Тема: Магнітні властивості речовини. Класифікація речовин за їх магнітними властивостями. Магнітний потік.

Магнітні властивості речовин. Магнітна проникність. Феромагнетики

Магнітне поле утворюється не тільки навколо провідників із струмом, а й постійними магнітами. Їх можна виготовляти тільки з небагатьох речовин. Але всі речовини, вміщені в магнітне поле, намагнічуються, тобто самі утворюють магнітне поле. Тому вектор магнітної індукції в однорідному середовищі відрізняється від індукції магнітного поля ₀ в тій же частині простору у вакуумі. Отже, значення магнітної індукції залежить від середовища, в якому існує магнітне поле, тобто магнітна індукція характеризує магнітне поле з урахуванням дії цього середовища.

Величина , що дорівнює відношенню модуля магнітної індукції B поля в довільному середовищі до модуля магнітної індукції B₀ цього ж поля у вакуумі, характеризує магнітні властивості цього середовища, і її називають магнітною проникністю.

Матеріали, які в зовнішньому магнітному полі намагнічуються (тобто в них з'являється власне магнітне поле), називають магнетиками.

Причину, внаслідок якої тіла мають магнітні властивості, вперше встановив Ампер: магнітні властивості тіла можна пояснити струмами, які циркулюють у ньому. Ці струми утворюються внаслідок руху електронів в атомах. Якщо площини, у яких циркулюють ці струми, розміщено хаотично одна відносно одної (рис.4.4.10, а), то дія струмів взаємно компенсується і ніяких магнітних властивостей тіло не виявляє. У намагніченому стані струми в тілі орієнтовані так, що їх дії додаються (рис.4.4.10, б).

За магнітною проникністю і характером взаємодій з магнітним полем магнетики поділяють на діамагнетики, парамагнетики і феромагнетики.

Речовини, у яких m < 1, називають діамагнетиками. До діамагнетиків належить більшість газів (крім кисню), вода, вісмут, цинк, свинець, мідь, срібло, золото, сірка, віск, алмаз, багато органічних сполук. Якщо зовнішнього магнітного поля немає, магнітні моменти атомів діамагнетиків дорівнюють нулю. У магнітному полі в атомах з'являється магнітний момент, напрямлений проти зовнішнього поля.

Парамагнітні речовини втягуються магнітним полем; їх магнітна проникність більша за одиницю. Атоми парамагнетиків мають відмінні від нуля магнітні моменти. Парамагнетики підсилюють зовнішнє магнітне поле. До парамагнетиків належать кисень, марганець, хром, платина, алюміній, вольфрам, усі лужні й лужноземельні метали.

До феромагнетиків належать матеріали, які сильно взаємодіють з магнітним полем і магнітна проникність яких у певному температурному інтервалі значно більша за одиницю. Феромагнітні властивості мають тільки кристалічні тіла. У рідкому, або газоподібному стані феромагнетики стають парамагнітними. Феромагнетики мають окремі ділянки, атоми в яких мають однаково напрямлені магнітні моменти. У зовнішньому магнітному полі такі ділянки (їх називають доменами) орієнтуються однаково.

Магнітна проникність феромагнетиків у слабких полях дорівнює п'ять - шість тисяч, а в сильних - зменшується до кількох сотень. Якщо їх нагрівати вище від певної температури (точка Кюрі), вони втрачають свої властивості і стають парамагнетиками. Для заліза точка Кюрі становить 770 °С, нікелю - 360 °С, пермалою (сплав 70 % і 30 % ) - всього 70 °С.

Розглянемо процес намагнічування феромагнітної речовини. Для цього однорідний стрижень (наприклад, із заліза) внесемо у зовнішнє магнітне поле (наприклад, у котушку зі струмом). Унаслідок зростання індукції зовнішнього магнітного поля B₀, створеного котушкою, відбуватиметься намагнічування цього феромагнітного стрижня, тобто зростання в ньому магнітної індукції B (рис.4.4.11, ділянка OA).

У точці А стрижень досягає стану магнітного насичення, коли зі зростанням ₀ магнітна індукція всередині стрижня майже не змінюється. Коли після цього починають зменшувати індукцію зовнішнього поля, то графік буде спрямовано в напрямі АВ (В залишкове) При цьому стрижень залишається намагніченим за відсутності зовнішнього магнітного поля. Після цього стрижень можна вийняти з котушки і використати як постійний магніт.

Для розмагнічування стрижня струм у котушці спрямовують у зворотному напрямі, поступово збільшуючи силу струму (крива AB_залВ_к).

Модуль індукції _к зовнішнього поля, яке потрібне для розмагнічування феромагнетика, називають коерцитивною силою (затримувальною) силою. Речовини з малою коерцитивною силою називають магнітно-м'якими феромагнетиками, з великою - магнітно-жорсткими.

Збільшуючи індукцію зовнішнього протилежно напрямленого поля, знову досягають магнітного насичення в стрижні (точка A'). За умови B₀ = B_к = B' _к стрижень розмагнітиться. Збільшуючи значення B₀, стрижень знову досягає насичення в точці А.

Явище відставання магнітної індукції поля феромагнетика від індукції зовнішнього поля ₀ називають гістерезисом, а замкнену криву (рис.4.4.11) - петлею гістерезесу. Явище гістерезесу пов'язано з певною інертністю перебудови доменної структури феромагнетика в зовнішньому магнітному полі.

Магнітом'які феромагнітні матеріали (хімічно чисте залізо, електротехнічна сталь та ін.), які майже втрачають намагніченість після видалення із зовнішнього поля, використовують в тих електротехнічних пристроях, у яких відбувається неперервне перемагнічування осердь, магнітопроводів та інших частин трансформаторів, генераторів змінного струму, електродвигунів. Магнітожорсткі матеріали (вуглецева сталь, хромиста сталь і спеціальні сплави) використовують здебільшого для виготовлення постійних магнітів.

Великого застосування набули в сучасній радіотехніці ферити - феромагнітні матеріали, що не проводять електричний струм. До них належать речовини, що є хімічними сполуками оксиду заліза з оксидами інших металів. Ферити використовують для виготовлення осердь котушок індуктивності, внутрішніх антен малогабаритних приймачів тощо.

Завдяки явищу гістерезису, яке полягає у властивості магніту зберігати "пам'ять" про минуле, став можливим запис звуку в магнітофонах і довільної інформації в довготривалій пам'яті ЕОМ.

Для звукозапису в магнітофонах і відеозапису у відеомагнітофонах використовують магнітні стрічки, що складаються з гнучкої основи з поліхлорвінілу чи інших речовин, на яку нанесено робочий шар у вигляді магнітного лаку, що складається з дуже дрібних голчастих частинок заліза чи іншого феромагнетика і зв'язувальних речовин.

Звук записується на стрічці за допомогою електромагніта. Магнітне поле електромагніта змінюється в такт зі звуковими коливаннями.

Під час відтворення звуку спостерігається зворотний процес. Намагнічена стрічка збуджує в магнітній головці електричні сигнали, які після підсилення поступають на динамік магнітофона.

Тонкі магнітні плівки складаються з шару феромагнітного матеріалу товщиною 0,03 - 10 мкм. Їх використовують в запам'ятовувальних пристроях електронно-обчислювальних машин. Інформація записується і відтворюється приблизно так само, як і на звичайному магнітофоні.

Магнітний потік.

У природі існує особлива форма матерії, єдине ціле - електромагнітне поле. Одна із форм його виявлення - магнітне поле, друга - електричне. Між цими полями існує тісний зв'язок: змінне з часом електричне поле породжує магнітне, а магнітне породжує електричне поле. Цей зв'язок встановлено завдяки відкриттю 1831 року англійським вченим М. Фарадеєм явища електромагнітної індукції - виникнення електричного струму в провідному контурі, який або нерухомий у змінному магнітному полі, або переміщується в постійному магнітному полі так, що кількість ліній магнітної індукції, що перетинають контур, змінюється. Про це ми будемо говорити на наступному занятті.

Поява електричного струму в замкненому контурі під час зміни магнітного поля, що його пронизує, свідчить про дію в контурі сторонніх сил неелектростатичної природи або про виникнення ЕРС індукції. Кількісний опис явища електромагнітної індукції виконують на основі встановлення зв'язку між ЕРС індукції і фізичною величиною, яку називають магнітним потоком. Ця величина залежить від значень вектора не в одній точці, а в усіх точках поверхні, обмеженої плоским замкненим контуром.

Магнітним потоком Ф через поверхню з площею S називають скалярну фізичну величину, що дорівнює добутку модуля вектора магнітної індукції на площу поверхні S та косинус кута між вектором і вектором нормалі до поверхні (рис.4.4.13).

Ф = BScosa.

Добуток Bcosa = B_n - проекція вектора магнітної індукції на нормаль до площини контуру, тому

Ф = B_nS.

Магнітний потік наочно можна витлумачити як величину, пропорційну кількості ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню площею S.

Одиниця магнітного потоку - вебер. Магнітний потік в один вебер (1 Вб) створюється однорідним магнітним полем з індукцією 1 Тл через площу 1 м², перпендикулярну до ліній магнітної індукції: 1 Вб = 1 Тл · м².

Запитання для самоперевірки

1. Що називають магнітною проникністю середовища? Яка формула виражає зміст цього поняття? Що характеризує магнітна проникність речовини?
2. У чому сутність гіпотези Ампера?
3. Які тіла називають діамагнетиками? Парамагнетиками? Феромагнетиками?
4. Які основні властивості мають феромагнетики?
5. Наведіть приклади практичного використання феромагнетиків у техніці.
6. Як записується і відтворюється звук на магнітній стрічці магнітофона?
7. Як записується і зберігається інформація в ЕОМ?
8. Що називають магнітним потоком (відповідь проілюструйте рисунком)? Магнітний потік величина скалярна чи векторна?
9. Як впливає розміщення поверхні, через яку проходить магнітний потік, на значення і знак цього потоку? Яка формула враховує цей вплив?
10. Який зв'язок кількості ліній індукції з модулем магнітного потоку?