Семестр_3_Лекция_11 (Все лекции по физике в пдф), страница 2

Лекция 11.силовые линии больше отклоняются от нормали со стороны магнетика с большей магнитной проницаемостью. В этом смысле говорят,B1α1µ1что магнетики с большей магнитной проницаемостью конденсируютмагнитное поле. На этом явлении основанµ2принцип применения магнитопроводов.α2Если в замкнутый контуре, выполненнымB2из магнетика с большим µ, создать магнитное поле (например, с помощью катушки с током), то силовые линии магнитного поля практически не выйдут из контура.Аналогия между векторами электростатического и магнитного полей Рассмотрим уравнения D,dS=q,B,dS=0,E,dl=0,H∫∫∫∫∫∫ ,dl = I ,(S)(S())Γ()Γ D1n = D2 n , B1n = B2 n , E1t = E2t , H1t = H 2 t , D = εε 0 E , B = µµ 0 HИз них следует аналогия между векторамиD - электрического смещения (или электрической индукции) и B - магнитной индукции,напряженностями полей E и H .Но силовыми характеристиками полей являются только E и B .

Остальные два вектораимеют «вспомогательный» смысл, но их введение позволяет записывать уравнения в симметричном виде.Магнитные свойства магнетиков.Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что все магнетики можно (условно)разделить на три группы.1) Диамагнетики – это магнетики, у которых магнитная восприимчивость принимает отрицательные значения, но при этом выполняется 0 < µ = 1 + χ < 1 . B χ BТак как J = χH = χ  − J  , откуда J =⋅ , то у диамагнетиков вектор намагниченности1 + χ µ0 µ0направлен против вектора индукции магнитного поля.Диамагнетики выталкиваются из области сильного магнитного поля.2) Парамагнетики – магнетики, у которых у которых магнитная восприимчивость положительна, но не принимает больших значений. Вектор намагниченности сонаправлен с вектором индукции.3) Ферромагнетики – вещества, магнитная проницаемость которых достигает больших значений(тысячи и более).

Намагниченность ферромагнетиков зависит от их предыдущего состояния(гистерезис).6Семестр 3. Лекция 11.Физическая природа диа- и парамагнетизма.Согласно гипотезе Ампера магнитные свойства веществаB=0Bобусловлены микроскопическими токами, циркулирующимивнутри вещества. По классическим представлениям эти токисоздаются движущимися зарядами в атомах. Классическое рассмотрение позволяет качественно объяснить магнитные свойства вещества без значительного усложнения модели, поэтому бу-дем считать, что точечный отрицательно заряженный электрон движется по круговой орбитевокруг ядра. Это приводит к появлению кругового тока, положительное направление которогопротивоположно направлению движения электрона. В магнитном поле магнитные моментымикроскопических токов ориентируются преимущественно вдоль силовой линии магнитногополя.

На магнитный момент микроскопических токов в магнитном поле действует момент сил,поэтому орбита электрона начнет прецессировать, и появитсядополнительный вектор магнитного момента pm _ д , направленный против вектора индукции B .BpmТаким образом, при внесении атома в магнитного по-+eIpm_дvле, у него появится дополнительный магнитный момент.Если в отсутствии магнитного поля суммарный магнитный момент атома (сумма момента электронов и ядра)−eLбыл нулевым, то после внесения в магнитное поле появившийся магнитный момент будет направлен против вектораиндукции внешнего поля. Следовательно, и вектор намагниченности малого объёма – тоже. Такие вещества относятся к классу диамагнетиков.Если в отсутствии магнитного поля суммарный магнитный момент атома был ненулевым, то после внесения суммарный момент ориентируется вдоль силовой линии внешнего поля.Следовательно, вектор намагниченности будет направлен по вектору индукции.

Такие веществаотносятся к классу парамагнетиков. Для парамагнетиков магнитная восприимчивость зависитот температуры по закону Кюриχ=С,ТС – постоянная Кюри, зависящая от рода вещества, Т – температура.Ферромагнетики – вещества, способные обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Типичный представитель – железо (а также никель, кобальт и сплавы наих основе). Величина намагниченности ферромагнетиков значительно превосходит намагниченность диа- и парамагнетиков.7Семестр 3. Лекция 11.У ферромагнетиков состояние намагниченности зависит от предыдущего состояния. Этоявление называется магнитный гистерезис (от греческого слова, означающего «отстающий»).При магнитном гистерезисе векторнамагничивания и вектор напряженно-JBсти магнитного поля в веществе зависит не только от приложенного внеш-JНАСнего поля, но и от предыстории данного образца.

Именно магнитным гистерезисом объясняется существованиеHКРHHпостоянных магнитов.Пусть начальное намагничивание в ферромагнетике отсутствовало. Тогда при увеличении напряженности магнитного поля намагниченность начинает нелинейно возрастать до некоторой величины – значения насыщения намагниченности.Следовательно, магнитная восприимчивость для ферромагнетиков зависит от величинынапряжённости χ =J. При увеличении Н величина χ стремится к нулю.HСуммарная индукция в веществе B = µ0 H + J()тоже будет нелинейно зависеть от напряженности пока у намагниченности не наступит насыщения.Рассмотрим процесс, в котором напряженность магнитного циклически изменяется.

Еслисначала намагничивания не было, то величина индукции поля увеличивается, например, до точки 1 по основной кривой намагничивания. Далее, при уменьшении напряжённости зависимостьB(H) изображается кривой 1-2-3-4. Точке 2 соответст-1Bвует нулевая напряжённость внешнего магнитного поля, но при этом у вещества наблюдается остаточноемагнитное поле величина индукции которого ВОСТ. Об-BОСТ2−HC3разец магнетика становится постоянным магнитом.Для размагничивания образца потребуется создать6HC5−BОСТHмагнитное поле (точка 3), вектор напряженности которого направлен в противоположном направлении вектору в состоянии 1. Величина такой напряженностиназывается коэрцитивной силой НС. При дальнейшем48увеличении напряженности индукция нелинейно воз-Семестр 3. Лекция 11.растает до выхода на кривую насыщения (точка 4).

Уменьшение напряженности приводит к зависимости В(Н), соответствующему участку кривой 4-5-6-1.Таким образом, намагничивание ферромагнетика зависит от его предыдущего состояния(предыстории), поэтому зависимость В(Н) неоднозначная. Следовательно, у ферромагнетиковпонятие магнитной проницаемости относится только к основной кривой намагничивания.Замкнутая кривая В(Н) называется петлёй гистерезиса.

Если крайние точки находятся накривой насыщения, то петля называется предельной (максимальной).Интеграл A =∫BdH равен работе, затрачиваемой на перемагничивание ферромагне-ПЕТЛЯтика за полный цикл изменения напряженности магнитного поля.Явление гистерезиса объясняется наличием у ферромагнетиков особых областей - доменов. В каждом домене, даже в отсутствие внешнего поля, магнитные моменты атомы ориентированы одинаково благодаря обменному взаимодействию и наблюдается спонтанное намагничивание вещества до состояния насыщения. Размеры доменов порядка микрометра (∼10-6 м).При отсутствии намагниченности результирующие магнитные моменты каждого ориентированы хаотически, поэтому в целом намагниченность равна нулю.

При наличии внешнего поляпроисходит ориентация доменов вдоль направления поля, в результате чего размеры областейспонтанного намагничивания начинают меняться – одни, направление моментов в которых совпадает с направлением поля, увеличиваются, другие уменьшаются. Этот процесс протекает необратимым образом, что является причиной гистерезиса.Для ферромагнетиков существует температура, которая называется точкой Кюри, прикоторой они теряют ферромагнитные свойства и становятся парамагнетиками. Для железаТС=1043 К, для Никеля ТС=627 К. При Т>TC магнитная восприимчивость зависит от температуры по закону Кюри-Вейса χ =С.Т − TCЗамечание. 1) Антиферромагнетизм - это одно из магнитных состояний вещества, при котороммагнитные моменты микроскопических токов вещества ориенти-B=0Bрованы навстречу друг другу (антипараллельно), и поэтому намагниченность тела в целом очень мала.

Этим антиферромагнетизм отличается от ферромагнетизма. Точка Неля – температураТN, выше которой антиферромагнетик теряет свои свойства.Например, для химических соединенийFeO TN=190 K, а у NiO TN=650 K.2) Ферриты - химические соединения оксида железа Fe2O3 с оксидами других металлов, обладающие уникальными магнитными свойствами, сочетающие высокую намагниченность и по9Семестр 3. Лекция 11.лупроводниковые или диэлектрические свойства, благодаря чему они получили широкое применение как магнитные материалы в радиотехнике, радиоэлектронике. Из-за уникального сочетания высоких магнитных свойств и низкой электропроводности ферриты не имеют конкурентов среди других магнитных материалов в технике высоких частот (более 100 кГц).10.