ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.04.2021
Просмотров: 613
Скачиваний: 2
66
ный
эффект
происходит
независимо
от
температуры
вещества
.
Диамагнит
-
ными
веществами
являются
висмут
,
ртуть
,
фосфор
,
сера
,
медь
,
серебро
,
большинство
органических
соединений
(
в
том
числе
вода
).
У
атомов
парамагнитных
веществ
орбитальные
,
спиновые
и
ядерные
магнитные
моменты
атомов
не
компенсируют
друг
друга
.
Поэтому
атомы
парамагнетика
всегда
обладают
магнитным
моментом
.
Однако
атомные
магнитные
моменты
расположены
беспорядочно
и
поэтому
в
отсутствии
внешнего
магнитного
поля
парамагнитная
среда
в
целом
не
обнаруживает
магнитных
свойств
.
Внешнее
магнитное
поле
поворачивает
атомы
пара
-
магнетика
так
,
что
их
магнитные
моменты
устанавливаются
преимущест
-
венно
в
направлении
этого
поля
.
При
этом
полной
их
ориентации
в
ука
-
занном
направлении
препятствует
тепловое
движение
атомов
.
В
результате
парамагнетик
намагничивается
и
создает
собственное
магнитное
поле
,
все
-
гда
совпадающее
по
направлению
с
внешним
и
потому
усиливающее
его
.
При
выключении
внешнего
магнитного
поля
тепловое
движение
атомов
разрушает
ориентацию
атомных
магнитных
моментов
и
парамагнетик
раз
-
магничивается
.
Поэтому
с
повышением
температуры
у
этих
веществ
на
-
магниченность
уменьшается
.
В
парамагнетике
,
конечно
,
имеет
место
и
диамагнитный
эффект
–
появление
индуцированных
магнитных
моментов
,
ослабляющих
внешнее
магнитное
поле
.
Однако
здесь
диамагнитный
эф
-
фект
не
заметен
на
фоне
сильного
парамагнитного
эффекта
.
К
парамагне
-
тикам
относятся
некоторые
газы
(
кислород
,
азот
),
металлы
(
алюминий
,
вольфрам
,
платина
),
щелочные
и
щелочно
-
земельные
металлы
.
В
ферромагнетиках
особенно
сильно
взаимодействие
магнитных
мо
-
ментов
атомов
между
собой
.
В
результате
ниже
определенной
температу
-
ры
(
она
называется
точкой
Кюри
ферромагнетика
)
магнитные
моменты
атомов
уже
в
отсутствие
внешнего
магнитного
поля
принимают
упорядо
-
ченную
ориентацию
,
которая
сохраняется
одинаковой
в
пределах
макро
-
скопических
областей
,
называемых
доменами
.
Однако
ориентация
магнит
-
ных
моментов
отлична
друг
от
друга
,
и
ферромагнетик
в
целом
не
облада
-
ет
магнитным
моментом
.
Во
внешнем
магнитном
поле
за
счет
движения
границ
доменов
происходит
преимущественный
рост
тех
доменов
,
которые
своим
магнитным
моментом
ориентированы
в
направлении
этого
поля
,
и
ферромагнетик
намагничивается
до
насыщения
.
При
выключении
внешне
-
го
магнитного
поля
ферромагнетик
в
отличие
от
диа
-
и
парамагнетиков
полностью
не
размагничивается
,
а
сохраняет
некоторую
остаточную
маг
-
нитную
индукцию
,
т
.
к
.
тепловое
движение
не
в
состоянии
дезориентиро
-
вать
столь
крупные
совокупности
атомов
,
какими
являются
домены
.
К
ферромагнетикам
относятся
железо
,
никель
,
кобальт
,
гадолиний
,
дис
-
прозий
,
некоторые
сплавы
и
окислы
этих
металлов
,
а
также
ряд
сплавов
марганца
и
хрома
.
67
Для
всех
рассмотренных
типов
магнетиков
при
помещении
их
в
маг
-
нитное
поле
результирующую
магнитную
индукцию
B
r
можно
записать
как
0
.
,
с о б с т
B
B
B
=
+
r
r
r
(1)
где
0
B
r
–
магнитная
индукция
внешнего
магнитного
поля
.
Таким
образом
,
у
парамагнетиков
и
ферромагнетиков
векторы
0
B
r
и
.
собст
B
r
направлены
в
одну
сторону
,
а
у
диамагнетиков
–
в
разные
стороны
.
Для
характеристики
магнитного
поля
кроме
вектора
магнитной
ин
-
дукции
B
r
,
вводят
дополнительный
вектор
–
напряженность
магнитного
поля
:
H
r
0
,
μμ
B
H
=
r
r
(2)
где
m
–
магнитная
проницаемость
среды
,
а
m
0
–
магнитная
постоянная
.
Как
видно
из
формулы
(2),
вектор
H
r
не
зависит
от
магнитных
свойств
среды
и
поэтому
характеризует
магнитное
поле
в
вакууме
.
Магнитная
ин
-
дукция
внешнего
магнитного
поля
(
т
.
е
.
вакуума
)
0
B
r
будет
связана
с
на
-
пряженностью
магнитного
поля
следующим
соотношением
:
0
0
μ
,
B
H
=
r
r
(3)
т
.
к
.
для
вакуума
m
=1.
Из
формул
(2)
и
(3)
следует
,
что
0
μ
.
B
B
=
r
r
(4)
Таким
образом
,
магнитная
проницаемость
m
показывает
,
во
сколько
раз
магнитная
индукция
в
веществе
больше
магнитной
индукции
в
вакууме
.
Способность
различных
веществ
к
намагничиванию
характеризуют
еще
вектором
интенсивности
намагничивания
0
J
r
,
который
равен
вектор
-
ной
сумме
магнитных
моментов
всех
атомов
,
содержащихся
в
единице
объема
вещества
.
Вектор
намагничивания
J
r
связан
с
вектором
индукции
собственного
магнитного
поля
.
собст
B
r
соотношением
.
0
μ
.
собст
B
J
=
r
r
(5)
Из
(1), (3)
и
(5)
следует
,
что
0
.
0
0
μ
μ
.
собст
B
B
B
H
J
=
+
=
+
r
r
r
r
r
(6)
Итак
,
вектор
J
r
характеризует
магнитное
поле
,
созданное
магнитными
мо
-
ментами
атомов
вещества
;
вектор
H
r
характеризует
магнитное
поле
вакуу
-
ма
,
созданного
токами
в
проводниках
;
вектор
B
r
характеризует
результи
-
рующее
магнитное
поле
,
т
.
е
.
поле
,
созданное
и
токами
в
проводниках
,
и
магнитными
моментами
атомов
вещества
.
68
Для
диамагнетиков
μ
1
<
,
для
парамагнетиков
–
μ
1.
>
В
обоих
случа
-
ях
величина
магнитной
проницаемости
m
не
зависит
от
напряженности
магнитного
поля
H
и
близка
к
единице
.
У
ферромагнетиков
μ
1
>>
и
зависит
от
напряженности
H
внешнего
магнитного
поля
.
С
ростом
H
магнитная
проницаемость
сначала
быстро
возрастает
,
достигая
максимума
,
а
затем
уменьшается
,
приближаясь
при
очень
сильных
полях
к
значению
μ
1
=
(
рис
. 2).
Поэтому
в
ферромагнетиках
магнитная
индукция
уже
не
будет
пропорциональна
напряженности
внешнего
магнитного
поля
(
рис
. 3).
При
сравнительно
небольшой
вели
-
чине
напряженности
H
H
индукция
достигает
довольно
большого
зна
-
чения
H
B
,
после
чего
она
изменя
-
ется
слабо
,
т
.
е
.
наступает
как
бы
ее
насыщение
.
Если
в
ферромагнетике
,
на
-
сыщенном
,
например
,
до
состояния
H
B
(
рис
. 4),
начать
уменьшать
на
-
пряженность
внешнего
магнитного
поля
,
H
то
индукция
B
будет
также
уменьшаться
.
Однако
ее
уменьшение
будет
происходить
не
по
кривой
1–0,
а
по
кривой
1–2
графика
намагничивания
.
При
H
= 0
ферромагнетик
не
размагничивается
полностью
,
в
нем
сохраняется
остаточная
магнитная
ин
-
дукция
ост
B
.
Полное
размагничивание
(
кривая
2–3)
наступит
лишь
в
том
случае
,
если
к
образцу
приложить
внешнее
магнитное
поле
c
H
H
-
=
,
т
.
е
.
поле
противоположного
знака
.
Эта
напряженность
магнитного
поля
назы
-
вается
коэрцитивным
полем
.
Дальнейшее
увеличение
магнитного
поля
противоположного
знака
вызовет
индукцию
-
H
B
обратного
направления
μ
H
Рис
. 2
H
Рис
. 3
H
н
В
н
В
1
Рис
. 4
В
ост
Н
н
В
н
В
Н
+
Н
с
–
Н
с
–
В
ост
0
1
2
3
4
5
6
69
(
кривая
3–4)
и
соответственно
остаточную
индукцию
-
ост
B
того
же
на
-
правления
.
Затем
ферромагнетик
можно
опять
размагнитить
(
кривая
4–5–6)
и
вновь
перемагнитить
до
насыщения
(
кривая
6–1).
Рассмотренное
явление
отставания
изменения
магнитной
индукции
от
изменения
напряженности
намагничивающего
поля
называется
маг
-
нитным
гистерезисом
,
а
замкнутая
кривая
1–2–3–4–5–6–1 –
петлей
маг
-
нитного
гистерезиса
.
Площадь
,
ограниченная
петлей
магнитного
гистерезиса
,
характери
-
зует
работу
,
затраченную
внешним
магнитным
полем
на
однократное
пе
-
ремагничивание
ферромагнетика
.
Эта
работа
выделяется
в
виде
теплоты
.
Выше
отмечалось
,
что
ферромагнетики
(
в
отличие
от
диа
-
парамаг
-
нетиков
)
обладают
характерной
особенностью
:
ниже
точки
Кюри
они
раз
-
биваются
на
самопроизвольно
намагниченные
до
насыщения
области
,
или
домены
.
Домены
–
это
макроскопические
области
,
в
каждой
из
которых
магнитные
моменты
всех
атомов
имеют
одинаковое
направление
(
рис
. 1).
Линейные
размеры
ферромагнитных
доменов
10
–2
– 10
–3
см
.
При
доста
-
точно
сильном
магнитном
поле
H
H
магнитные
моменты
отдельных
доме
-
нов
выстраиваются
параллельно
внешнему
полю
и
ферромагнетики
быстро
намагничиваются
до
насыщения
.
При
выключении
внешнего
магнитного
поля
тепловое
движение
не
в
состоянии
полностью
разрушить
доменную
структуру
,
т
.
е
.
сохраняется
остаточная
магнитная
индукция
.
Для
размаг
-
ничивания
на
ферромагнетик
необходимо
подействовать
так
называемой
коэрцитивной
силой
:
это
напряженность
магнитного
поля
,
в
которое
необходимо
поместить
ферромагнетик
,
чтобы
его
полностью
размагни
-
тить
.
Этим
объясняется
магнитный
гистерезис
.
Размагничиванию
способ
-
ствуют
также
встряхивание
и
температурный
нагрев
.
При
температуре
,
равной
точке
Кюри
(
например
,
для
железа
она
равна
770
о
С
),
тепловое
дви
-
жение
оказывается
способным
дезориентировать
атомы
в
самих
доменах
,
вследствие
чего
ферромагнетик
превращается
в
парамагнетик
.
1.
Изучение
ферромагнетиков
статическим
методом
Приборы
и
принадлежности
:
прибор
для
измерения
магнитной
ин
-
дукции
,
амперметр
,
два
реостата
,
два
коммутатора
,
источник
постоянного
тока
(1,25
В
),
трансформатор
,
ключ
,
добавочные
сопротивления
,
исследуе
-
мые
материалы
в
виде
стержней
.
Описание
схемы
и
методики
измерений
Основной
частью
схемы
(
рис
. 6)
является
измерительный
прибор
магнитоэлектрической
системы
,
в
котором
постоянный
магнит
заменен
электромагнитом
.
Сердечником
электромагнита
служит
исследуемый
ферромагнетик
1,
изго
-
товленный
в
виде
стержня
.
При
пропускании
по
обмотке
2
электромагнита
70
постоянного
тока
J
внутри
образца
создается
магнитное
поле
,
напряжен
-
ность
H
которого
можно
вычислить
по
формуле
для
соленоида
:
,
H
nJ
=
(7)
где
n
–
число
витков
на
единицу
длины
соленоида
.
В
результате
в
стержне
возникнет
магнитный
поток
BS
=
F
,
который
,
в
свою
очередь
,
создает
магнитное
поле
в
зазоре
,
где
находится
катушка
с
током
.
Вращающий
момент
,
действующий
на
катушку
в
этом
магнитном
поле
,
равен
1
,
B Ja S
M =
(8)
где
a
–
число
витков
катушки
,
S
–
площадь
витка
катушки
.
При
выводе
рамки
катушки
из
положения
равновесия
возникает
противодействующий
вращению
момент
,
т
.
к
.
она
укреплена
на
упругих
пружинах
.
Величина
этого
момента
равна
l
N
k
k
=
=
M
j
2
, (9)
где
k
–
коэффициент
упругой
деформации
,
j
–
угол
поворота
рамки
, N –
смещение
стрелки
по
шкале
,
l
–
длина
стрелки
.
В
состоянии
равновесия
1
2
или
N
BJaS k
M = M
=
l
откуда
.
JaSB
k
N
l
=
(10)
Величина
Ja
k
c
l
=
определяет
чувствительность
прибора
к
величине
магнитной
индукции
.
Так
как
напряженность
магнитного
поля
пропорцио
-
нальна
току
(
nS
H
=
),
фиксируемому
амперметром
,
то
изменение
зависи
-
мости
B
от
H
можно
свести
к
нахождению
зависимости
)
(
J
f
N
=
.
Гра
-
фик
функции
)
(
J
f
N
=
изобразит
функциональную
зависимость
)
(
H
f
B
=
в
некотором
пропорциональном
масштабе
и
позволит
выявить
основной
ход
этой
кривой
.
С
помощью
потенциометра
R
2
и
коммутатора
К
2
можно
менять
величину
и
направление
постоянного
тока
через
обмотку
электро
-
магнита
,
а
следовательно
,
величину
и
на
-
правление
магнитного
поля
в
исследуемом
образце
.
Чтобы
снять
кривую
намагничива
-
ния
образца
,
его
следует
предварительно
размагнитить
.
Для
этой
цели
служит
по
-
тенциометр
R
1
,
включенный
в
сеть
пере
-
менного
тока
через
трансформатор
.
Пода
-
вая
переменное
напряжение
на
обмотку
электромагнита
и
постепенно
уменьшая
величину
переменного
тока
,
можно
свести
до
нуля
остаточную
индукцию
в
иссле
-
Н
В
Рис
. 5
0