Магнитное поле в веществе

Магнитное поле в веществе

Содержание:

Исходя из исследований, выявлено, что любое вещество может обладать основными магнитными свойствами поля. При размещении двух витков с токами в определенную среду можно проследить за изменением между этими токами. Опыт говорит о том, что индукция магнитного поля, создаваемая ими же в веществе, отличается от магнитного поля, созданного в вакууме.

Чем создается магнитное поле

Физическая величина, которая показывает, во сколько раз индукция магнитного поля B → однородной массы отличается от индукции магнитного поля в вакууме B 0 → , называют магнитной проницаемостью μ = B B 0 .

О наличии магнитных свойств веществ можно судить по магнитным свойствам атомов или элементарных частиц. У нейтронов и протонов они в 1000 раз слабее, поэтому свойства определяют электронами. Важное свойство электрона – наличие электрического и собственного магнитного полей.

Собственное магнитное поле электрона получило название спинового (spin – вращение).

Создание магнитного поля электрона проходит за счет движения частиц по орбите вокруг ядра. Это явления сравнивается с круговым микротоком. Благодаря этому спиновые и магнитные поля отличаются большим количеством магнитных свойств.

Парамагнетики и диамагнетики

Каждое из веществ имеет ряд слабовыраженных и сильновыраженных отличительных характеристик.

Слабо-магнитные делят на парамагнетиков и диамагнетиков. Их отличие состоит в том, что при намагничивании магнитное поле первых направляется к внешнему полю, а поле вторых – против.

Отсюда следует, что парамагнетики μ > 1 , а диамагнетики μ 1 .

При рассматривании алюминия имеем, что μ – 1 ≈ 2 , 1 ċ 10 – 5 , хлористого железа ( F e C l 3 ) μ – 1 ≈ 2 , 5 · 10 – 3 . К данному типу относят платину и другие вещества. Из диамагнетиков – медь ( μ — 1 ≈ – 3 · 10 – 6 ) , воду ( μ – 1 ≈ – 9 · 10 – 6 ) , висмут ( μ – 1 ≈ – 1 , 7 · 10 – 3 ) . При размещении веществ обоих типов в неоднородном магнитном поле между полюсами электромагнита получаем, что парамагнетики втягиваются в область сильного поля, а диамагнетики выталкиваются. Подробно это изображено на рисунке 1 . 19 . 1 .

Рисунок 1 . 19 . 1 . Парамагнетик ( 1 ) и диамагнетик ( 2 ) в неоднородном магнитном поле.

Наличие пара- или диамагнетизма обусловлено поведением орбит на внешнем магнитом поле. Диамагнитные вещества при отсутствии внешнего поля имеются собственные магнитные и создаваемые орбитальным движением электронов поля. Они считаются скомпенсированными.

Диамагнетизм связан с действием силы Лоренца на электронные орбиты. При ее воздействии происходит изменение характера орбитального движения электронов и нарушение компенсации магнитных полей. При этом возникает собственное магнитное поле и направляется против индукции внешнего.

Атомы парамагнитных веществ отличаются тем, что имеется неполная скомпенсированность электронов. Тогда атом находится в небольшом круговом токе. Если внешнее поле отсутствует, тогда микротоки произвольны, а суммарная индукция равняется нулю. При его ориентирующем действии миктротоки действуют таким образом, что поля имеют то же направление, что и индукция внешнего поля.

Так как существует тепловое движение атомов, ориентация микротоков не может быть полной. При усилении внешнего поля возрастает ориентационный эффект, тогда индукция собственного магнитного поля растет прямо пропорционально индукции внешнего. Полная индукция состоит из индукции внешнего и собственного магнитных полей, возникающих при намагничивании.

Намагничивание парамагнетиков сравнивают с поляризацией полярных диэлектриков. Аналога для диамагнетизма среди электрических свойств вещества не существует. Диамагнитные свойства присущи атомам любых веществ. Но они могут быть замаскированы с помощью парамагнитного эффекта. Еще в 1845 г. М. Фарадеем было открыто явление диамагнетизма.

Ферромагнетики

Вещества, которые способны сильно намагничиваться в магнитном поле, называют ферромагнетиками.

Их магнитная проницаемость располагается в пределе 10 2 – 10 5 .

Если имеется сталь с μ ≈ 8000 , тогда сплав железа с никелем получит значение μ ≈ 250000 .

Данная группа рассматривает такие элементы, как железо, никель, кобальт, галодоний. Самая большая магнитная проницаемость имеется у железа, отсюда и название группы ферромагнетиками. Они могут относится к разным сплавам с ферромагнитными элементами. В технике применяют такие известные ферромагнитные материалы, как ферриты.

Для ферромагнетиков существует определенная температура (точка Кюри), превысив которую, вещества теряют свойства магнитного поля и становятся парамагнетиками. Для железа такая точка равняется 770 градусам Цельсия, для кобальта 1130 градусов, никеля 360 .

Ферромагнитные материалы делят на магнитно-мягкие и магнитно-жесткие.

Первые могут полностью размагничиваться при наличии нулевого внешнего магнитного поля. К таким веществам относят железо, электротехническую сталь и некоторые сплавы. Они применимы для приборов переменного тока с непрерывным перемагничиванием.

Вторые сохраняют намагниченность при удалении из магнитного поля. К таким металлам относят углеродистую сталь и специальные сплавы. Данные материалы актуальны для изготовления постоянных магнитов.

Магнитная проницаемость

Магнитная проницаемость μ – величина непостоянная, причем зависит от индукции внешнего поля B 0 . Данная зависимость наглядно изображена на рисунке 1 . 19 . 2 . Таблицы используются для приведения максимальных значений магнитной проницаемости.

Рисунок 1 . 19 . 2 . Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от физики индукции внешнего магнитного поля в веществе.

Непостоянство магнитной проницаемости указывает на нелинейную зависимость индукции магнитного поля B в ферромагнетике от B 0 внешнего магнитного поля.

Характерная особенность намагничивания ферромагнетиков – гистерезис, то есть ее зависимость от предыстории образца.

На рисунке 1 . 19 . 3 наглядно представлена зависимость B ( B 0 ) в виде кривой намагничивания с петлей сложной формы, называемой петлей гистерезиса.

Рисунок 1 . 19 . 3 . Петля гистерезиса ферромагнетика. Стрелками указано направление процессов намагничивания и размагничивания ферромагнитного образца при изменении индукции B 0 внешнего магнитного поля.

Чем создается магнитное поле постоянного магнита. Намагничивание

На вышеуказанном рисунке видно, что B 0 > B 0 s говорит о магнитном насыщении, то есть достижение максимальной намагниченности образца.

При уменьшении магнитной индукции B 0 внешнего поля и доведения до нулевого значения ферромагнетик сохраняет остаточную намагниченность, тогда поле внутри образца будет равняться B r . Благодаря остаточной намагниченности создаются постоянные магниты.

Для полного размагничивания следует изменить знак внешнего поля и довести магнитную индукцию B 0 до значения – B 0 c , называемого коэрцитивной силой.

Продолжение процесса перемагничивания указывается с помощью стрелок, как обозначено на рисунке 1 . 19 . 3 .

Значение коэрцитивной силы B 0 c у мягко-магнитных материалов невелико, поэтому петля гистерезиса достаточно узкая. Если ее значение превышено, тогда имеется широкая петля. Эти материалы считаются магнитно-жесткими.

Ферромагнетизм можно понять только при использовании основ квантовых представлений. Его качество определяется наличием спиновых полей электронов.

В кристаллах могут создаваться такие условия, при которых взаимодействие спиновых магнитных полей становится энергетически выгодным по причине параллельного размещения. Тогда внутри кристалла возникают намагниченные области размерами 10 – 2 – 10 – 4 с м . Они получили название доменов, каждый из которых существует как отдельный магнит.

Чем создается постоянное магнитное поле

Если внешнее магнитное поле направления векторов индукции магнитных полей отсутствуют, тогда домены располагаются в хаотичном порядке. Данный кристалл получил название ненамагниченного.

При наложении внешнего магнитного поля B 0 → образуется смещение границ доменов с их увеличением по внешнему полю. Увеличение индукции говорит о том, что произойдет возрастание индукции намагниченного вещества.

Когда внешнее поле достаточно сильное, то располагаемые в нем домены с совпадающим магнитным полем по направлению с внешним, поглощают остальные домены. Это называется магнитным насыщением.

Рисунок 1 . 19 . 4 явно показывает процесс намагничивания ферромагнитного образца.

Рисунок 1 . 19 . 4 . Намагничивание ферромагнитного образца. ( 1 ) B 0 = 0 ; ( 2 ) B 0 = B 01 ; ( 3 ) B 0 = B 02 > B 01 .

Источник:
http://zaochnik.com/spravochnik/fizika/magnitnoe-pole/magnitnoe-pole-v-veschestve/

11 класс Физика .

Урок №6. Магнитные свойства вещества

Основная цель урока: изучить новую тему, изучить применение веществ с различной магнитной проницаемостью.

Ссылка на видеоурок:

1. Магнитные свойства вещества

Все вещества в окружающей нас природе в какой — то мере обладают магнитными свойствами. Среди многих приборов навигации, необходимых для прокладывания курса кораблей или самолётов, обязательно должен быть и магнитный компас. Во многих измерительных приборах основными деталями служат постоянные магниты. Что же происходит с веществом, помещённом в магнитное поле? Вспомним, как магнитные свойства катушки, по которой течёт ток, усиливаются, если в катушку вставлен железный сердечник. Железный сердечник намного увеличивает магнитное поле в катушке с током. Мы знаем, что вокруг катушки с электрическим током возникает магнитное поле, а железный сердечник, создаёт своё магнитное поле и, согласно принципу суперпозиции полей, векторы этих двух полей складываются. Таким образом, мы наблюдаем усиление магнитного поля. Магнитную индукцию, создаваемую электрическим током, обозначим через (В). Магнитную индукцию поля в веществе обозначим через (В). При введении железного сердечника, появляется магнитная индукция поля, возникающая благодаря намагничиванию вещества (В1). Эти поля складываются по принципу суперпозиции полей. В итоге мы наблюдаем, что вещество может усилить или, возможно ослабить магнитное поле. Магнитная индукция поля, создаваемого этими токами в вакууме, будет меньше, чем магнитная индукция поля в веществе.

Магнитной проницаемостью вещества называется физическая скалярная величина показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме

Читайте также  Обзор инструмента

Ферромагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость много больше единицы. К ферромагнетикам относятся, например, железо, никель и кобальт.Из них, как легко заметить, чаще всего и изготавливают постоянные магниты. Здесь стоит отметить, что магнитная проницаемость ферромагнетиков зависит от магнитной индукции внешнего магнитного поля.

Главная особенность ферромагнетиков заключается в том, что им свойственен остаточный магнетизм, то есть будучи намагничен, ферромагнетик остается таковым даже после отключения источника внешнего магнитного поля.

Точка Кюри – температура, при которой ферромагнетики теряют ферромагнитные свойства.

Парамагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость чуть больше единицы. Это алюминий, вольфрам, щелочные металлы, магний, платина.Магнитная проницаемость парамагнетиков также зависит от температуры и уменьшается с повышением.

В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетики не обладают остаточной намагниченностью, то есть не имеют собственного магнитного поля. Из парамагнетиков постоянных магнитов не делают.

Но есть среди магнетиков и такие вещества, которые намагничиваются против приложенного к ним внешнего магнитного поля. Они называются диамагнетиками.

Магнитная проницаемость диамагнетиков практически не зависит ни от индукции прилагаемого к ним магнитного поля, ни от температуры. Когда диамагнетик оказывается вынесен из намагничивающего магнитного поля, он полностью размагничивается и собственного магнитного поля не несет.

К диамагнетикам относятся, например: медь, висмут, кварц, стекло, каменная соль. Идеальными диамагнетиками называют сверхпроводники, ибо внешнее магнитное поле не проникает в них вовсе. Это значит, что можно считать магнитную проницаемость сверхпроводника равной нулю.

Тест для самоконтроля:

1. Какая величина характеризует магнитные свойства среды?

а) магнитная индукция;

б) магнитная проницаемость;

в) магнитное поле.

2. Какие вещества относят к ферромагнетикам?

3. Температура Кюри – это температура, при которой.

а) ферромагнетик теряет ферромагнитные свойства;

б) плавятся ферромагнетики;

в) магнит становится менее сильным.

а) все вещества, проводящие ток, являются магнитами;

б) магнитные свойства тела определяются внутренними токами;

в) все намагниченные тела являются ферромагнетиками.

5. Какие вещества ослабляют магнитное поле?

6. Все вещества, помещённые в магнитное поле:

а) выталкиваются полем;

б) втягиваются полем;

в) создают собственное поле.

7. Диамагнетики – это вещества, у которых магнитная проницаемость:

8. Можно ли краном, снабжённым электромагнитом, переносить раскалённые стальные болванки?

в) в редких случаях.

9. Внутри атомов и молекул циркулируют элементарные электрические токи, образованные:

Источник:
http://edu.gospmr.org/mod/page/view.php?id=4925

Какие вещества усиливают магнитное поле

«Наш мир погружен в огромный океан энергии, мы летим в бесконечном пространстве с непостижимой скоростью. Всё вокруг вращается, движется — всё энергия. Перед нами грандиозная задача — найти способы добычи этой энергии. Тогда, извлекая её из этого неисчерпаемого источника, человечество будет продвигаться вперёд гигантскими шагами» Никола Тесла (1891)

среда, 10 февраля 2016 г.

Магнетики = диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики

Магнитные материалы, Магнетики — материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях — изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала и т. д. В этом смысле к магнетикам относятся практически все вещества (поскольку ни у какого из них магнитная восприимчивость не равна нулю точно), большинство из них относится к классам диамагнетиков (имеющие небольшую отрицательную магнитную восприимчивость — и несколько ослабляющие магнитное поле) или парамагнетиков (имеющие небольшую положительную магнитную восприимчивость — и несколько усиливающие магнитное поле); более редко встречаются ферромагнетики (имеющие большую положительную магнитную восприимчивость — и намного усиливающие магнитное поле), о ещё более редких классах веществ по отношению к действию на них магнитного поля.

Классификация магнитных материалов и требования к ним
Магнитными веществами, или магнетиками, называются вещества, обладающие магнитными свойствами. Под магнитными свойствами понимается способность вещества приобретать магнитный момент, т.е. намагничиваться при воздействии на него магнитного поля. В этом смысле все вещества в природе являются магнетиками, так как при воздействии магнитного поля приобретают определенный магнитный момент. Этот результирующий макроскопический магнитный момент М представляет собой сумму элементарных магнитных моментов mi — атомов данного вещества.

Элементарные магнитные моменты могут быть либо наведены магнитным полем, либо существовать в веществе до наложения магнитного поля; в последнем случае магнитное поле вызывает их преимущественную ориентацию.
Магнитные свойства различных материалов объясняются движением электронов в атомах, а также тем, что электроны и атомы имеют постоянные магнитные моменты.
Вращательное движение электронов вокруг ядер атомов аналогично действию некоторого контура электрического тока и создает магнитное поле, которое на достаточном расстоянии представляется как поле магнитного диполя с магнитным моментом, значение которого определяется произведением тока и площади контура, который ток обтекает. Магнитный момент является векторной величиной и направлен от южного полюса к северному. Такой магнитный момент называется орбитальным.

Сам электрон имеет магнитный момент, который называется спиновым магнитным моментом.
Атом представляет собой сложную магнитную систему, магнитный момент которой является результирующей всех магнитных моментов электронов, протонов и нейтронов. Так как магнитные моменты протонов и нейтронов существенно меньше, чем магнитные моменты электронов, магнитные свойства атомов по существу определяются магнитными моментами электронов. У имеющих техническое значение материалов это прежде всего спиновые магнитные моменты.
Результирующий магнитный момент атома при этом определяется векторной суммой орбитальных и спиновых магнитных моментов отдельных электронов в электронной оболочке атомов. Эти два вида магнитных моментов могут быть частично или полностью взаимно скомпенсированы.

В соответствии с магнитными свойствами материалы делятся на следующие группы:
а) диамагнитные (диамагнетики),
б) парамагнитные (парамагнетики),
в) ферромагнитные (ферромагнетики),
г) антиферромагнитные (антиферромагнетики),
д) ферримагнитные (ферримагнетики),
е) метамагнитные (метамагнетики).

А) Диамагнетики
Диамагнетизм проявляется в намагничивании вещества навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля.
Диамагнетизм свойствен всем веществам. При внесении какого-либо тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома, в силу закона электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые то­ки, т. е. добавочное круговое движение электронов вокруг направления магнитного поля. Эти токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент, направленный, согласно правилу Ленца, навстречу внешнему магнитному полю (независимо от того, имелся ли первоначально у атома собственный магнитный момент или нет и как он был ориентирован). У чисто диамагнитных веществ электронные оболочки атомов (молекул) не обладают постоянным маг­нитным моментом. Магнитные моменты, создаваемые отдельными электронами в таких атомах, в отсутствие внешнего маг­нитного поля взаимно скомпенсированы. В частности, это имеет место в атомах, ионах и молекулах с целиком заполнен­ными электронными оболочками в атомах инертных газов, в молекулах водорода, азота.

Удлинённый образец диамагнетика в однородном магнитном поле ориентиру­ется перпендикулярно силовым линиям поля (вектору напряженности поля). Из неоднородного магнитного поля он вытал­кивается в направлении уменьшения напряжённости поля.

Индуцированный магнитный момент I, приобретаемый 1 молем диамагнитного вещества, пропорционален напряженности внешнего поля H, т.е. I=χН. Коэффициент χ называется молярной диамагнитной восприимчивостью и имеет отрицательный знак (т.к. I и H направлены навстречу друг другу). Обычно абсолютная величина χ мала (

10-6), например для 1 моля гелия χ = -1,9·10-6.

Классическими диамагнетиками являются так называемые инертные газы (He, Ne, Ar, Kr и Xe), атомы которых имеют замкнутые внешние электронные оболочки.

К диамагнетикам также относятся: инертные газы в жидком и кристаллическом состояниях; соединения, содержащие ионы, подобные атомам инертных газов (Li+, Be2+ , Al3+ , O2- и т.д.); галоиды в газообразном, жидком и твердом состояниях; некоторые металлы (Zn, Au, Hg и др.). Диамагнетиками, точнее сверхдиамагнетиками, с χД = — (1/4) ≈ 0,1, являются сверхпроводники; у них диамагнитный эффект (выталкивание внешнего магнитного поля) обусловлен поверхностными макроскопическими токами. К диамагнетикам относится большое число органических веществ, причём у многоатомных соединений, особенно у циклических (ароматических и др.), магнитная восприимчивость анизотропна (таблица 6.1).

Б) Парамагнетики
Парамагнетизм – свойство веществ (парамагнетиков) намагничиваться в направлении внешнего магнитного поля, и, в отличие от ферро-, ферри- и антиферромагнетизма, парамагнетизм не связан с магнитной атомной структурой, а в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика равна нулю.

Парамагнетизм обусловлен в основном ориентацией под действием внешнего магнитного поля Н собственных магнитных моментов µ частиц парамагнетического вещества (атомов, ионов, молекул). Природа этих моментов может быть связана с орбитальным движением электронов, их спином, а также (в меньшей степени) со спином атомных ядер. При µН « kТ, где Т – абсолютная температура, намагниченность парамагнетика М пропорциональна внешнему полю: М=χН, где χ – магнитная восприимчивость. В отличие от диамагнетизма, для которого χ

1.
Термин «Парамагнетизм» ввёл в 1845 году Майкл Фарадей, который разделил все вещества (кроме ферромагнитных) на диа- и парамагнитные.
Атомы (молекулы или ионы) парамагнетика обладают собственными магнитными моментами, которые под действием внешних полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внешнее. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле. В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен, так как из-за теплового движения собственные магнитные моменты атомов ориентированы совершенно беспорядочно.
К парамагнетикам относятся алюминий (Al), платина (Pt), многие другие металлы (щелочные и щелочно-земельные металлы, а также сплавы этих металлов), кислород (О2), оксид азота (NO), оксид марганца (MnO), хлорное железо (FeCl3) и другие.
Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах, превышающих, соответственно, температуру Кюри или Нееля (температуру фазового перехода в парамагнитное состояние).

Читайте также  Как хранить фасоль в домашних условиях, чтобы не завелись жучки

Ферромагне́тики — вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, ферромагнетик — такое вещество, которое (при температуре ниже точки Кюри) способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.

Свойства ферромагнетиков
1. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы.
2. При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.
3. Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса.
4. Ферромагнетики притягиваются магнитом.

Источник:
http://96kw.blogspot.com/2016/02/blog-post.html

Журнал «Квант»

Магнитные свойства вещества. Магнитная проницаемость

Многочисленные опыты свидетельствуют о том, что все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются и создают собственное магнитное поле, действие которого складывается с действием внешнего магнитного поля:

vec B = vec B_0 + vec B_1,)

vec B) — магнитная индукция поля в веществе; (

vec B_0) — магнитная индукция поля в вакууме, (

vec B_1) — магнитная индукция поля, возникшего благодаря намагничиванию вещества. При этом вещество может либо усиливать, либо ослаблять магнитное поле. Влияние вещества на внешнее магнитное поле характеризуется величиной μ, которая называется магнитной проницаемостью вещества

Магнитная проницаемость — это физическая скалярная величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.

Вещества, ослабляющие внешнее магнитное поле, называют диамагнетиками (висмут, азот, гелий, углекислота, вода, серебро, золото, цинк, кадмий и др.).

Вещества, усиливающие внешнее магнитное поле, — парамагнетики (алюминий, кислород, платина, медь, кальций, хром, марганец, соли кобальта и др.).

Для диамагнетиков μ 1. Но в том и другом случае отличие μ от 1 невелико (несколько десятитысячных или стотысячных долей единицы). Так, например, у висмута μ = 0,9998 = 1,000.

Некоторые вещества (железо, кобальт, никель, гадолиний и различные сплавы) вызывают очень большое усиление внешнего поля. Их называют ферромагнетиками. Для них μ ≈ 10 3 -10 5 .

Впервые объяснение причин, вследствие которых тела обладают магнитными свойствами, дал Ампер. Согласно его гипотезе, внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи, которые и определяют магнитные свойства любого вещества.

В настоящее время установлено, что все атомы и элементарные частицы действительно обладают магнитными свойствами. Магнитные свойства атомов в основном определяются входящими в их состав электронами.

Согласно полуклассической модели атома, предложенной Э. Резерфордом и Н. Бором, электроны в атомах движутся вокруг ядра по замкнутым орбитам (в первом приближении можно считать, что по круговым). Движение электрона можно представить как элементарный круговой ток (

i = e cdot v), где е — заряд электрона, ν — частота вращения электрона по орбите. Этот ток образует магнитное поле, которое характеризуется магнитным моментом, модуль его определяется формулой (

p_m=iS = evS), где S — площадь орбиты.

Магнитный момент электрона, обусловленный движением вокруг ядра, называют орбитальным магнитным моментом. Орбитальный магнитный момент — это векторная величина, и направление (

vec p_m) определяется по правилу правого винта. Если электрон движется по ходу часовой стрелки (рис. 1), то токи направлены против хода часовой стрелки (по направлению движения положительного заряда), и вектор (

vec p_m) перпендикулярен плоскости орбиты.

Так как в атоме плоскости орбит различных электронов не совпадают, то их магнитные моменты направлены под разными углами друг к другу. Результирующий орбитальный магнитный момент многоэлектронного атома равен векторной сумме орбитальных магнитных моментов отдельных электронов.

Нескомпенсированным орбитальным магнитным моментом обладают атомы с частично заполненными электронными оболочками. В атомах с заполненными электронными оболочками он равен 0.

Кроме орбитального магнитного момента, электрон обладает еще собственным (спиновым) магнитным моментом (

vec p_), что впервые установили О. Штерн и В. Герлах в 1922 г. Существование магнитного поля у электрона было объяснено его вращением вокруг собственной оси, хотя и не следует буквально уподоблять электрон вращающемуся заряженному шарику (волчку).

Достоверно установлено, что магнитное поле электрона является таким же неотъемлемым свойством, как его масса и заряд. Электрон, в весьма грубом приближении, можно представить как очень маленький шарик, окруженный электрическим и магнитным полями (рис. 2). Магнитные поля у всех электронов одинаковы, как одинаковы их массы и заряды. Спиновый магнитный момент (

vec p_) — вектор, направленный вдоль оси вращения. Он может ориентироваться только двумя способами: либо по. либо против. Если в том месте, где находится электрон, есть внешнее магнитное поле, то либо по полю, либо против поля. Как показано в квантовой физике, в одинаковом энергетическом состоянии могут находиться только два электрона, спиновые магнитные моменты которых противоположны (принцип Паули).

У многоэлектронных атомов спиновые магнитные моменты отдельных электронов, как и орбитальные моменты, складываются как векторы. При этом результирующий спиновый магнитный момент атома у атомов с заполненными электронными оболочками равен 0.

Общий магнитный момент атома (молекулы) (

vec p_a) равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) входящих в атом (молекулу) электронов:

vec p_a = sum vec p_m + sum vec p_.)

Диамагнетики состоят из атомов, которые в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют собственных магнитных моментов, так как у них скомпенсированы все спиновые и все орбитальные магнитные моменты.

Внешнее магнитное поле не действует на весь атом диамагнетика, но действует на отдельные электроны атома, магнитные моменты которых отличны от нуля. Пусть в данный момент скорость (

vec v) электрона составляет некоторый угол α (рис. 3) с магнитной индукцией (

vec B_0) внешнего поля.

vec v_) на электрон будет действовать сила Лоренца (

F_L) (направленная к нам на рис. 3), которая вызовет дополнительное (кроме других движений, в которых участвует электрон при отсутствии поля) движение по окружности. Но это движение представляет собой дополнительный круговой ток, который создаст магнитное поле, характеризуемое магнитным моментом (

vec p_m )(наведенным), направленным по правилу правого винта навстречу (

vec B_0) . В результате диамагнетики ослабляют внешнее магнитное поле.

Парамагнетики состоят из атомов, у которых результирующий магнитный момент атома (

vec p_a not = 0). В отсутствие внешнего поля эти моменты ориентированы хаотически и вещество в целом не создает вокруг себя магнитного поля. При помещении парамагнетиков в магнитное поле происходит преимущественная ориентация векторов (

vec p_a) по полю (этому препятствует тепловое движение частиц). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называется парамагнитным. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается. В парамагнетиках наблюдается и диамагнитный эффект, но он значительно слабее парамагнитного.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C.330- 332.

Источник:
http://www.physbook.ru/index.php/T._%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D1%81%D0%B2._%D0%B2%D0%B5%D1%89%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B0

Какие вещества усиливают магнитное поле

Магнетики — вещества, обладающие магнитными свойствами. Магнетиками являются все вещества, поскольку согласно гипотезе Ампера, магнитные свойства создаются элементарными токами (движением электрона в атоме).

Электрон, вращающийся по замкнутой орбите, представляет собой ток, направление которого противоположно движению электрона. Тогда это движение создает магнитное поле, магнитный момент которого pm = IS направлен по правилу правой руки перпендикулярно плоскости орбиты.

Кроме того, независимо от орбитального движения, электроны обладают собственным магнитным моментом (спином). Таким образом, магнетизм атомов обусловлен двумя причинами: движением электронов по орбитам и собственным магнитным моментом.

При внесении магнетика во внешнее магнитное поле с индукцией В он намагничивается, то есть создает собственное магнитное поле с индукцией В’, которое складывется с внешним:

В = В + В’

Индукция собственного магнитного поля зависит как от внешнего поля, так и от магнитной восприимчивости χ вещества:

В’ = χ В

Тогда В = В + χ В = В (1 + χ)

Но магнитная индукция внутри магнетика зависит от магнитной проницаемости вещевтва:

Читайте также  Сколько раз в год рожает кошка: физиологические особенности

В = μ В

Отсюда μ = 1 + χ.

Магнитная восприимчивость χ — физическая величина, характеризующая связь между магнитным моментом (намагниченностью) вещества и магнитным полем в этом веществе

Магнитная проницаемость μ — коэффициент (зависящий от свойств среды), характеризующий связь между магнитной индукцией и напряжённостью магнитного поля в веществе

В отличие от диэлектрической проницаемости вещества, которая всегда больше единицы, магнитная проницаемость может быть как больше, так и меньше единицы. Различают диамагнетики ( μ 1) и ферромагнетики ( μ >> 1) .

Диамагнетики

Диамагнетиками называются вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции поля.

К диамагнетикам относятся вещества, магнитные моменты атомов, молекул или ионов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярный водород и азот, цинк, медь, золото, висмут, парафин и многие другие органические и неорганические соединения.

В случае отсутствия магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома равен нулю.

Т.к. диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойственен всем веществам.

Следует отметить, что магнитная проницаемость у диамагнетиков µ ο С

Согласно представлениям Вейсса (1865-1940), его описательной теории ферромагнетизма, ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намагниченностью независимо от наличия внешнего намагничивающего поля. Однако это вносило некое противоречие, т.к. многие ферромагнитные материалы при температурах ниже точки Кюри не намагничены.

Для устранения этого противоречия Вейсс ввел гипотезу, согласно которой ферромагнетик ниже точки Кюри разбивается на большое число малых микроскопических (порядка 10 -3 – 10 -2 см) областей – доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных атомов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю, т.е. ферромагнетик не намагничен.

Внешнее магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как в парамагнетике, а целых областей спонтанной намагниченности. Поэтому с ростом H намагниченность J и магнитная индукция B уже в слабых полях растет довольно быстро.

Различные ферромагнитные материалы обладают неодинаковой способностью проводить магнитный поток. Основной характеристикой ферромагнитного материала является петля магнитного гистерезиса В(Н). Эта зависимость определяет значение магнитной индукции, которая будет возбуждена в магнитопроводе из данного материала при воздействии некоторой напряженности поля.

Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетика. Пусть первоначально он был полностью размагничен. Сначала индукция быстро возрастает за счет того, что магнитные диполи ориентируются по силовым линиям поля, добавляя свой магнитный поток к внешнему. Затем ее рост замедляется по мере того, как количество неориентированных диполей уменьшается и, наконец, когда практически все они ориентируются по внешнему полю рост индукции прекращается и наступает режим насыщения.

Гистерезисом называют отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля .

Симметричная петля гистерезиса, полученная при максимальной напряженности поля Hm, соответствующей насыщению ферромагнетика, называется предельным циклом.

Для предельного цикла устанавливают также значения индукции Br при H = 0, которое называется остаточной индукцией, и значение Hc при B = 0, называемое коэрцитивной силой. Коэрцитивная (удерживающая) сила показывает, какую напряженность внешнего поля следует приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля.

Форма и характерные точки предельного цикла определяют свойства ферромагнетика. Вещества с большой остаточной индукцией, коэрцитивной силой и площадью петли гистерезиса называются магнитнотвердыми.

Они используются для изготовления постоянных магнитов. Вещества с малой остаточной индукцией и площадью петли гистерезиса (кривая 2 рис.8а) называются магнитномягкими и используются для изготовления магнитопроводов электротехнических устройств, в особенности работающих при периодически изменяющемся магнитном потоке.

Площадь петли гистерезиса характеризует работу, которую необходимо совершить для перемагничивания ферромагнетика. Если по условиям работы ферромагнетик должен перемагничиваться, то его следует делать из магнито-мягкого материала, площадь петли гистерезиса которого мала. Из мягких ферромагнетиков делают сердечники трансформаторов.

Из жестких ферромагнетиков (сталь и ее сплавы) делают постоянные магниты.

Источник:
http://light-fizika.ru/index.php/11-klass/8-fizika/130-

Парамагнетики – слабомагнитные вещества, усиливают магнитное поле;

(Al, Mn, Mo, Cr)

Парамагнетиками называют вещества, у которых даже в отсутствии внешнего магнитного поля атомы и молекулы имеют собственный магнитный момент. Однако, в отсутствии внешнего магнитного поля, магнитные моменты разных атомов и молекул ориентированы хаотически. При этом магнитный момент любого макроскопического объема вещества равен нулю. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле, магнитные моменты ориентируются по направлению внешнего магнитного поля, и возникает магнитный момент, направленный вдоль направления магнитного поля.

Однако, суммарное магнитное поле, возникающее в парамагнетике существенно перекрывает диамагнитный эффект.

Намагниченностью вещества называется магнитный момент единицы объема вещества.

где — магнитный момент всего магнетика, равный векторной сумме магнитных моментов отдельных атомов и молекул.

Магнитное поле в веществе складывается из двух полей: внешнего поля и поля , создаваемого намагниченным веществом:

(1)

(2)

(3)

(читается «хи») – магнитная восприимчивость вещества.

(4)

Подставим формулы (2), (3), (4) в формулу (1):

(*)

Коэффициент — безразмерная величина.

Для диамагнетиков (это означает, что поле молекулярных токов противоположно внешнему полю).

Для парамагнетиков (это означает, что поле молекулярных токов совпадает со внешним полем). Следовательно, для диамагнетиков , а для парамагнетиков .

6.5. Ферромагнетики и их свойства

Диамагнетики и парамагнетики являются слабомагнитными веществами. Для них есть величина постоянная, и незначительно отличающаяся от единицы.

Существуют сильномагнитные вещества, называемые ферромагнетиками (Fe, Co, Ni).

Ферромагнетики это вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, то есть они намагничены даже в отсутствие внешнего магнитного поля.

Существенной особенностью ферромагнетиков является большое значение . Например, для железа , а для сплава супермаллоя.

Вторая особенность ферромагнетиков в том, что величина

НЕ ЯВЛЯЕТСЯ КОНСТАНТОЙ.

Установлена экспериментальная зависимость между и Н (рис.).

Петля гистерезиса, коэрцитивная сила

Зависимость намагниченности J от напряженности внешнего магнитного поля H образует так называемую «петлю гистерезиса».

Вначале (участок 0-1) ферромагнетик намагничивается, причем намагничивание происходит не линейно, и в точке 1 достигается насыщение, то есть, при дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля рост тока прекращается.

Если начать уменьшать напряженность намагничивающего поля, то уменьшение намагниченности идет по кривой 1-2, лежащей выше кривой 0 -1.

При наблюдается остаточное намагничивание (). С наличием остаточной намагниченности связано существование постоянных магнитов.

Намагниченность обращается в ноль в точке 3, при отрицательном значении магнитного поля , которое называется коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3-4).

Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4-5-6) и вновь намагнитить до насыщения (кривая 6-1). Ферромагнетики с малой коэрцитивной силой (с малыми значениями ) называются мягкими ферромагнетиками, и им соответствует узкая петля гистерезиса.

Ферромагнетики, имеющие большое значение коэрцитивной силы называются жесткими ферромагнетиками.

Для каждого ферромагнетика существует определенная температура, называемая точкой Кюри, при которой ферромагнетик теряет свои ферромагнитные свойства.

Природа ферромагнетизма

Согласно представлениям Вейсса ферромагнетики при температуре ниже точки Кюри имеют доменную структуру, а именно ферромагнетики состоят из макроскопических областей, называемых доменами, каждый из которых имеет свой собственный магнитный момент, представляющий собой сумму магнитных моментов большого количества атомов вещества, ориентированных в одном направлении.

В отсутствие внешнего магнитного поля домены ориентированы хаотично и результирующий магнитный момент ферромагнетика в целом равен нулю.

При приложении внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов начинают ориентировться в направлении поля. При этом намагниченность вещества возрастает.

При некотором значении напряженности внешнего магнитного поля все домены оказываются ориентированы вдоль направления поля. При этом рост намагниченности прекращается (наступает насыщение). При уменьшении напряженности внешнего магнитного поля намагниченность вновь начинает уменьшаться, однако, не все домены разориентируются одновременно, поэтому уменьшение намагниченности идет медленнее, и при равной нулю напряженности магнитного поля между некоторыми доменами остается достаточно сильная ориентирующая связь, которая приводит к наличию остаточной намагниченности, совпадающей с направлением магнитного поля, существовавшего ранее.

Чтобы разрушить эту связь, необходимо приложить магнитное поле в противоположном направлении. При значениях температуры выше значения точки Кюри увеличивается интенсивность теплового движения. Хаотическое тепловое движение разрывает связи внутри доменов, то есть теряется преимущественная ориентация самих доменов. Таким образом, ферромагнетик теряет свои ферромагнитные свойства.

Источник:
http://studopedia.su/10_110247_paramagnetiki—slabomagnitnie-veshchestva-usilivayut-magnitnoe-pole.html