Намагниченность материалов.

 

Все вещества без исключения определённым образом взаимодействуют с магнитным полем. В итоге это проявляется в том, что вещество либо усиливает, либо ослабляет магнитное поле. Существует несколько гипотез, объясняющих указанное явление. В наиболее простой из них модель атома вещества представляется в виде ядра и одной электронной орбиты радиуса r. Такая модель атома адекватна магнитному диполю. Магнитное поле атома образуется за счёт движения электрического заряда в виде электрона, обладающего зарядом e. Величина тока, обусловленная движением электрона составит I = e · n, где e —заряд электрона, а n —частота вращения электрона вокруг ядра атома (с^-1). Поскольку заряд электрона отрицателен, то направление движения электрона и направление тока противоположны. Благодаря этому атом обладает магнитным моментом. Этот момент именуется как орбитальный магнитный момент электрона, который в соответствии с (1.1) будет иметь значение

P_ОРБ =I S = e n p r² (1.5)

 

Однако, движущийся по орбите электрон обладает и механическим моментом количества движения

M_ОРБ= m V r, (1.6)

-где m масса электрона; v – скорость движения электрона.

Вектор M_орб называют орбитальным механическим моментом электрона. Он образует с направлением движения электрона правовинтовую систему. Следовательно, направления векторов P_ОРБ и M_ОРБ противоположны.

Кроме этого электрон обладает спином - свойством собственного вращения, и поэтому обладает собственными магнитным P_СП и собственным механическим M_СП моментами.

У реального атома вещества число электронных орбит отличается от 1. При этом если все электронные орбиты заполнены, то орбитальные и собственные моменты скомпенсированы и атом нейтрален. Магнитное поле «поворачивает» магнитные моменты и, следовательно, изменяет направление механических моментов, вследствие чего возникает прецессия электрона, т.е. одновременное вращение вокруг осей, расположенных под углом отличным от 0. Угловая скорость прецессии электронов отличается от их угловой скорости вращения вокруг ядра, но происходит с одинаковой для всех электронов угловой скоростью. Обусловленное прецессией дополнительное движение электронов приводит к возникновению индуцированного магнитного момента атома. Это происходит у всех без исключения веществ. Однако у нейтральных атомов индуцированный магнитный момент отрицательный, т.е. направлен против поля и в этом случае индукция магнитного поля уменьшается - происходит размагничивание. В тех случаях, когда имеются незаполненные орбиты и атомы обладают магнитным моментом, то магнитное поле оказывает на магнитные моменты атомов ориентирующее действие, устанавливая их по направлению поля. Возникающий при этом положительный (т. е. направленный вдоль поля) магнитный момент бывает значительно больше, чем отрицательный индуцированный момент и поэтому происходит намагничивание.

Реальный процесс намагничивания или размагничивания вещества существенно сложнее и зависит от типа связей между атомами, кристаллической решётки, наличия примесей и др. Однако в итоге магнитный материал создаёт намагниченность J - это векторная сумма магнитных моментов атомов P_ат находящихся в единице объёма V.

, (1.7)

Размерность этой величины

[J]= [I×L²/L³]=[I/L]= A/м .

Внешнее магнитное поле, действующее на вещество имеет такую же характеристику и природу. Поэтому магнитное поле, действующее на вещество характеризуется напряженностью магнитного поля H, имеющего аналогичную размерность A/М. (В системе единиц СГС и СГСМ за единицу напряженности магнитного поля был принят Эрстед (Э); 1Э=79,57 А/М).

Магнитное поле, действующее на вещество, подразделяют на слабые (до 500Э), средние (500Э-40 кЭ), сильные (40 кЭ -1 мЭ) и сверхсильные свыше 1мЭ. Электротехника, радиотехника, электроника основана на использовании слабых и средних магнитных полей, которые получают при помощи постоянных магнитов, электромагнитов, соленоидов или сверхпроводящих магнитов. Сильные магнитные поля получают с помощью сверхпроводящих соленоидов. Сверхсильные магнитные поля получают с помощью направленного взрыва [ ].

В вакууме индукция магнитного поля пропорциональна напряжённости. Соотношение между индукцией и напряжённостью зависит от системы единиц, и в частности для системы СИ и для вакуума, имеет вид

В= m₀ Н, (1.8)

где m₀ - магнитная постоянная.

Размерность магнитной постоянной можно определить исходя из формулы

 

, (1.9)

 

где Ф -размерность магнитного потока, Вб, Гн - размерность индуктивности.

Численное значение магнитной постоянной можно вычислить после определения механической силы f силы взаимодействия двух параллельных и прямолинейных проводников с токами I₁ и I₂, расположенных в вакууме на расстоянии b

. (1.10)

В частности при I₁=I₂ =1А и при b =1 значение силы f составляет 2·10^-7Н. Следовательно:

m₀ = 4 p 10^-7 Гн/м. (1.11)

Внутри вещества созданное за счёт намагничивания магнитное поле характеризуется магнитной индукцией В_J. Очевидно что В_J будет пропорциональна намагниченности.

В_J=m₀×J. (1.12)

 

В итоге магнитная индукция внутри вещества, помещённого в магнитное поле будет обусловленная намагниченностью В_J, и внешним магнитным полем В_Н и составит

, (1.13)

Во многих случаях считают, что намагниченность J прямо пропорциональна напряжённости магнитного поля H

, (1.14)

где k_m — магнитная восприимчивость, характеризует способность материала изменять свой магнитный момент под действием внешнего магнитного поля; для вакуума k_m = 0.

С учётом выражений (1.13-1.14), получим:

B=m₀(J+H)=m₀ (k_mH+H)=m₀ (k_m+1) H=m₀ mH, ( 1.15)

-где m=(k_m+1)=B/(m₀H) - относительная магнитная проницаемость, характеризует способность материала намагничиваться; m показывает во сколько раз магнитная индукция поля, созданного в данном материале, больше, чем в вакууме.

В практических случаях учитывают значение абсолютной магнитной проницаемости m_A, котораяопределяется в соответствии с формулой:

m_A=m m_{0 .} (1.16)

Используя понятие магнитной проницаемости, имеется возможность учитывать свойства вещества в магнитном поле. Очевидно, что при m >1 магнитное поле усиливается, в тоже время при m <1 магнитное поле может уменьшаться, что будет сопровождаться физическими эффектами.

В связи с этим материалы по способу их «реакции» на внешнее магнитное поле подразделяются на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Возможна дополнительная классификация, что рассматривается в разделе 2.

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: