагнетики – вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле по его направлению. Если у диамагнетиков в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, из-за чего суммарный магнитный момент атома равен нулю, то у парамагнетиков магнитные моменты электронов друг друга не компенсируют, поэтому атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако из-за теплового движения атомов (молекул) их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, и вещество не проявляет магнитных свойств. Когда же парамагнитное вещество вносится во внешнее магнитное поле, устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов (молекул), т. е. вещество намагничивается так, что его суммарный магнитный момент оказывается направленным по внешнему магнитному полю. Если вещество извлечь из магнитного поля, ориентация магнитных моментов из-за теплового движения нарушается, и парамагнетик размагничивается. К парамагнетикам относятся редкоземельные металлы, Pt, Al и т. д.

Отметим, что атомы всех веществ, в принципе, являются носителями диамагнитных свойств. Если, однако, магнитный момент атомов велик, то парамагнитные свойства преобладают над диамагнитными, и вещество оказывается парамагнетиком. Если же магнитный момент атомов мал, то преобладают диамагнитные свойства, и вещество является диамагнетиком.

Коль скоро вещества намагничиваются во внешнем магнитном поле, вводится понятие намагниченности, которое определяется как магнитный момент единицы объема магнетика

J = P_m/V = Σp_a/V, (3.4.6)

где P_m = Σp_a представляет собой магнитный момент магнетика как векторную сумму магнитных моментов отдельных молекул.

Знакомясь с магнитным полем, мы ввели два понятия: вектор магнитной индукции В и вектор напряженности магнитного поля Н. Первый характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макротоками и всеми микротоками, а второй – только макротоками. Иными словами, магнитное поле в веществе складывается из внешнего поля В₀, которое создается током, и внутреннего поля B’, которое обусловлено намагниченностью вещества:

B = В₀+ B’, (3.4.7)

где В₀= μ₀Н, а B’= μ₀J. Тогда

B = μ₀Н +μ₀J (3.4.8)

или

B/μ₀ = H + J.(3.4.9)

Если магнитное поле несильное, намагниченность вещества пропорциональна напряженности магнитного поля, вызвавшего намагниченность

J = χH, (3.4.10)

где χ – безразмерная величина, которая называется магнитной восприимчивостью вещества. Для диамагнетиков она отрицательна (поскольку поле молекулярных токов противоположно внешнему полю), а для парамагнетиков – положительна (так как поле молекулярных токов совпадает по направлению с внешним полем). Тогда с учетом 3.4.10 выражение 3.4.8 можно представить в следующем виде

В = μ₀(1 + χ)Н, (3.4.11)

откуда получаем

Н = В/μ₀(1 + χ). (3.4.12)

Безразмерная величина

μ =1 + χ (3.4.13) называется магнитной проницаемостью вещества. Тогда, подставив 3.4.13 в 3.4.11 получаем В = μ₀μН.Поскольку магнитная восприимчивость веществ очень мала (от 10^-6 до 10^-4), то магнитная проницаемость вещества μ мало отличается от единицы.

Кроме двух рассмотренных классов слабомагнитных веществ – диамагнетиков и парамагнетиков, – существуют и сильномагнитные вещества, которые называются ферромагнетиками. Эти вещества характеризуются наличием спонтанной намагниченности, которая существует даже в отсутствие внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам относятся Fe (от него и произошло название «ферромагнетизм»), Co, Ni, Gd, а также их сплавы и соединения. Ферромагнетики отличаются от диа- и парамагнетиков не только способностью сильно намагничиваться во внешнем магнитном поле, но и характером зависимости намагниченности J от напряженности магнитного поля Н: если у слабомагнитных веществ она линейна во всем диапазоне изменения Н, то у ферромагнетиков намагниченность с ростом Н сначала возрастает с увеличивающейся скоростью, затем с замедляющейся и, наконец, выходит на уровень насыщения (J_нас), когда J перестает изменяться при дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля Н (рис. 3.4.2). Такое состояние ферромагнетика называется магнитным насыщением.

J_нас Ферромагнетик

Парамагнетик

Диамагнетик

Рис. 3.4.2.

Такой характер зависимости J(H) у ферромагнетиков объясняется тем, что по мере увеличения напряженности Н внешнего намагничивающего поля возрастает степень ориентации магнитных моментов молекул по полю, доля неориентированных моментов постепенно уменьшается, пока не наступает такой момент, что все магнитные моменты оказываются ориентированными по полю. Поэтому дальнейшее увеличение Н уже не приводит к росту намагниченности ферромагнетика.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков характеризуется очень большими значениями μ: 5000 для железа, 800 000 для сплава супермалоя. Зависимость μ от Н носит сложный характер: сначала она увеличивается с ростом Н, достигает максимума, затем уменьшается, стремясь в области сильных магнитных полей к значению μ → 1.

Для ферромагнетиков характерно явление магнитного гистерезиса(рис. 3.4.3). Если, например, намагнитить ферромагнетик до насыщения (переход из точки 0 в точку 1), а затем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то уменьшение намагниченности J будет описываться не кривой 1 – 0, а кривой 1 – 2, которая проходит выше кривой 1 – 0. При Н = 0намагниченность J отличается от нуля, что говорит о наличии в ферромагнетике остаточной намагниченности J_ос. Именно наличие этой остаточной намагниченности является основой существования постоянных магнитов. Остаточная намагниченность обращается в ноль под действием поля с напряженность -Н_с. Напряженность Н_с называют коэрцитивной силой.

J_нас 1

J_ос 2

-Н_нас -Н_с 0 Н_с Н_нас Н

5 -J_ос

4 -J_нас

Рис. 3.4.3

При дальнейшем увеличении напряженности противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3 – 4) и при Н = -Н_нас достигается насыщение (точка 4). После этого ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4 – 5 – 6) и вновь перемагнитить до насыщения (кривая 6 – 1). Поэтому, если на ферромагнетик будет действовать переменное магнитное поле, намагниченность J будет изменяться в соответствии с кривой 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6, которая называется петлей гистерезиса. Укаждого ферромагнетика своя петля гистерезиса. Если его коэрцитивная сила мала (до 1 – 2 А/см), петля оказывается узкой, ферромагнетик называют мягким. Если же коэрцитивная сила достигает нескольких тысяч А/см, петля гистерезиса широкая, ферромагнетик называется жестким. Именно жесткие ферромагнетики (например, углеродистые и вольфрамовые стали) применяются для изготовления постоянных магнитов, тогда как мягкие ферромагнетики (например, мягкое железо или сплав железа с никелем) находят применение в изготовлении сердечников для трансформаторов.

У ферромагнетиков есть еще одна особенность: при определенной температуре, называемой точкой Кюри, они теряют свои магнитные свойства. Если нагреть ферромагнетик до температуры, превышающей его точку Кюри, он превращается в парамагнетик.

<== предыдущая лекция	\|	следующая лекция ==>
Если токи в параллельных проводниках текут в противоположные стороны, то легко показать, что проводники будут отталкиваться друг от друга.	\|	ВНУТРЕННЕЕ ДЫХАНИЕ. ТРАНСПОРТ ГАЗОВ КРОВЬЮ

Дата добавления: 2018-09-24; просмотров: 3157;