Магнитные свойства веществ

При внесении железного сердечника в катушку, магнитное поле возрастает, а сердечник намагничивается. Этот эффект был обнаружен Ампером. Им было так же обнаружено, что индукция магнитного поля в веществе может быть больше или меньше индукции самого поля. Такие вещества стали называть магнетиками.

Магнетики – это вещества, способные менять свойства внешнего магнитного поля.

Магнитная проницаемость вещества определяется соотношением:

(9.8.1)

В₀ - индукция внешнего магнитного поля, В - индукция внутри вещества.

В зависимости от соотношения В и В₀ вещества делятся на три типа:

1) Диамагнетики (m<1), к ним относятся химические элементы: Cu, Ag, Au, Hg. Магнитная проницаемость m=1-(10^-5 - 10^-6) очень незначительно отличается от единицы.

Этот класс веществ был открыт Фарадеем. Эти вещества «выталкиваются» из магнитного поля. Если подвесить диамагнитный стержень возле полюса сильного электромагнита, то он будет отталкиваться от него. Линии индукции поля и магнита, следовательно, направлены в разные стороны.

2) Парамагнетики имеют магнитную проницаемость m>1, причем в данном случае она также незначительно превышает единицу: m=1+(10^-5 - 10^-6). К этому виду магнетиков относятся химические элементы Na, Mg, K, Al.

Магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры и уменьшается при ее увеличении. Без намагничивающего поля парамагнетики не создают собственного магнитного поля. Постоянных парамагнетиков в природе нет.

3) Ферромагнетики (m>>1): Fe, Co, Ni, Cd.

Эти вещества могут находиться в намагниченном состоянии и без внешнего поля. Существование остаточного магнетизма одно из важных свойств ферромагнетиков. При нагревании до высокой температуры ферромагнитные свойства вещества исчезают. Температура, при которой пропадают эти свойства, называют температурой Кюри (например, для железа T_Кюри=1043 К).

При температуре ниже точки Кюри ферромагнетик состоит из доменов. Домены – это области самопроизвольного спонтанного намагничивания (рис.9.21). Размер домена составляет примерно 10^-4-10^-7м. Возникновением в веществе областей спонтанного намагничивания обусловлено существование магнетиков. Магнит из железа может долго сохранять свои магнитные свойства, так как в нем домены выстраиваются упорядоченно (преобладает одно направление). Магнитные свойства пропадут, если по магниту сильно ударить или сильно нагреть. В результате этих воздействий домены «разупорядочиваются».

Рис.9.21. Форма доменов: а) в отсутствии магнитного поля, б) при наличии внешнего магнитного поля.

Домены можно представить как замкнутые токи в микрообъемах магнетиков. Домен хорошо иллюстрирует рис.9.21, откуда видно, что ток в домене движется по ломаному замкнутому контуру. Замкнутые токи электронов приводят к возникновению магнитного поля перпендикулярно плоскости орбиты электронов. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитное поле доменов направлено хаотично. Это магнитное поле под действием внешнего магнитного поля меняет направление. Магнетики, как уже отмечалось, делятся на группы в зависимости от того, как реагирует магнитное поле домена на действие внешнего магнитного поля. В диамагнетиках магнитное поле большего числа доменов направлено в сторону, противоположную действию внешнего магнитного поля, а в парамагнетиках, наоборот, в сторону действия внешнего магнитного поля. Однако число доменов, магнитные поля которых направлены в противоположные стороны, отличается на очень маленькую величину. Поэтому магнитная проницаемость m в диа- и парамагнетиках отличается от единицы на величину порядка 10^-5 - 10^-6. В ферромагнетиках число доменов с магнитным полем по направлению внешнего поля во много раз превышает число доменов с противоположным направлением магнитного поля.

Кривая намагниченности. Петля гистерезиса. Явление намагниченности обусловлено существованием остаточного магнетизма при действии внешнего магнитного поля на вещество.

Магнитным гистерезисом называется явление запаздывания изменения магнитной индукции в ферромагнетике относительно изменения напряженности внешнего магнитного поля.

На рис.9.22, представлена зависимость магнитного поля в веществе от внешнего магнитного поля B=B(B₀). Причем по оси Оx откладывают внешнее поле , по оси Оy – намагниченность вещества. Увеличение внешнего магнитного поля приводит к возрастанию магнитного поля в веществе вдоль линии до значения . Уменьшение внешнего магнитного поля до нуля приводит к уменьшению магнитного поля в веществе (в точке с) до величины В_ост (остаточной намагниченности, значение которой больше нуля). Этот эффект является следствием запаздывания в намагниченности образца.

Значение индукции внешнего магнитного поля, необходимое для полного размагничивания вещества (точка d на рис.9.21) называют коэрцетивной силой. Нулевое значение намагниченности образца получают, изменяя направление внешнего магнитного поля до значения . Продолжая увеличивать внешнего магнитного поля в противоположном направлении до максимального значения, доводим его до величины . Затем, меняем направление магнитного поля, увеличивая его обратно, до значения . В этом случае у нас вещество остается намагниченным. Только величина индукции магнитного поля имеет противоположное направление по сравнению со значением в точке . Продолжая увеличивать значение магнитной индукции в том же направлении, достигаем полной размагниченности вещества в точке , и далее, оказываемся вновь в точке . Таким образом, получаем замкнутую функцию, которая описывает цикл полного перемагничивания. Такая зависимость за цикл полного перемагничивания индукции магнитного поля образца от величины внешнего магнитного поля называется петлей гистерезиса. Форма петли гистерезиса является одной из основных характеристик любого ферромагнитного вещества. Однако в точку , таким способом попасть невозможно.

В настоящее время достаточно просто получают сильные магнитные поля. Большое количество установок и устройств работают на постоянных магнитах. В них достигаются поя 1 – 2 Тл при комнатной температуре. В небольших объемах физики научились получать постоянные магнитные поля до 4 Тл, используя для этой цели специальные сплавы. При низких температурах, порядка температуры жидкого гелия получают магнитные поля выше 10 Тл.

Рис. 9.22. Петля гистерезиса.

Контрольные вопросы к лекции №9:

1. Что такое электродвижущая сила? Как были открыты источники тока?

2. Постоянный ток. Закон Ома.

3. Последовательное и параллельное соединение проводников.

4. Закон Джоуля – Ленца. Приведите примеры его использования.

5. Сформулируйте правила Кирхгоффа? Как они используются при расчетах электрических цепей?

6. Расскажите об электрическом токе в жидкостях? Сформулируйте законы Фарадея?

7. Электрический ток в газах. Какие виды разрядов Вы знаете?

8. Что Вы знаете о плазме?

Как возникло понятие магнитного поля? Приведите примеры.

9. Как можно определить форму силовых линий магнитного поля?

10. Что описывает и от чего зависит индукция магнитного поля?

11. Сформулируйте правило левой руки?

12. Что такое сила Ампера?

13. Сила Лоренца. Привести примеры действия этой силы.

14. Сформулируйте закон Ампера?

15. Объясните смысл закон Био – Савара.

16. Как работает масс – спектрометр?

17. Что Вы знаете о магнитных свойствах веществ?

18. Расскажите, что Вы знаете о кривой намагниченности и петле Гистерезиса?

19. Какова физика возникновения доменов?

20. Как объяснить с этой точки зрения различие полей в диа- и парамагнетиках?

21. Каким образом действует магнитное поле на ткани человека.

[1] В 1729 году англичанин С.Грэй (1670-1736) открыл явление электропроводности и показал, что существуют проводники и изоляторы. Заряды хорошо передаются по металлической проволоке и плохо, например, по шелковой нити.

[2] Вольта и Гальвани занимались исследованиями в области физиологии.

[3] Л.Гальвани был по образованию медик, преподавал физиологию и медицину в Болонском университете.

[4] Георг Симон Ом немецкий физик (1787 – 1854).

[5] Сверхпроводимость впервые в 1911 году наблюдал нидерландский физик Гейке Камерлинг – Оннес (1853 1926) при охлаждении ртути ниже 4.2 К. В настоящее время исследуются керамические материалы, обладающие сверхпроводимостью при температурах выше 100⁰ К.

[6] Майкл Фарадей (1791 -1867) английский физик – самоучка.

[7] А.Л.Чижевский (1897-1964) – выдающийся советский ученый. Выполнивший множество работ в различный областях науки: истории и археологии, физики, медицины, биологии. Одновременно он был художником и поэтом.

[8] Русский физик Петров В.В. (1761-1834), один из первых российских электротехников работал в Петербургской медико-хирургической академии. В 1802 году построил самый большой в мире «вольтов столб» из 210 медно-цинковых элементов и впервые наблюдал дуговой разряд.

[9] Первые попытки по изучению свойств магнитов были предприняты французским ученым П. де Марикура в 1269 году.

[10] У.Гильберт (1544 – 1603) английский физик и придворный врач Елизаветы I, магистр философии и доктор медицины.

[11] Магнитное поле в постоянных магнитах, как будет подробно описано ниже, появляется в результате возникновения замкнутых токов в микрообъемах (доменах).

[12] По окончании Копенгагенского университета получил степень фармацевта высшей категории.

[13] В литературе соотношение (9.6.2) записывают в виде, где квадратные скобки означают векторное произведение векторов.

[14] Конструкция и принцип действия МРТ томографов будут рассмотрены ниже.

Дата добавления: 2014-01-07