Э.Т. Брук, В.Е. Фертман - «Ёж» в стакане. Магнитные материалы - от твердого тела к жидкости (1163240), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Впрочем, поиски высокотемпературных сверхпроводников продолжаются, так что и здесь ситуация может перемениться в благоприятную сторону. Гораздо большие успехи (в смысле величины напряженности поля) достигнуты в импульсных источниках поля, которые существуют лишь короткие промежутки времени, как правило, доли секунды. Пионером исследований импульсных источников выступил лауреат Ленинской и Нобелевской премий академик П. Л. Капица.
В середине 20-х годов (тогда он еще не был ни лауреатом, ни академиком и работал в лаборатории внаменитого Резерфорда) Капица высказал идею, что при получении магнитных полей в течение очень короткого времени даже при очень большой мощности в обмотке катушки выделится не слишком большая энергия, и, следовательно, катушка не успеет разогреться выше допустимого предела. Мощность — это энергия в единицу времени, и если известна предельная энергия, которая может выделиться в катушке без опасения, что та расплавится (мы считаем, что тепло не успевает уйти ив катушки), то, увеличивая мощность и сокращая время в одинаковое число раз, можно не превысить предельную энергию. Хотя идея Капицы была несложной, ее реализация потребовала немалой изобретательности, причем основной проблемой оказалось получение больших мощностей. Он установил, что для импульсных полей длительностью порядка одной сотой секунды наиболее удачным источником энергии являются динамома шины со специально сконструированной обмоткой, обладающей малым внутренним сопротивлением.
Эта установка получила название ударного генератора. Якорь такого генератора раскручивался мотором при разомкнутой цепи, а когда он достигал требуемой скорости вращения, цепь, в которую была включена и катушка, замыкалась, и через нее в течение короткого времени шел большой ток. Таким способом Капица получал поля до 300 000 Э. С того времени экспериментальная техника значительно усовершенствовалась, были изобретены и созданы новые электротехнические материалы.
Теперь в качестве источников энергии используются конденсаторные накопители- батареи, способные в течение микросекунд выделять огромную энергию (сотни килоджоулей). В результате удается получать напряженности магнитных полей в миллионы эрстед. Так обстоит дело с источниками магнитного ПОЛЯ. Но начинать эксперимент еще рано.
Нам понадобится измерительная аппаратура, которая позволила бы контролировать различные величины, связанные с поведением ферромагнетика во внешнем магнитном поле. Что это за величины? В первую очередь само магнитное поле, его напряженность. 89 Прежде чем измерять какую-либо физическую величину, неплохо понять ее физический смысл (это неплохо и в тех случаях, когда ее измерять не надо). Одна из возможностей пояснить смысл напряженности магнитного поля состоит в том, чтобы указать воздействие, которое зто поле оказывает на движущийся электрический заряд. Если скорость заряда м, а величина его д, то сила, действующая на заряженную частицу, пропорциональна векторному произведению скорости заряда на напря- ЖЮННОСТЬ МЗГНИТНОГО ПОЛЯ: ~=9~ Х Н Согласно правилам, вектор (в нашем случае сила), являющийся векторным произведением двух векторов (скорости и напряженности), перпендикулярен им.
Таким образом, магнитная сила всегда направлена перпендикулярно к скорости заряженной частицы. Две другие величины, с помощью которых описывается процесс намагничивания,— это, 'вектор намагниченности М, или просто намагниченность, и магнитная индукция В (это тоже вектор). Что они собой представляются Для ответа на этот вопрос нам снова придется вернуться «внутрь» ферромагнетика (все дальнейшие рассуждения верны и для неферромагнетиков, но ферромагнетики для нас наиболее интересны) . Мы знаем, что каждый магнитный момент создает вокруг себя магнитное поле.
Если бы мы имели возможность, уменьшившись до размера атома, действительно проникнуть внутрь ферромагнетика и захватили бы с собой еще меньший приборчик для измерения напряженности магнитного поля, то мы обнаружили бы, что поле меняется очень быстро на малых расстояниях. Причина этого ясна: ведь в кристалле полно магнитных моментов разного происхождения.
Приближаясь к ним, мы заметили бы увеличение напряженности магнитного поля; удаляясь, — падение. Давайте мысленно выделим в ферромагнитном кристалле небольшой объем, причем слово «небольшой» следует понимать так: он мал по сравнению с полным объемом кристалла, но будет содержать достаточно много атомов (порядка числа Авогадро, т. е. 6,022 )О~з частиц). Если интересоваться сейчас только полем, которое создает выделенный объем, то можно заметить, что это поле уже не будет претерпевать резких изменений: поля маГнитньи моментов Отдельных атомов будут суммироваться, создавая в результате плавное изменение поля, которое называется средним. Что произойдет, когда ферромагнетик (или любой другой магнитный материал) попадет во внешнее магнитное поле Н, например в поле, созданное в воздушном зазоре злектромагнита1 В результате он приобретет магнитный момент (это н будет намагниченность), который пропорционален приложенному внешнему магнитному полю: Величина Х называется магнитной восприимчивостью и зависит от величины приложенно- ГО ПОЛЯ.
Ясно, что возникающий в результате воздействия внешнего магнитного поля Н магнитный момент М сам создает магнитное поле. 91 щихся исследователей, внесших огромный вклад в изучение электромагнитных явлений: Эрстеда и Гаусса, имена которых и увековечены в названиях упомянутых единиц. Надо сказать, что никакой особой путаницы в результате этого двойного наименования не возникает, и все, кто занимается физическими исследованиями магнитных явлений, давно к этому привыкли. Так и получилось, что во многих книгах (в том числе и в нашей) можно найти зависимости В в гауссах от Н в эрстедах, хотя это одна и та же единица.
Необходимость международной унификации единиц измерения ощущалась с давних пор. После широкого предварительного обсуждения в октябре 1960 г. Х! Генеральная конференция по мерам и весам окончательно приняла новую систему и присвоила ей наименование ~Международная система единиц» с сокращенным обозначением 81 (СИ). В этой системе величина индукции В измеряется в единицах Вб/м' (Вб означает Вебер, по имени немецкого физика Вильгельма Эдуарда Вебера), названных теслой по имени сербского уче- ного Н. Теслы.
В СИ размерность М та же, что и размерность Н (А/м). Если вы собирае- тесь проектировать устройства, содержащие источники магнитного поля, то вам будут полезны следующие соотношения: В (гаусс) =10 ' В (тесла); Н (гаусс) = Н (эрстед) =79,577 Н(А/м); М (гаусс) =10' М(А/м). В СИ иначе выглядит и связь между нндукцией, полем и намагниченностью: Хотя мы использовали здесь для их обозначения те же буквы, что и в Гауссовой системе, на самом деле это совсем другие величины, поэтому они и измеряются в других единицах.
Величина но, появившаяся в уравнении, называется магнитной проницаемостью вакуума или магнитной постоянной. Она равна 4 К Х 1О ' Гн/м (Гн означает Генри, по имени американского физика Джорджа Генри). МОжнО скэЗЗть, что недостзткз В едияи" цах измерения магнитных величин не испытывается. Скорее их имеется некоторый избыток. В разных книгах и справочниках по магнетизму используются разные единицы измерения, поэтому минимальное требование к читателю таких книг — быть осторожным и внимательным! Ведь численные значения одних и тех же величин в разных системах единиц могут отличаться на многие порядки! Вернемся теперь к нашим величинам, которые будем в дальнейшем измерять в зависимости от удобства в Гауссовой системе или в СИ (как видите, путаница может быть и удобной) .
В самом начале нашего рассказа мы говорили о диамагнетиках и парамагнетиках. В терминах восприимчивости или проницаемости различие между ними выглядит так. Диамагнетики, как мы помним,— это те вещества, которые ослабляют поле; восприимчивость для них отрицательна, а проницаемость меньше единицы. В результате намагниченность оказывается направленной против приложенного поля, а индукция меньше, чем напряженность этого поля. Для парамагнетиков восприимчивость положительна, а проницаемость больше еди- ницы. В этом случае намагниченность совпадает по направлению с приложенным полем, а индукция по величине больше, чем напряженность этоГо поля. Типичные значения восприимчивости для диамагнетиков — величины порядка 1О " (они отрицательны!).
Для парамагнетиков, за исключением, разумеется, ферромагнетиков, которые по этой классификации следует отнести к парамагнетикам, восприимчивость обычно намного меньше единицы и может состаВлять в зависимости от конкретного вещества сотые доли единицы и меньше. Разумеется, она положительна. Две величины, характеризующие поведение магнитных материалов в магнитном поле— восприимчивость и проницаемость, связаны между собой простым линейным соотношением. Для слабых магнетиков — диа- и парамагнетиков — более удобно пользоваться вели- чиной восприимчивости, ибо проницаемость чрезвычайно близка к единице.
Что касается ферромагнетиков, то для них в зависимости от удобства используются обе величины. Теперь мы лучше представляем себе, какие именно величины нужно измерять и какой смысл они имеют. И все-таки начинать измерения, хотя бы и мысленные, еще рановато. Слова о большей простоте работы экспериментатора по сравнению с трудом теоретика носят, конечно, шутливый характер. Всякая работа сопряжена с трудностями, и друг от друга разные виды деятельности отличаются различными наборами препятствий, которые и риходится преодолевать.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
