Milyen anyagok növelik a mágneses teret. Összegzés: Az anyag mágneses tulajdonságai. Ökológiai Földtani Tanszék

Valamennyi anyag bizonyos fokig rendelkezik mágneses tulajdonságokkal, mivel ezek a tulajdonságok az anyagban rejlő szerkezeti mintázatokat tükrözik mikroszinten. A szerkezeti jellemzők eltéréseket okoznak az anyagok mágneses tulajdonságaiban, vagyis a mágneses térrel való kölcsönhatás természetében.

Az anyag szerkezete és a mágnesesség

Az első elméletet, amely a mágnesesség természetét az elektromos és mágneses jelenségek kapcsolatán keresztül magyarázza, J.-M. francia fizikus alkotta meg. Ampère a 19. század 20-as éveiben. Ennek az elméletnek a keretein belül Ampere azt javasolta, hogy a fizikai testekben mikroszkopikus zárt áramok jelenjenek meg, amelyek általában kompenzálják egymást. De a mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyagoknál az ilyen "molekulaáramok" felületi áramot hoznak létre, amelynek eredményeként az anyag állandó mágnessé válik. Ezt a hipotézist nem erősítették meg, kivéve egy fontos gondolatot - a mikroáramokról, mint a mágneses mezők forrásairól.

Az anyagban a mikroáramok az elektronok atomokban való mozgása miatt léteznek, és mágneses momentumot hoznak létre. Ezenkívül az elektronoknak megvan a saját kvantumtermészetű mágneses momentuma.

Egy anyag teljes mágneses momentuma, vagyis a benne lévő elemi áramok összessége egységnyi térfogathoz viszonyítva meghatározza a makroszkopikus test mágnesezettségi állapotát. A legtöbb anyagban a részecskék momentumai véletlenszerűen orientáltak (ebben a vezető szerepet a hőkaotikus rezgések játsszák), a mágnesezettség gyakorlatilag nulla.

Az anyag viselkedése mágneses térben

Külső mágneses tér hatására a részecskék mágneses momentumainak vektorai irányt változtatnak - a test mágnesezve van, és megjelenik benne a saját mágneses tere. Ennek a változásnak a természete és intenzitása, amely meghatározza az anyagok mágneses tulajdonságait, számos tényezőnek köszönhető:

• az elektronhéjak szerkezetének jellemzői atomokban és anyagmolekulákban;
• interatomikus és intermolekuláris kölcsönhatások;
• a kristályrácsok szerkezetének jellemzői (anizotropia);
• az anyag hőmérséklete;
• a mágneses tér erőssége és konfigurációja és így tovább.

Egy anyag mágnesezettsége arányos a benne lévő mágneses tér erősségével. Arányukat egy speciális együttható - a mágneses szuszceptibilitás - határozza meg. Vákuumban egyenlő nullával, egyes anyagokban negatív.

Az anyag mágneses indukciójának és térerősségének arányát jellemző értéket általában mágneses permeabilitásnak nevezik. Vákuumban az indukció és a feszültség egybeesik, áteresztőképessége eggyel egyenlő. Egy anyag mágneses permeabilitása relatív értékként fejezhető ki. Ez egy adott anyag és a vákuum abszolút értékeinek aránya (ez utóbbi értéket mágneses állandónak tekintjük).

Az anyagok osztályozása mágneses tulajdonságok szerint

A különféle szilárd anyagok, folyadékok, gázok mágneses térben való viselkedésének típusa szerint több csoportot különböztetnek meg:

• Diamágnesek;
• paramágnesek;
• ferromágnesek;
• ferrimágnesek;
• antiferromágnesek.

Az osztályozás alapjául szolgáló anyagok fő mágneses jellemzői a mágneses szuszceptibilitás és a mágneses permeabilitás. Jellemezzük az egyes csoportokban rejlő főbb tulajdonságokat.

Diamágnesek

Az elektronfelhők szerkezetének bizonyos jellemzői miatt a diamágnesek atomjai (vagy molekulái) nem rendelkeznek mágneses momentummal. Akkor jelenik meg, ha külső mező lép fel. Az indukált, indukált tér ellentétes irányú, és az így létrejövő mező valamivel gyengébbnek bizonyul, mint a külső. Igaz, ez a különbség nem lehet jelentős.

A diamágnesek mágneses szuszceptibilitását negatív számokban fejezzük ki, 10-4 és 10-6 közötti nagyságrenddel, és nem függ a térerősségtől; a mágneses permeabilitás ugyanilyen nagyságrenddel kisebb, mint a vákuumé.

Az inhomogén mágneses tér alkalmazása azt a tényt eredményezi, hogy ez a tér kiszorítja a diamágnest, mivel hajlamos egy olyan területre mozogni, ahol a mező gyengébb. A diamágneses levitáció hatása az ebbe a csoportba tartozó anyagok mágneses tulajdonságainak ezen jellemzőjén alapul.

A diamágnesek az anyagok kiterjedt csoportját képviselik. Olyan fémeket foglal magában, mint a réz, cink, arany, ezüst, bizmut. Ide tartozik még a szilícium, a germánium, a foszfor, a nitrogén, a hidrogén és az inert gázok. Az összetett anyagok közül - víz, sok só, szerves vegyületek. Az ideális diamágnesek szupravezetők. Mágneses permeabilitásuk nulla. A mező nem tud behatolni a szupravezetőbe.

Paramágnesek

Az ebbe a csoportba tartozó anyagokat pozitív mágneses szuszceptibilitás jellemzi (nagyon alacsony, kb. 10-5 - 10-6). A szuperponált térvektorral párhuzamosan mágneseződnek, azaz belehúzódnak, de a paramágnesek kölcsönhatása vele nagyon gyenge, mint a diamágneseké. Mágneses permeabilitásuk megközelíti a vákuum-permeabilitás értékét, csak alig haladja meg azt.

Külső tér hiányában a paramágnesek általában nem rendelkeznek mágnesezettséggel: atomjaiknak saját mágneses momentumaik vannak, de a termikus rezgések miatt véletlenszerűen orientálódnak. Alacsony hőmérsékleten a paramágnesek kismértékű belső mágnesezettséggel rendelkezhetnek, ami erősen függ a külső hatásoktól. A hőmozgás befolyása azonban túl nagy, aminek következtében a paramágnesek elemi mágneses momentumai soha nem állapíthatók meg pontosan a tér irányában. Ez az oka alacsony mágneses érzékenységüknek.

Jelentős szerepet játszanak az interatomikus és intermolekuláris kölcsönhatás erői is, amelyek hozzájárulnak az elemi mágneses momentumok rendeződéséhez, vagy éppen ellenkezőleg, ellenállnak annak. Ez a paramágneses anyagok sokféle mágneses tulajdonságát okozza.

Ez az anyagcsoport sok fémet foglal magában, mint például a volfrám, alumínium, mangán, nátrium, magnézium. A paramágnesek oxigén, vassók, egyes oxidok.

ferromágnesek

Az anyagoknak van egy kis csoportja, amelyek szerkezeti sajátosságai miatt nagyon magas mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek. Az első fém, amelyben ezeket a tulajdonságokat felfedezték, a vas volt, és ennek köszönhetően ez a csoport megkapta a ferromágnesek nevet.

A ferromágnesek szerkezetét speciális struktúrák - domének jelenléte jellemzi. Ezek olyan területek, ahol a mágnesezés spontán módon jön létre. Az interatomikus és intermolekuláris kölcsönhatás sajátosságai miatt a ferromágnesek rendelkeznek energetikailag legkedvezőbb atomi és elektronikus mágneses momentumok elrendezéssel. Párhuzamos orientációt nyernek az úgynevezett könnyű mágnesezési irányok mentén. Azonban például egy vaskristály teljes térfogata nem képes egyirányú spontán mágnesezettségre - ez növelné a rendszer összenergiáját. Ezért a rendszer szakaszokra oszlik, amelyek spontán mágnesezettsége ferromágneses testben kompenzálja egymást. Így jönnek létre a tartományok.

A ferromágnesek mágneses szuszceptibilitása rendkívül magas, több tízezertől százezerig terjed, és nagymértékben függ a külső tér erősségétől. Ennek az az oka, hogy a tartományok térirány szerinti tájolása energetikailag is kedvezőnek bizonyul. A tartományok egy részének mágnesezettségi vektorának iránya szükségszerűen egybeesik a térerősségvektorral, és energiájuk lesz a legalacsonyabb. Az ilyen területek nőnek, és a hátrányos helyzetű területek egyidejűleg zsugorodnak. A mágnesezettség növekszik és a mágneses indukció növekszik. A folyamat egyenetlenül megy végbe, és az indukció és a külső tér erőssége közötti kapcsolat grafikonját egy ferromágneses anyag mágnesezési görbéjének nevezzük.

Amikor a hőmérséklet egy bizonyos küszöbértékre, az úgynevezett Curie-pontra emelkedik, a tartomány szerkezete megsérül a megnövekedett hőmozgás miatt. Ilyen körülmények között a ferromágnesek paramágneses tulajdonságokat mutatnak.

A vason és az acélon kívül a ferromágneses tulajdonságok a kobaltban és a nikkelben, egyes ötvözetekben és a ritkaföldfémekben rejlenek.

Ferrimágnesek és antiferromágnesek

A két típusú mágnest is doménszerkezet jellemzi, de a bennük lévő mágneses momentumok antiparallel orientációjúak. Ezek olyan csoportok, mint például:

• Antiferromágnesek. Ezekben az anyagokban a tartományok mágneses momentumai egyenlő számértékekkel rendelkeznek, és kölcsönösen kompenzálódnak. Emiatt az antiferromágneses anyagok mágneses tulajdonságait rendkívül alacsony mágneses szuszceptibilitás jellemzi. Külső térben nagyon gyenge paramágnesekként mutatkoznak meg. A Neel-pontnak nevezett küszöbhőmérséklet felett az ilyen anyag közönséges paramágnessé válik. Az antiferromágnesek a króm, mangán, néhány ritkaföldfém, aktinidák. Egyes antiferromágneses ötvözeteknek két Neel pontja van. Ha a hőmérséklet az alsó küszöb alatt van, az anyag ferromágnesessé válik.
• Ferri mágnesek. Az ebbe az osztályba tartozó anyagok esetében a különböző mágneses momentumok nagysága szerkezeti egységek nem egyenlőek, így nincs kölcsönös kompenzáció. Mágneses szuszceptibilitásuk a hőmérséklettől és a mágnesező tér erősségétől függ. A ferrimágnesek vas-oxidot tartalmazó ferritek.

A hiszterézis fogalma. állandó mágnesesség

A ferromágneses és ferrimágneses anyagoknak megvan a maradék mágnesezettség tulajdonsága. Ez a tulajdonság a hiszterézis - késleltetés jelenségének köszönhető. Lényege, hogy az anyag mágnesezettségének változása elmarad a külső tér változásától. Ha a telítés elérésekor a térerőt csökkentjük, akkor a mágnesezettség nem a mágnesezési görbének megfelelően, hanem kíméletesebben változik, mivel a tartományok jelentős része a térvektor szerint orientált marad. Ennek a jelenségnek köszönhetően léteznek állandó mágnesek.

A lemágnesezés akkor következik be, amikor a tér iránya megváltozik, amikor elér egy bizonyos értéket, amelyet koercitív (késleltető) erőnek nevezünk. Minél nagyobb az értéke, az anyag annál jobban megtartja a maradék mágnesezettséget. A hiszterézis hurok zárása az intenzitás következő irány- és nagyságrendi változásánál következik be.

Mágneses keménység és lágyság

A hiszterézis jelensége nagymértékben befolyásolja az anyagok mágneses tulajdonságait. Azokat az anyagokat, amelyekben a hurok a hiszterézis gráfon ki van terjesztve, és jelentős kényszerítő erőt igényel a demagnetizáláshoz, mágnesesen keménynek, a keskeny hurkú, sokkal könnyebben demagnetizálható anyagokat lágymágnesesnek nevezzük.

A váltakozó mezőkben a mágneses hiszterézis különösen kifejezett. Mindig együtt jár a hő felszabadulása. Ezenkívül a váltakozó mágneses térben örvényes indukciós áramok keletkeznek a mágnesben, és különösen nagy mennyiségű hő szabadul fel.

Számos ferromágnest és ferrimágnest használnak a váltakozó árammal működő berendezésekben (például az elektromágnesek magjaiban), és működés közben folyamatosan újramágneseződnek. A hiszterézis és az örvényáramok okozta dinamikus veszteségek csökkentése érdekében lágy mágneses anyagokat, például tiszta vasat, ferriteket, elektromos acélokat, ötvözeteket (például permalloy) használnak az ilyen berendezésekben. Vannak más módszerek is az energiaveszteségek minimalizálására.

Ezzel szemben a mágneses szilárd anyagokat állandó mágneses térben működő berendezésekben használják. Sokkal tovább megőrzik remanenciájukat, de nehezebben telítettségig mágnesezhetők. Sok közülük ma már kompozit. különböző típusok például kerámia-fém vagy neodímium mágnesek.

Egy kicsit bővebben a mágneses anyagok használatáról

A modern high-tech iparágak megkövetelik szerkezeti mágnesek használatát, beleértve az anyagok meghatározott mágneses tulajdonságaival rendelkező kompozit anyagokat is. Ilyenek például a spintronikában használt ferromágnes-szupravezető vagy ferromágnes-paramágneses mágneses nanokompozitok, vagy a széles körben használt magnetopolimerek - gélek, elasztomerek, latexek, ferrofluidok.

Különféle mágneses ötvözetek is rendkívül keresettek. A neodímium-vas-bór ötvözetet a lemágnesezéssel szembeni nagy ellenállás és az erő jellemzi: a fent említett neodímium mágneseket, amelyek napjaink legerősebb állandó mágnesei, számos iparágban használják, annak ellenére, hogy vannak olyan hátrányai, mint például a törékenység. . Mágneses rezonancia tomográfokban, szélturbinákban, műszaki folyadékok tisztítására és nehéz terhek emelésére használják.

Nagy érdeklődésre tartanak számot az antiferromágnesek alacsony hőmérsékletű nanostruktúrákban történő alkalmazásának lehetőségei memóriacellák gyártására, amelyek lehetővé teszik a rögzítési sűrűség jelentős növelését anélkül, hogy a szomszédos bitek állapotát megzavarnák.

Feltételezhető, hogy a kívánt tulajdonságokkal rendelkező anyagok mágneses tulajdonságainak felhasználása egyre szélesebb körben fog megvalósulni, és komoly technológiai áttörést jelent a különböző területeken.

Minden anyag, mágneses tulajdonságaitól függően, öt csoportra osztható: diamágnesek, paramágnesek, ferromágnesek, antiferromágnesek, ferrimágnesek.

A diamágnesek és a paramágnesek gyengén mágneses anyagok, mágnesezettségük kicsi és külső tér indukálja, a mágneses permeabilitás pedig közel egységet m"egy.

Diamágnesek nincs saját mágneses momentuma. Ha külső mágneses térbe vezetjük, az indukált mágneses momentum gyengíti a külső mezőt. Ezért relatív áteresztőképességük m =m a /m0 egynél kevesebb m< 1.

Paramágnesek saját mágneses nyomatékkal rendelkeznek, de a hőmozgás miatt mágnesezettségi vektoraik véletlenszerűen orientáltak és kölcsönösen kompenzálják. Külső mágneses tér intenzitásának hatására H a tér irányába való orientációjuk keletkezik, és saját összmágneses nyomatékuk a növekedéssel növekszik H. A diamágneses hatás hatása gyengébb, és összességében a mező erősödik; növekvő indukció NÁL NÉL. Ezért az abszolút mágneses permeabilitásuk m a> m0és rokon m> 1 .

A ferromágnesek erősen mágneses anyagok., melyik m>> 1 és eléri a tíz- és százezreket. Ezek közé tartozik: vas, nikkel, kobalt, gadolínium és alacsony hőmérsékleten az öt ritkaföldfém elem. A mágnesezés saját, nem indukált. Megállapítást nyert, hogy ferromágneses tulajdonságaikat a belső héj elektronjainak kompenzálatlan spinjei határozzák meg, és csak kristályos állapotban figyelhetők meg a kristályban lévő atomok cserekölcsönhatása során, amikor a belső héj elektronjai egyidejűleg hozzátartoznak a belső héj elektronjaihoz. saját és szomszédos atomok.

Az atomok kölcsönhatása egy kristályban a kompenzálatlan spinek párhuzamos orientációjához vezet, és létrejön az úgynevezett spontán orientáció, azaz. spontán, az anyag mágnesezettsége, ami ferromágneses tulajdonságait jellemzi.

A ferromágnesek mágnesezettsége egymástól függetlenül létezik, és nem külső tér indukálja, mint más anyagoknál.

Antiferromágnesek. A szomszédos atomok kompenzálatlan spinjei spontán módon ellentétesek, és kölcsönösen kompenzálják, így az anyag belső mágneses momentuma nullával egyenlő, és nincs spontán mágnesezettségük.

Ferri mágnesek. Egyes anyagoknál centrifugálási momentumok kölcsönös kompenzációja hiányos lehet. Van némi spontán mágnesezettségük is, de sokkal kisebb, mint a ferromágneseké. De ők is m>> 1 és elérheti a több ezret is. Ezek az anyagok - ferritek - fém-oxidokból állnak.. Gyakran nevezik nemfémes ferromágneseknek.

A ferromágnesek és a ferrimágnesek különleges tulajdonsággal rendelkeznek: az anyag hőmérsékletének emelkedésével a hőmozgás energiája hajlamos a spontán mágnesezettség állapotát tönkretenni. A ferromágneseknél Curie-pontnak, a ferrimágneseknél Noel-pontnak nevezett hőmérsékleten ez az energia elegendő a spinmomentumok párhuzamos vagy antiparallel orientációjának megsemmisítéséhez, és az anyagok elnyerik a paramágnesek tulajdonságait. A vas esetében a Curie-pont 1043 K, a kobaltnál, a nikkelnél és a gadolíniumnál 1400, 631 és 289 K. Nyilvánvaló, hogy abszolút nulla hőmérsékleten a spontán mágnesezettség a lehető legmagasabb értékkel rendelkezik.

A mágnesek olyan anyagok, amelyek mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek. Minden anyag mágnes, mivel Ampere hipotézise szerint a mágneses tulajdonságokat elemi áramok (az elektron mozgása az atomban) hozzák létre.

A zárt pályán forgó elektron olyan áram, amelynek iránya ellentétes az elektron mozgásával. Aztán ez a mozgás mágneses teret hoz létre, mágneses momentum kit p m = IS a pálya síkjára merőleges jobb kéz szabálya szerint irányítva.

Ezenkívül a pálya mozgásától függetlenül az elektronok rendelkeznek saját mágneses momentuma (vissza). Így az atomok mágnesessége két okra vezethető vissza: az elektronok pályán való mozgásának és saját mágneses momentuknak.

Amikor egy mágnest indukcióval vezetünk be egy külső mágneses térbe 0-nál mágnesezett, azaz indukcióval létrehozza a saját mágneses terét NÁL NÉL", ami a külsővel kombinálva van:

B = 0+-nál NÁL NÉL"

Saját mágneses tere indukciója a külső tértől és attól is függ mágneses szuszceptibilitás χ anyagok:

B" = χ 0-nál

Akkor B = 0+-nál χ 0-nál = 0-nál (1+ χ)

De a mágnesen belüli mágneses indukció az anyag mágneses permeabilitásától függ:

B = μ 0-nál

Innen μ = 1 + χ.

Mágneses érzékenység χ - egy fizikai mennyiség, amely az anyag mágneses momentuma (mágnesezése) és az anyagban lévő mágneses mező közötti kapcsolatot jellemzi

Mágneses permeabilitás μ - együttható (a közeg tulajdonságaitól függően), amely az anyagban a mágneses indukció és a mágneses térerősség kapcsolatát jellemzi

Ellentétben egy anyag permittivitásával, amely mindig nagyobb, mint az egység, a mágneses permeabilitás lehet nagyobb vagy kisebb, mint az egység. Megkülönböztetni a diamágneseket (μ < 1) , paramágnesek (µ > 1) és ferromágnesek (µ >> 1) .

Diamágnesek

A diamágnesek olyan anyagok, amelyek külső mágneses térben a tér mágneses indukciós vektorának irányával ellentétes irányban mágneseződnek.

A diamágnesek közé tartoznak azok az anyagok, amelyek atomjainak, molekuláinak vagy ionjainak mágneses momentuma külső mágneses tér hiányában nulla. A diamágnesek inert gázok, molekuláris hidrogén és nitrogén, cink, réz, arany, bizmut, paraffin és sok más szerves és szervetlen vegyület.

Mágneses tér hiányában a diamágnes nem mágneses, mivel in ez az eset az elektronok mágneses momentumai kioltják egymást, és az atom teljes mágneses momentuma nulla.

Mert Mivel a diamágneses hatás egy külső mágneses térnek az anyag atomjainak elektronjain való hatása miatt következik be, ezért a diamágnesesség minden anyagra jellemző.

Meg kell jegyezni, hogy a diamágnesek mágneses permeabilitása µ < 1 . Például aranyat µ = 0,999961, rézre µ = 0,9999897 stb.

Mágneses térben a diamágnesek merőlegesen helyezkednek el a külső mágneses tér erővonalaira.

Paramágnesek

Paramágnesek – olyan anyagok, amelyek a mező irányában külső mágneses térben mágneseződnek.

Paramágneses anyagokban külső mágneses tér hiányában az elektronok mágneses momentumai nem kompenzálják egymást, a paramágnesek atomjainak (molekuláinak) mindig van mágneses momentuma. A molekulák hőmozgása miatt azonban mágneses momentumaik véletlenszerűen orientáltak, így a paramágneses anyagok nem rendelkeznek mágneses tulajdonságokkal. Amikor paramágneseket vezetünk be egy külső mágneses térbe, az atomok mágneses momentumainak preferenciális orientációja a mező mentén kialakul (az atomok hőmozgása megakadályozza a teljes orientációt).

Így a paramágnes megmágnesezett, létrehozva saját mágneses terét, amely iránya egybeesik a külső térrel és erősítőövé.

Ha a külső mágneses mezőt nullára gyengítjük, a hőmozgás következtében a mágneses momentumok iránya megsérül, és a paramágnes lemágnesesedik.

Íme néhány paramágneses anyag: aalumínium µ = 1,000023; ban benlevegő µ = 1,00000038.

Külső mágneses térben a paramágnesek az erővonalak mentén helyezkednek el.

ferromágnesek

ferromágnesek olyan szilárd testeknek nevezzük, amelyeknek nincs túl magas hőmérsékletek spontán (spontán) mágnesezés, amely nagymértékben változik a külső hatások hatására - mágneses tér, deformáció, hőmérsékletváltozások.

A ferromágnesek, ellentétben a gyengén mágneses dia- és paramágnesekkel, erősen mágneses közegek:

a bennük lévő belső mágneses tér százszor és ezerszer nagyobb lehet, mint a külső tér.

A ferromágneses anyagok kisebb-nagyobb mértékben mágneses anizotrópiát mutatnak, pl. az a tulajdonsága, hogy különböző nehézségi fokokkal különböző irányokba mágnesezhető.

Mágneses tulajdonságok A ferromágneses anyagok addig fennmaradnak, amíg hőmérsékletük el nem éri a Curie-pontnak nevezett értéket. A Curie-pont feletti hőmérsékleten a ferromágnes külső mágneses térben paramágneses anyagként viselkedik. Nemcsak ferromágneses tulajdonságait veszíti el, hanem hőkapacitása, elektromos vezetőképessége és néhány egyéb fizikai jellemzője is megváltozik.

Curie pont érte különféle anyagok különböző:

A ferromágnesesség természete:

Weiss (1865-1940), a ferromágnesesség leíró elmélete szerint a Curie-pont alatti hőmérsékletű ferromágnesek spontán mágnesezettséggel rendelkeznek, függetlenül a külső mágnesező tér jelenlététől. Ez azonban bizonyos ellentmondást hozott, mivel sok ferromágneses anyag a Curie-pont alatti hőmérsékleten nincs mágnesezve.

Ennek az ellentmondásnak a kiküszöbölésére Weiss felállított egy hipotézist, amely szerint a Curie-pont alatti ferromágnes nagyszámú kis mikroszkopikus (10 -3 - 10 -2 cm-es nagyságrendű) régióra oszlik. domainek, spontán telítésig mágnesezett.

Külső mágneses tér hiányában az egyes atomok mágneses momentumai véletlenszerűen orientálódnak és kompenzálják egymást, így a ferromágnes eredő mágneses momentuma nulla, azaz. a ferromágnes nem mágnesezett.

Egy külső mágneses tér a mező mentén nem egyes atomok mágneses momentumait orientálja, mint egy paramágnesnél, hanem a spontán mágnesezettség egész területeit. Ezért a növekedéssel H mágnesezés Jés mágneses indukció B már gyenge területeken is elég gyorsan növekszik.

A különböző ferromágneses anyagok eltérő képességgel rendelkeznek a mágneses fluxus vezetésére. A ferromágneses anyagok fő jellemzője az mágneses hiszterézis hurok H(H). Ez a függőség határozza meg annak a mágneses indukciónak az értékét, amely egy adott anyag mágneses áramkörében gerjesztődik, ha bizonyos térerősségnek van kitéve.

Tekintsük a ferromágnes mágnesezettségének megfordításának folyamatát. Tegyük fel, hogy kezdetben teljesen lemágnesezett volt. Eleinte az indukció gyorsan növekszik annak a ténynek köszönhetően, hogy mágneses dipólusok az erővonalak mentén tájékozódjanak, saját mágneses fluxusukat hozzáadva a külsőhöz. Ezután növekedése lelassul, ahogy az orientálatlan dipólusok száma csökken, és végül, amikor szinte mindegyik a külső tér mentén orientálódik, az indukció növekedése leáll és a módus telítettség.

hiszterézis az indukció változásának a mágneses tér erősségétől való késleltetésének nevezzük.

Szimmetrikus hiszterézis hurok maximális térerősség mellett Hm a ferromágnes telítésének megfelelő ún határciklus.

A határciklushoz az indukciós értékek is be vannak állítva B r nál nél H= 0, amelyet ún maradék indukció , és érték Hc nál nél B= 0, hívott kényszerítő erő . A kényszerítő (tartó) erő megmutatja, hogy milyen erősségű külső térerőt kell az anyagra alkalmazni, hogy a maradék indukciót nullára csökkentsük.

A határciklus alakja és jellemző pontjai határozzák meg a ferromágnes tulajdonságait. A nagy maradék indukciós, kényszerítő erővel és hiszterézishurok területtel rendelkező anyagokat ún. kemény mágneses .

Állandó mágnesek készítésére használják. Az alacsony reziduális indukciós és hiszterézishurok területű anyagokat (2. görbe a 8a. ábrán) ún. mágnesesen puha és elektromos eszközök mágneses áramköreinek gyártására használják, különösen azok, amelyek periodikusan változó mágneses fluxussal működnek.

A hiszterézis hurok területe jellemzi azt a munkát, amelyet a ferromágnes újramágnesezése érdekében el kell végezni. Ha a működési feltételeknek megfelelően egy ferromágnest újramágnesezni kell, akkor annak mágnesesen puha anyagból kell készülnie, amelynek hiszterézis hurok területe kicsi. A transzformátor magok puha ferromágnesekből készülnek.

A kemény ferromágneseket (acél és ötvözetei) állandó mágnesek készítésére használják.

Számos kísérlet azt mutatja, hogy minden mágneses térbe helyezett anyag fel van mágnesezve, és létrehozza a saját mágneses terét, amelynek hatása hozzáadódik egy külső mágneses tér hatásához:

\(~\vec B = \vec B_0 + \vec B_1,\)

ahol \(~\vec B\) a mágneses tér indukciója az anyagban; \(~\vec B_0\) a mező mágneses indukciója vákuumban, \(~\vec B_1\) a mező mágneses indukciója az anyag mágnesezettsége miatt. Ebben az esetben az anyag erősítheti vagy gyengítheti a mágneses teret. Egy anyag külső mágneses térre gyakorolt ​​hatását μ értékkel jellemezzük, amelyet az anyag mágneses permeabilitásának nevezünk.

\(~\mu = \dfrac B(B_0).\)

• Mágneses permeabilitás egy fizikai skaláris érték, amely megmutatja, hogy egy adott anyagban a mágneses tér indukciója hányszor tér el a vákuum mágneses tér indukciójától.

Dia és para mágnesek

Minden anyag rendelkezik bizonyos mágneses tulajdonságokkal, vagyis vannak mágnesek. A legtöbb anyag esetében a μ mágneses permeabilitás közel van az egységhez, és nem függ a mágneses tér nagyságától. Olyan anyagok, amelyek mágneses permeabilitása valamivel kisebb, mint egység (μ< 1), называются diamágnesek, valamivel nagyobb, mint egy (μ > 1) - paramágnesek. Azokat az anyagokat, amelyek mágneses permeabilitása a külső tér nagyságától függ, és jelentősen meghaladhatja az egységet (μ » 1) ún. ferromágnesek.

Diamágnesek például az ólom, cink, bizmut (μ = 0,9998); paramágnesek - nátrium, oxigén, alumínium (μ = 1,00023); ferromágnesek - kobalt, nikkel, vas (μ eléri a 8⋅10 3 értéket).

Henri Ampère (1820) volt az első, aki elmagyarázta a testek mágneses tulajdonságainak okait. Hipotézise szerint a molekulák és atomok belsejében elemi elektromos áramok keringenek, amelyek meghatározzák bármely anyag mágneses tulajdonságait.

Vegyünk valami szilárd anyagot. Mágnesezettsége összefügg a részecskék (molekulák és atomok) mágneses tulajdonságaival, amelyekből áll. Fontolja meg, milyen áramkörök lehetségesek mikroszinten. Az atomok mágnesessége két fő okra vezethető vissza:

1) az elektronok mozgása az atommag körül zárt pályán ( pálya mágneses momentuma) (1. ábra);

2) az elektronok saját forgása (spin) spin mágneses momentum) (2. ábra).

A kíváncsiaknak. Az áramkör mágneses momentuma egyenlő az áramkörben lévő áramerősség és az áramkör által lefedett terület szorzatával. Iránya egybeesik a mágneses tér indukciós vektorának irányával az áramhurok közepén.

Mivel az atomban a különböző elektronok pályája nem esik egybe, az általuk létrehozott mágneses tér indukciós vektorok (pálya- és spin mágneses momentumok) különböző szögben irányulnak egymáshoz. Egy többelektronos atom kapott indukciós vektora megegyezik az egyes elektronok által létrehozott térindukciós vektorok vektorösszegével. A részben kitöltött elektronhéjjal rendelkező atomok kompenzálatlan mezőkkel rendelkeznek. A töltött elektronhéjjal rendelkező atomokban a kapott indukciós vektor 0.

A mágneses tér változása minden esetben a mágnesezési áramok megjelenéséből adódik (elektromágneses indukció jelensége figyelhető meg). Más szavakkal, a mágneses tér szuperpozíciós elve továbbra is érvényes: a mágnesen belüli mező a mágnesezési áramok külső mezőjének \(~\vec B_0\) és \(~\vec B"\) mezőjének szuperpozíciója. én', amelyek egy külső mező hatására keletkeznek. Ha a mágnesezési áramok mezeje ugyanúgy van irányítva, mint a külső tér, akkor a teljes mező indukciója nagyobb lesz, mint a külső tér (3. ábra, a) - ebben az esetben azt mondjuk, hogy az anyag fokozza a terület; ha a mágnesezési áramok tere ellentétes irányban irányul a külső térrel, akkor a teljes mező kisebb lesz, mint a külső mező (3. ábra, b) - ebben az értelemben mondjuk, hogy az anyag gyengíti a mágneses teret.

Rizs. 3

NÁL NÉL diamágnesek A molekuláknak nincs saját mágneses terejük. Az atomokban és molekulákban lévő külső mágneses mező hatására a mágnesezési áramok tere ellentétes irányban irányul a külső térrel, ezért a kapott mező mágneses indukciós vektorának modulusa \(~\vec B\) kisebb lesz. mint a külső tér \(~\vec B_0\) mágneses indukciós vektorának modulusa.

NÁL NÉL paramágnesek A molekuláknak saját mágneses terejük van. Külső mágneses tér hiányában a hőmozgás következtében az atomok és molekulák mágneses terének indukciós vektorai véletlenszerűen orientáltak, így átlagos mágnesezettségük nulla (4. ábra, a). Amikor külső mágneses mezőt alkalmazunk az atomokra és molekulákra, egy pillanatnyi erők hatni kezdenek, és hajlamosak forgatni őket úgy, hogy mezőik párhuzamosak legyenek a külső mezővel. A paramágneses molekulák orientációja azt a tényt eredményezi, hogy az anyag mágnesezett (4b. ábra).

Rizs. négy

A molekulák mágneses térben való teljes orientációját a hőmozgásuk megakadályozza, így a paramágnesek mágneses permeabilitása a hőmérséklettől függ. Nyilvánvaló, hogy a hőmérséklet emelkedésével a paramágnesek mágneses permeabilitása csökken.

ferromágnesek

A mágneses anyagok ezen osztályának neve a vas latin nevéből származik - Ferrum. fő jellemzője Ezen anyagok közül a mágnesezettség fenntartásának képessége külső mágneses tér hiányában, minden állandó mágnes a ferromágnesek osztályába tartozik. A vason kívül a periódusos rendszer szerinti „szomszédai”, a kobalt és a nikkel ferromágneses tulajdonságokkal rendelkeznek. A ferromágnesek széles körű gyakorlati alkalmazást találnak a tudományban és a technikában, ezért jelentős számú ötvözetet fejlesztettek ki különféle ferromágneses tulajdonságokkal.

A ferromágnesek fenti példái az átmeneti csoport fémeire vonatkoznak, amelyek elektronhéja több párosítatlan elektront tartalmaz, ami ahhoz a tényhez vezet, hogy ezek az atomok jelentős belső mágneses mezővel rendelkeznek. Kristályos állapotban a kristályok atomjai közötti kölcsönhatás miatt spontán (spontán) mágnesezési régiók keletkeznek - domének. Ezeknek a tartományoknak a mérete tized- és századmilliméter (10 -4 - 10 -5 m), ami jelentősen meghaladja egyetlen atom méretét (10 -9 m). Egy tartományon belül az atomok mágneses tere szigorúan párhuzamosan orientált, a többi tartomány mágneses tereinek orientációja külső mágneses tér hiányában tetszőlegesen változik (5. ábra).

Így a ferromágnesen belül még nem mágnesezett állapotban is erős mágneses mezők vannak, amelyek orientációja véletlenszerűen változik az egyik tartományból a másikba való átmenet során. Ha egy test méretei jelentősen meghaladják az egyes tartományok méreteit, akkor ennek a testnek a tartományai által létrehozott átlagos mágneses tér gyakorlatilag hiányzik.

Ha egy ferromágnest külső mágneses térbe helyezünk NÁL NÉL 0 , akkor a tartományok mágneses momentumai elkezdenek átrendeződni. Az anyagszelvényeknek azonban nincs mechanikus térbeli forgása. A mágnesezés megfordítási folyamata az elektronok mozgásának megváltozásával jár, de nem a kristályrács csomópontjaiban lévő atomok helyzetének megváltozásával. Azok a tartományok, amelyek a mezőirányhoz képest a legkedvezőbb orientációval rendelkeznek, megnövelik méretüket a szomszédos "helytelenül orientált" tartományok rovására, elnyelve azokat. Ebben az esetben az anyag mezője nagyon jelentősen megnő.

A ferromágnesek tulajdonságai

1) egy anyag ferromágneses tulajdonságai csak akkor jelennek meg, ha a megfelelő anyag kristályos állapotban;

2) a ferromágnesek mágneses tulajdonságai erősen függnek a hőmérséklettől, mivel a tartományok mágneses mezőinek orientációját a hőmozgás akadályozza. Minden egyes ferromágnesnél van egy bizonyos hőmérséklet, amelyen a tartomány szerkezete teljesen tönkremegy, és a ferromágnes paramágnessé változik. Ezt a hőmérsékleti értéket ún Curie pont. Tehát a tiszta vas esetében a Curie-hőmérséklet körülbelül 900 °C;

3) a ferromágnesek mágnesezettek a telítettségig gyenge mágneses térben. A 6. ábra azt mutatja be, hogyan változik a mágneses tér indukciós modulusa B acélban változó külső térrel B 0 ;

4) a ferromágnesek mágneses permeabilitása a külső mágneses tértől függ (7. ábra).

Ez annak a ténynek köszönhető, hogy kezdetben a növekvő B 0 mágneses indukció B erősödik, és ennek következtében a μ növekedni fog. Ezután a mágneses indukció értékén B´ 0 telítés következik be (μ ebben a pillanatban a maximumon van), és további növekedéssel B 0 mágneses indukció B Az anyagban az 1 nem változik, és a mágneses permeabilitás csökken (1-re hajlamos):

\(~\mu = \dfrac B(B_0) = \dfrac (B_0 + B_1)(B_0) = 1 + \dfrac (B_1)(B_0);\)

5) ferromágneseknél maradványmágnesezés figyelhető meg. Ha például egy ferromágneses rudat helyezünk egy szolenoidba, amelyen az áram áthalad, és telítésig mágnesezzük (pont DE) (8. ábra), majd csökkentse az áramerősséget a mágnesszelepben, és ezzel együtt B 0 , látható, hogy a térindukció a rúdban a lemágnesezési folyamatában mindvégig nagyobb marad, mint a mágnesezési folyamatban. Mikor B 0 = 0 (az áram a mágnesszelepben ki van kapcsolva), az indukció egyenlő lesz B r(maradék indukció). A rúd levehető a mágnesszelepről és állandó mágnesként használható. A rúd végleges lemágnesezéséhez az ellenkező irányú áramot kell átvezetni a mágnesszelepen, pl. alkalmazzon külső mágneses teret az indukciós vektorral ellentétes irányú. Most növeljük ennek a mezőnek az indukciós modulusát Boc, demagnetizálja a rudat ( B = 0).).

Így a ferromágnes mágnesezése és lemágnesezése során az indukció B mögött B 0 . Ezt a késést ún hiszterézis jelenség. A 8. ábrán látható görbét ún hiszterézis hurok.

Hiszterézis(görögül ὑστέρησις - „lemaradva”) - olyan rendszerek tulajdonsága, amelyek nem követik azonnal az alkalmazott erőket.

A mágnesezési görbe (hiszterézis hurok) alakja jelentősen eltér a különböző ferromágneses anyagoknál, amelyeket széles körben használnak tudományos és műszaki alkalmazásokban. Egyes mágneses anyagok széles hurokkal rendelkeznek, magas remanencia és koercitív értékkel, ezeket nevezik mágnesesen keményés állandó mágnesek készítésére használják. Más ferromágneses ötvözeteket a kényszerítő erő alacsony értéke jellemzi, az ilyen anyagok könnyen mágnesezhetők és újramágnesezhetők még gyenge mezőben is. Az ilyen anyagokat ún mágnesesen puhaés különféle elektromos berendezésekben használják - relék, transzformátorok, mágneses áramkörök stb.

Irodalom

1. Aksenovich L. A. Fizika a középiskolában: elmélet. Feladatok. Tesztek: Proc. ellátást nyújtó intézmények részére általános. környezetek, oktatás / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Szerk. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C.330-335.
2. Zhilko, V. V. Fizika: tankönyv. pótlék a 11. évfolyamra. Általános oktatás iskola oroszból lang. képzés / V.V. Zhilko, A.V. Lavrinenko, L. G. Markovics. - Mn.: Nar. asveta, 2002. - S. 291-297.

« Fizika – 11. évfolyam

A mágneses mezőt elektromos áramok és állandó mágnesek hozzák létre.
Minden mágneses térbe helyezett anyag létrehozza a saját mágneses terét.

Az anyag mágnesezése.

Minden mágneses térbe helyezett anyag felmágnesezett, vagyis maguk is mágneses tér forrásává válnak.
Ennek eredményeként a mágneses indukció vektora anyag jelenlétében eltér a vákuum mágneses indukciójának vektorától.

Ampère hipotézis

A testek mágneses tulajdonságainak okát Ampère francia fizikus állapította meg: a test mágneses tulajdonságai a benne keringő áramokkal magyarázhatók.

A molekulák és az atomok belsejében elemi elektromos áramok vannak, amelyek az elektronok atomokban való mozgása következtében jönnek létre.
Ha a síkok, amelyekben ezek az áramok keringenek, véletlenszerűen helyezkednek el egymáshoz képest a molekulák hőmozgása miatt, akkor hatásuk kölcsönösen kompenzálódik, és a test nem mutat mágneses tulajdonságokat.

Mágneses állapotban az elemi áramok a testben úgy vannak orientálva, hogy hatásuk összeadódik.

A legerősebb mágneses tereket az ún ferromágnesek.
Állandó mágnesek készülnek belőlük, mivel a ferromágnesek tere nem tűnik el a mágnesező tér kikapcsolása után.

Mágneses tereket a ferromágnesek nemcsak az atommagok körüli elektronok keringése, hanem saját forgásuk miatt is létrehoznak. A ferromágnesekben vannak ún domainek körülbelül 0,5 µm méretű.

Ha a ferromágnes nincs mágnesezve, akkor a tartományok orientációja kaotikus, és a tartományok által létrehozott teljes mágneses tér nulla.
Amikor egy külső mágneses mezőt bekapcsolunk, a tartományok ennek a mezőnek a mágneses indukciós vonalai mentén orientálódnak, és a ferromágnesekben a mágneses tér indukciója növekszik, ezerszer, sőt milliószor nagyobb, mint a külső tér indukciója.

Curie hőmérséklet.

Egy adott ferromágnesre jellemzőnél magasabb hőmérsékleten a ferromágneses tulajdonságai eltűnnek.
Ezt a hőmérsékletet ún Curie hőmérséklet a jelenséget felfedező francia tudósról nevezték el.
Melegítéskor a mágnesezett testek elvesztik mágneses tulajdonságaikat.
Például a vas Curie-hőmérséklete 753 °C.
Vannak ferromágneses ötvözetek, amelyek Curie-hőmérséklete 100 °C-nál alacsonyabb.

A ferromágnesek használata

A természetben nincs sok ferromágneses test, de széleskörű alkalmazásra találtak.
Például egy tekercsbe szerelt mag felerősíti az általa generált mágneses teret anélkül, hogy növelné a tekercsben lévő áramerősséget.
A transzformátorok, generátorok, villanymotorok stb. magjai ferromágnesekből készülnek.

A külső mágneses tér kikapcsolásakor a ferromágnes mágnesezett marad, azaz mágneses teret hoz létre a környező térben.
Emiatt vannak állandó mágnesek.

A ferriteket széles körben használják - ferromágneses anyagok, amelyek nem vezetnek elektromos áram, ezek vas-oxidok kémiai vegyületei más anyagok oxidjaival.
Az egyik jól ismert ferromágneses anyag - a mágneses vasérc - a ferrit.

A ferromágneseket az információk mágneses rögzítésére használják.
A mágnesszalagok és a mágneses filmek ferromágnesekből készülnek, melyeket magnókban hangrögzítésre, videórögzítőben pedig videofelvételre használnak.

A hangot elektromágnes segítségével rögzítik szalagra, amelynek mágneses tere a hangrezgésekkel időben változik.
Amikor a szalag a mágneses fej közelében mozog különféle szakaszok a filmek mágnesezettek.

A mágneses indukciós fej diagramja

ahol
1 - az elektromágnes magja;
2 - mágnesszalag;
3 - munkarés;
4 mágnesszelep tekercselés.

A mágneses rögzítési technológia fejlődése a számítógépekben használt mágneses mikrofejek megjelenéséhez vezetett, amelyek lehetővé teszik nagy sűrűségű mágneses rögzítés létrehozását, így több centiméter átmérőjű ferromágneses merevlemezen akár több terabájtig ( 10 12 bájt) információ kerül tárolásra. Az információ olvasása és írása egy ilyen lemezre mikrofej segítségével történik. A lemez óriási sebességgel forog, a fej pedig fölötte lebeg a légáramban, ami megakadályozza a lemez mechanikai sérülésének lehetőségét.