Абсолютная магнитная проницаемость среды. Магнитная проницаемость

Магнитный момент- это основная векторная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Поскольку источником магнетизма является замкнутый ток, то значение магнитного момента М определяется как произведение силы тока I на площадь, охватываемую контуром токаS:

М = I×S А×м 2 .

Магнитными моментами обладают электронные оболочки атомов и молекул. Электроны и другие элементарные частицы имеют спиновый магнитный момент, определяемый существованием собственного механического момента – спина. Спиновый магнитный момент электрона может ориентироваться во внешнем магнитном поле так, что возможны только две равные и противоположно направленные проекции момента на направление вектора напряженности магнитного поля, равные магнетону Бора – 9,274×10 -24 А×м 2 .

1. Определите понятие «намагниченность» вещества.

Намагниченность – J – это суммарный магнитный момент единицы объема вещества:

1. Определите понятие «магнитная восприимчивость».

Магнитная восприимчивость вещества, א v – отношение намагниченности вещества к напряженности магнитного поля, относящаяся к единице объема:

א v = , безразмерная величина.

Удельная магнитная восприимчивость, א– отношение магнитной восприимчивости к плотности вещества,т.е. магнитная восприимчивость единицы массы, измеряемая в м 3 /кг.

1. Определите понятие «магнитная проницаемость».

Магнитная проницаемость, μ – это физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции при воздействии магнитного поля. Для изотропных сред магнитная проницаемость равна отношению индукции в среде В к напряженности внешнего магнитного поля Н и к магнитной постоянной μ 0 :

Магнитная проницаемость – величина безразмерная. Её значение для конкретной среды на 1 больше магнитной восприимчивости той же среды:

μ = א v + 1, так какВ = μ 0 (Н+J).

1. Дайте классификацию материалов по магнитным свойствам.

По магнитному строению и значению магнитной проницаемости (восприимчивости) материалы подразделяются на:

Диамагнетики μ< 1 (материал «сопротивляется» магнитному полю);

Парамагнетики μ > 1 (материал слабо воспринимает магнитное поле);

Ферромагнетики μ >> 1 (магнитное поле в материале усиливается);

Ферримагнетики μ >> 1 (магнитное поле в материале усиливается, но магнитная структура материала отличается от структуры ферромагнетиков);

Антиферромагнетики μ ≈ 1 (материал слабо реагирует на магнитное поле, хотя по магнитной структуре схож с ферримагнетиками).

1. Опишите природу диамагнетизма.

Диамагнетизм – это свойство вещества намагничиваться навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля (в соответствии с законом электромагнитной индукции и правилом Ленца). Диамагнетизм свойственен всем веществам, но в «чистом виде» он проявляется у диамагнетиков. Диамагнетики – вещества, молекулы которых не имеют собственных магнитных моментов (их суммарный магнитный момент равен нулю), поэтому других свойств, кроме диамагнетизма у них нет. Примеры диамагнетиков:

Водород, א= - 2×10 -9 м 3 /кг.

Вода, א= - 0,7×10 -9 м 3 /кг.

Алмаз, א= - 0,5×10 -9 м 3 /кг.

Графит, א= - 3×10 -9 м 3 /кг.

Медь, א= - 0,09×10 -9 м 3 /кг.

Цинк, א= - 0,17×10 -9 м 3 /кг.

Серебро, א= - 0,18×10 -9 м 3 /кг.

Золото, א= - 0,14×10 -9 м 3 /кг.

43. Опишите природу парамагнетизма.

Парамагнетизм – это свойство веществ, называемых парамагнетиками, которые, будучи помещены во внешнее магнитное поле, приобретают магнитный момент, совпадающий с направлением этого поля. Атомы и молекулы парамагнетиков в отличие от диамагнетиков имеют собственные магнитные моменты. При отсутствии поля ориентация этих моментов хаотична (из-за теплового движения) и суммарный магнитный момент вещества равен нулю. При наложении внешнего поля происходит частичная ориентация магнитных моментов частиц в направлении поля, и к напряженности внешнего поля Н добавляется намагниченность J: В = μ 0 (Н+J). Индукция в веществе усиливается. Примеры парамагнетиков:

Кислород, א= 108×10 -9 м 3 /кг.

Титан, א= 3×10 -9 м 3 /кг.

Алюминий, א= 0,6×10 -9 м 3 /кг.

Платина, א= 0,97×10 -9 м 3 /кг.

44.Опишите природу ферромагнетизма.

Ферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все магнитные моменты атомов в определенном объеме вещества (домене) параллельны, что обусловливает самопроизвольную намагниченность домена. Появление магнитного порядка связано с обменным взаимодействием электронов, имеющим электростатическую природу (закон Кулона). В отсутствии внешнего магнитного поля ориентация магнитных моментов различных доменов может быть произвольной, и рассматриваемый объем вещества может иметь в целом слабую или нулевую намагниченность. При приложении магнитного поля магнитные моменты доменов ориентируются по полю тем больше, чем выше напряженность поля. При этом изменяется значение магнитной проницаемости ферромагнетика и усиливается индукция в веществе. Примеры ферромагнетиков:

Железо, никель, кобальт, гадолиний

и сплавы этих металлов между собой и другими металлами (Al, Au, Cr, Si и др.). μ ≈ 100…100000.

45. Опишите природу ферримагнетизма.

Ферримагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором магнитные моменты атомов или ионов образуют в определенном объеме вещества (домене) магнитные подрешетки атомов или ионов с суммарными магнитными моментами не равными друг другу и направленными антипараллельно. Ферримагнетизм можно рассматривать как наиболее общий случай магнитоупорядоченного состояния, а ферромагнетизм как случай с одной подрешеткой. В состав ферримагнетиков обязательно входят атомы ферромагнетиков. Примеры ферримагнетиков:

Fe 3 O 4 ; MgFe 2 O 4 ; CuFe 2 O 4 ; MnFe 2 O 4 ; NiFe 2 O 4 ; CoFe 2 O 4 …

Магнитная проницаемость ферримагнетиков имеет тот же порядок, что и у ферромагнетиков: μ ≈ 100…100000.

46.Опишите природу антиферромагнетизма.

Антиферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, характеризующееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества ориентированы антипараллельно, и в отсутствии внешнего магнитного поля суммарная намагниченность вещества равна нулю. Антиферромагнетик в отношении магнитного строения можно рассматривать как частный случай ферримагнетика, в котором магнитные моменты подрешеток равны по модулю и антипараллельны. Магнитная проницаемость антиферромагнетиков близка к 1. Примеры антиферромагнетиков:

Cr 2 O 3 ; марганец; FeSi; Fe 2 O 3 ; NiO……… μ ≈ 1.

47.Какое значение магнитной проницаемости у материалов в сверхпроводящем состоянии?

Сверхпроводники ниже температуры сверхперехода являются идеальными диамагнетиками:

א= - 1; μ = 0.

Конечно, в железе создалось поле с индукцией вместо которые получились бы в воздухе. Поэтому можно сказать, что по сравнению с воздухом железо в 2400 раз более «проницаемо» для магнитного поля.

Относительной магнитной проницаемостью железа можно назвать отношение магнитных индукций в железе и в воздухе

если магнитное поле наблюдается внутри одинаковых кольцевых катушек, одна из которых намотана на железном кольце, а другая не содержит никаких ферромагнитных тел.

При этом, конечно, значения индукции и Вв определяются при одном и том же значении удельного полного тока.

Магнитная проницаемость одного и того же ферромагнитного материала при различных значениях индукции различна. В самом деле, представим магнитную характеристику, показанную на рис. 3.4, в виде таблицы: в первой строке поставлены значения удельного полного тока , во второй - значения магнитной индукции, наблюдаемой в железе (замкнутое кольцо внутри катушки), в третьей - значения магнитной индукции в такой же кольцевой катушке без ферромагнитных тел, увеличенная в 10 000 раз.

Первая строка таблицы соответствует опытам, по которым построена магнитная характеристика рис. 3.4. Вторая строка вычислена по формуле

Значения относительной магнитной проницаемости для разных индукций вычислены по формуле

Как видно из таблицы, магнитная проницаемость сначала растет, а затем уменьшается. Полученные результаты могут быть изображены графиком, показанным на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Относительная магнитная проницаемость чистого железа в зависимости от удельного полного тока

Первые исследования магнитных свойств материалов на замкнутых кольцевых образцах и установление характера и зменения проницаемости с полем принадлежат профессору Московского университета А. Г. Столетову. Он подчеркивал, что для развивающейся электротехники знать магнитные свойства стали так же важно, как для строителей паровых машин знать свойства пара.

Уменьшение относительной магнитной проницаемости с ростом индукции представляет вторую характерную особенность ферромагнитных тел. Сначала они легко намагничиваются; магнитная индукция достигает больших значений при достаточно слабых намагничивающих токах. Однако дальнейшее увеличение магнитной индукции требует все более значительного увеличения тока - создать индукцию выше приблизительно 2,0-2,2 Тл в железе очень трудно. На это указывает пологий ход магнитной характеристики, изображенной на рис. 3.4, в области больших индукций.

Чтобы увеличить индукцию от 1,65 до нужно увеличить удельный полный ток от 100 до 1000 А. Но для того чтобы увеличить индукцию еще на требуется увеличить намагничивающий ток до 2000 А/см (см. табл. 3.1). При индукции порядка наступает, как говорят, магнитное насыщение.

Пример 1. В кольцевой катушке с числом витков при средней длине стального сердечника 25 см протекает ток I = 1 А. Магнитный поток в стальном сердечнике, имеющем поперечное сечение оказывается равным

Определение магнитной проницаемости вещества. Ее роль в описании магнитного поля

Если провести опыт с соленоидом, который соединен с баллистическим гальванометром, то при включении тока в соленоиде можно определять значение магнитного потока Ф, который будет пропорционален отбросу стрелки гальванометра. Проведем опыт дважды, причем ток (I) в гальванометре установим одинаковый, но в первом опыте соленоид будет без сердечника, а во втором опыте, перед тем как включить ток, введем в соленоид железный сердечник. Обнаруживается, то, что во втором опыте магнитный поток существенно больше, чем в первом (без сердечника). При повторении опыта с сердечниками разной толщины, получается, максимальный поток получается в том случае, когда весь соленоид заполнен железом, то есть обмотка плотно навита на железный сердечник. Можно провести опыт с разными сердечниками. В результате получается, что:

где $Ф$ -- магнитный поток в катушке с сердечником, $Ф_0$ -- магнитный поток в катушке без сердечника. Увеличение магнитного потока при введении в соленоид сердечника объясняется тем, что к магнитному потоку, который создает ток в обмотке соленоида, добавился магнитный поток, создаваемый совокупностью ориентированных амперовых молекулярных токов. Под влиянием магнитного поля молекулярные токи ориентируются, и их суммарный магнитный момент перестает быть равным нулю, возникает дополнительное магнитное поле.

Определение

Величину $\mu $, которая характеризует магнитные свойства среды, называют магнитной проницаемостью (или относительной магнитной проницаемостью).

Это безразмерная характеристика вещества. Увеличение потока Ф в $\mu $ раз (1) означает, что магнитная индукция $\overrightarrow{B}$ в сердечнике во столько же раз больше, чем в вакууме при том же токе в соленоиде. Следовательно, можно записать, что:

\[\overrightarrow{B}=\mu {\overrightarrow{B}}_0\left(2\right),\]

где ${\overrightarrow{B}}_0$ -- магнитная индукция поля в вакууме.

Наряду с магнитной индукцией, которая является основной силовой характеристикой поля, используют такую вспомогательную вектор ную величину как напряженность магнитного поля ($\overrightarrow{H}$), которая связана с $\overrightarrow{B}$ следующим соотношением:

\[\overrightarrow{B}=\mu \overrightarrow{H}\left(3\right).\]

Если формулу (3) применить к опыту с сердечником, то получим, что в отсутствии сердечника:

\[{\overrightarrow{B}}_0={\mu }_0\overrightarrow{H_0}\left(4\right),\]

где $\mu $=1. При наличии сердечника мы получаем:

\[\overrightarrow{B}=\mu {\mu }_0\overrightarrow{H}\left(5\right).\]

Но так как выполняется (2), то получается, что:

\[\mu {\mu }_0\overrightarrow{H}={\mu м}_0\overrightarrow{H_0}\to \overrightarrow{H}=\overrightarrow{H_0}\left(6\right).\]

Мы получили, что напряженность магнитного поля не зависит от того, каким однородным веществом заполнено пространство. Магнитная проницаемость большинства веществ около единицы, исключения составляют ферромагниетики.

Магнитная восприимчивость вещества

Обычно вектор намагниченности ($\overrightarrow{J}$) связывают с вектором напряженности в каждой точке магнетика :

\[\overrightarrow{J}=\varkappa \overrightarrow{H}\left(7\right),\]

где $\varkappa $ -- магнитная восприимчивость, безразмерная величина. Для неферромагнитных веществ и в не больших полях $\varkappa $ не зависит от напряженности, является скалярной величиной. В анизотропных средах $\varkappa $ является тензором и направления $\overrightarrow{J}$ и $\overrightarrow{H}$ не совпадают.

Связь между магнитной восприимчивостью и магнитной проницаемостью

\[\overrightarrow{H}=\frac{\overrightarrow{B}}{{\mu }_0}-\overrightarrow{J}\left(8\right).\]

Подставим в (8) выражение для вектора намагниченности (7), получим:

\[\overrightarrow{H}=\frac{\overrightarrow{B}}{{\mu }_0}-\overrightarrow{H}\left(9\right).\]

Выразим напряженность, получим:

\[\overrightarrow{H}=\frac{\overrightarrow{B}}{{\mu }_0\left(1+\varkappa \right)}\to \overrightarrow{B}={\mu }_0\left(1+\varkappa \right)\overrightarrow{H}\left(10\right).\]

Сравнивая выражения (5) и (10), получим:

\[\mu =1+\varkappa \left(11\right).\]

Магнитная восприимчивость может быть как положительной так и отрицательной. Из (11) следует, что магнитная проницаемость может быть как больше единицы, так и меньше нее.

Пример 1

Задание: Вычислите намагниченность в центре кругового витка радиуса R=0,1 м с током силой I=2A, если он погружен в жидкий кислород. Магнитная восприимчивость жидкого кислорода равна $\varkappa =3,4\cdot {10}^{-3}.$

За основу решения задачи примем выражение, которое отражает связь напряженности магнитного поля и намагниченности:

\[\overrightarrow{J}=\varkappa \overrightarrow{H}\left(1.1\right).\]

Найдем поле в центре витка с током, так как намагниченность нам необходимо вычислит в этой точке.

Выберем на проводнике с током элементарный участок (рис.1), в качестве основы для решения задачи используем формулу напряженности элемента витка с током:

где$\ \overrightarrow{r}$- радиус-вектор, проведенный из элемента тока в рассматриваемую точку, $\overrightarrow{dl}$- элемент проводника с током (направление задано направлением тока), $\vartheta$ -- угол между $\overrightarrow{dl}$ и $\overrightarrow{r}$. Исходя из рис. 1 $\vartheta=90{}^\circ $, следовательно (1.1) упростится, кроме того расстояние от центра окружности (точки, где мы ищем магнитное поле) элемента проводника с током постоянно и равно радиусу витка (R), следовательно имеем:

Результирующий вектор напряженности магнитного поля направлен по оси X, его можно найти как сумму отдельных векторов$\ \ \overrightarrow{dH},$ так как все элементы тока создают в центре вика магнитные поля, направленные вдоль нормали витка. Тогда по принципу суперпозиции полную напряженность магнитного поля можно получить, если перейти к интегралу:

Подставим (1.3) в (1.4), получим:

Найдем намагниченность, если подставим напряженность из (1.5) в (1.1), получим:

Все единицы даны в системе СИ, проведем вычисления:

Ответ: $J=3,4\cdot {10}^{-2}\frac{А}{м}.$

Пример 2

Задание: Вычислите долю суммарного магнитного поля в вольфрамовом стержне, который находится во внешнем однородном магнитном поле, которую определяют молекулярные токи. Магнитная проницаемость вольфрама равна $\mu =1,0176.$

Индукцию магнитного поля ($B"$), которая приходится на долю молекулярных токов, можно найти как:

где $J$ -- намагниченность. Она связана с напряженностью магнитного поля выражением:

где магнитную восприимчивость вещества можно найти как:

\[\varkappa =\mu -1\ \left(2.3\right).\]

Следовательно, магнитное поле молекулярных токов найдем как:

Полное поле в стержне вычисляется в соответствии с формулой:

Используем выражения (2.4) и (2.5) найдем искомое соотношение:

\[\frac{B"}{B}=\frac{{\mu }_0\left(\mu -1\right)H}{\mu {\mu }_0H}=\frac{\mu -1}{\mu }.\]

Проведем вычисления:

\[\frac{B"}{B}=\frac{1,0176-1}{1,0176}=0,0173.\]

Ответ:$\frac{B"}{B}=0,0173.$

Если в описанных выше опытах вместо сердечника из железа брать сердечники из других материалов, то также можно обнаружить изменение магнитного потока. Естественнее всего ждать, что наиболее заметный эффект дадут материалы, подобные по своим магнитным свойствам железу, т. е. никель, кобальт и некоторые магнитные сплавы. Действительно, при введении в катушку сердечника из этих материалов увеличение магнитного потока оказывается довольно значительным. Иными словами, можно сказать, что магнитная проницаемость их велика; у никеля, например, может достигать значения 50, у кобальта 100. Все эти материалы с большими значениями объединяют в одну группу ферромагнитных материалов.

Однако и все остальные «немагнитные» материалы также оказывают некоторое влияние на магнитный поток, хотя влияние это значительно меньше, чем у материалов ферромагнитных. С помощью очень тщательных измерений можно это изменение обнаружить и определить магнитную проницаемость различных материалов. При этом, однако, нужно иметь в виду, что в опыте, описанном выше, мы сравнивали магнитный поток в катушке, полость которой заполнена железом, с потоком в катушке, внутри которой имеется воздух. Пока речь шла о таких сильно магнитных материалах, как железо, никель, кобальт, это не имело значения, так как наличие воздуха очень мало влияет на магнитный поток. Но при исследовании магнитных свойств других веществ, в частности самого воздуха, мы должны, конечно, вести сравнение с катушкой, внутри которой воздуха нет (вакуум). Таким образом, за магнитную проницаемость мы принимаем отношение магнитных потоков в исследуемом веществе и в вакууме . Иными словами, за единицу мы принимаем магнитную проницаемость для вакуума (если , то ).

Измерения показывают, что магнитная проницаемость всех веществ отлична от единицы, хотя в большинстве случаев это отличие очень мало. Но особенно замечательным оказывается тот факт, что у одних веществ магнитная проницаемость больше единицы, а у других она меньше единицы, т. е. заполнение катушки одними веществами увеличивает магнитный поток, а заполнение катушки другими веществами уменьшает этот поток. Первые из этих веществ называются парамагнитными (), а вторые – диамагнитными (). Как показывает табл. 7, отличие проницаемости от единицы как у парамагнитных, так и у диамагнитных веществ невелико.

Нужно особенно подчеркнуть, что для парамагнитных и диамагнитных тел магнитная проницаемость не зависит от магнитной индукции внешнего, намагничивающего поля, т. е. представляет собой постоянную величину, характеризующую данное вещество. Как мы увидим § 149, это не имеет места для железа и других сходных с ним (ферромагнитных) тел.

Таблица 7. Магнитная проницаемость для некоторых парамагнитных и диамагнитных веществ

Парамагнитные вещества		Диамагнитные вещества
Азот (газообразный)		Водород (газообразный)
Воздух (газообразный)
Кислород (газообразный)
Кислород (жидкий)
Алюминий
Вольфрам

Влияние парамагнитных и диамагнитных веществ на магнитный поток объясняется, так же как и влияние веществ ферромагнитных, тем, что к магнитному потоку, создаваемому током в обмотке катушки, присоединяется поток, исходящий из элементарных амперовых токов. Парамагнитные вещества увеличивают магнитный поток катушки. Это увеличение потока при заполнении катушки парамагнитным веществом указывает на то, что и в парамагнитных веществах под действием внешнего магнитного поля элементарные токи ориентируются так, что направление их совпадает с направлением тока обмотки (рис. 276). Небольшое отличие от единицы указывает лишь на то, что в случае парамагнитных веществ этот добавочный магнитный поток очень невелик, т. е. что парамагнитные вещества намагничиваются очень слабо.

Уменьшение магнитного потока при заполнении катушки диамагнитным веществом означает, что в этом случае магнитный поток от элементарных амперовых токов направлен противоположно магнитному потоку катушки, т. е. что в диамагнитных веществах под действием внешнего магнитного поля возникают элементарные токи, направленные противоположно токам обмотки (рис. 277). Малость отклонений от единицы и в этом случае указывает на то, что дополнительный поток этих элементарных токов невелик.

Рис. 277. Диамагнитные вещества внутри катушки ослабляют магнитное поле соленоида. Элементарные токи в них направлены противоположно току в соленоиде