Реферат: Ферромагнетики

Виміри показують, що магнітна проникність усіх речовин відмінна від одиниці, хоча в більшості випадків ця відмінність дуже мала. Але особливо чудовим виявляється той факт, що в одних тіл величина магнітної проникності >1 , а в інших вона <1, тобто внесення в магнітне поле одних речовин збільшує магнітний потік, а інших речовин - зменшує цей потік. Перші з цих речовин називаються парамагнітними, а другі - діамагнітними. Як показує таблиця 1, відмінність величини м.п. від одиниці як у парамагнітних, так і в діамагнітних речовин невелико.

Потрібно особливо підкреслити, що для парамагнітних і діамагнітних тіл величина проникності не залежить від напруженості зовнішнього, що намагнічує поле, тобто являє собою постійну величину, що характеризує дану речовину. Як ми побачимо нижче, це не має місця для заліза й інших подібних з ним (феромагнітних) тел.

За допомогою дуже ретельних вимірів можна знайти зміну магнітного поля і визначити величину магнітної проникності різних матеріалів..

Вплив парамагнітних і діамагнітних речовин на величину магнітного потоку ми пояснюємо так само, як і вплив речовин феромагнітних, тим, що до магнітного потоку, створюваному струмом в обмотці котушки, приєднується потік, що виходить з елементарних амперівых струмів. Парамагнітні тіла збільшують магнітний потік котушки. Це збільшення потоку при заповненні котушки парамагнітною речовиною вказує на те, що й у парамагнітних речовинах під дією зовнішнього магнітного поле елементарні струми орієнтуються так, що напрямок їхній збігається з напрямком струму обмотки (мал. 1). Невелика відмінність від одиниці вказує лише на те, що у випадку парамагнітних речовин цей додатковий магнітний потік дуже невеликий, тобто що парамагнітні речовини намагнічуються дуже слабко.

Мал. 1. Діамагнітні речовини усередині котушки послабляють магнітне поле соленоїда.

Елементарні струми в них спрямовані протилежно току в соленоїді.

Зменшення магнітного потоку при заповненні котушки діамагнітною речовиною означає, що в цьому випадку магнітний потік від елементарних струмів спрямований протилежно магнітному потоку котушки, тобто що в діамагнітних речовинах під дією зовнішнього магнітного поле виникають елементарні струми, спрямовані протилежно струмам обмотки (мал. 1). Малість відхилень від одиниці й у цьому випадку вказує на те, що додатковий потік цих елементарних струмів невеликий.

Крім діа- і парамагнетиків існує велика група речовин, що володіють спонтанною намагніченістю, тобто маючих не рівну нулю намагніченість навіть під час відсутності магнітного поле. Ця група магнетиков одержала назву ферромагнетиків . Для них залежність J(H) є нелінійною функцією, і повний цикл перемагнічування описується петлею гистерезиса. У цих речовинах магнітна сприйнятливість сама залежить від Н

Циклічне перемагнічування

Розглянемо процес перемагнічування ферромагнетиків.

Допустимо , що кільцевий магнитопровод з феромагнітного матеріалу не намагнічений і струму у витках котушки ні, тобто B=0 і H=0 (початок координат на мал. 4). При поступовому збільшенні струму , що намагнічує, тобто МДС (магніто-рушійна сила), а отже, і напруженості поля від нуля до деякого найбільшого значення

магнітна індукція збільшується по кривій початкового намагнічування (Оа) і досягає відповідного максимального значення Ba.

Якщо потім струм і напруженість поля зменшуються, то і магнітній індукції зменшується, при відповідних значеннях напруженості магнітна індукція трохи більше , ніж при збільшенні напруженості. Крива зміни магнітної індукції (ділянка aб на мал. 4) розташовується вище кривій початкового намагнічування. При нульових значеннях струму і напруженості поля магнітна індукція має деяке значення Br, називане залишковою індукцією (відрізок Про на мал.).

Таким чином, магнітна індукція у феромагнітному матеріалі залежить не тільки від напруженості поля, але і від попереднього стану ферромагнетика. Це явище називається гистерезисом. Воно обумовлено ніби внутрішнім тертям, що виникає при зміні орієнтації магнітних моментів доменів.

При зміні напрямку струму , що намагнічує, а, отже, і напрямку напруженості поля і поступовому збільшенні струму зворотного напрямку напруженість полючи досягає значення Hc, називаного коэрцитивной силою (відрізок Ов), при якому магнітна індукція B=0. При подальшому збільшенні струму і напруженості полючи магнитопровод намагнічується в протилежному напрямку і при напруженості полючи Hг = -Ha магнітна індукція досягне значения Bг = -Ba. Потім при зменшенні струму і напруженості поля до нуля магнітна індукція Bд стає рівною -Bб. Нарешті, при наступній зміні напрямку струму і напруженості поля і збільшення її до колишнього значення На магнітна індукція збільшиться також до колишнього значення Ba. Розглянутий цикл перемагнічування ферромагнетика по кривій абвгдеа називається гістерезисним циклом (петлею гистерезиса).

Така симетрична замкнута петля гистерезиса (мал.) виходить у дійсності тільки після декількох перемагнічувань зі збільшенням струму до значення Іa. При перших циклах перемагнічування петля несиметрична і незамкнута. Найбільша замкнута петля, що може бути отримана для даного феромагнітного матеріалу, називається граничної (мал. 5). При напруженості полючи H > Hmax виходить уже безгістерезисна ділянка кривій B(H).

Якщо для даного феромагнітного матеріалу, вибираючи різні найбільші значення струму Іa, одержати кілька симетричних петель гистерезиса (мал. 5) і з'єднати вершини петель, то одержимо криву, називану основній кривій намагнічування, близьку до кривої початкового намагнічування.

Циклічне перемагнічування можна застосувати для розмагнічування магнитопровода, тобто для зменшення залишкової індукції до нульового значення. З цією метою магнитопровід піддають впливові змінюються по напрямку і поступово зменшуваного магнітного поля.

Періодичне перемагнічування зв'язане з витратою енергії, що, перетворюючи в тепло, викликає нагрівання магнітопровода. Площа петлі гистерезиса пропорційна енергії, витраченої при одному циклі перемагнічування. Енергія, витрачена на процес перемагнічування, називається втратами від гистерезиса. Потужність утрат на циклічне перемагнічування, що виражається звичайно у ватах на кілограм, залежить від матеріалу, максимальної магнітної індукції і числа циклів перемагнічування в секунду або , що теж, частоти перемагнічування.

Рух парамагнітних і діамагнітних тіл у магнітному полі. Досліди Фарадея. Притягання залізних предметів до магнітів є найбільш простим і кидається в очі проявом магнітного поля й історично послужило основою всього розвитку навчання про магнетизм. Воно зводиться до впливу магнітного поле на орієнтовані молекулярні струми заліза, що намагнітилося. Так само, але тільки значно слабкіше повинне діяти магнітне поле і на парамагнітні тіла, тому що й у парамагнітних тілах орієнтація елементарних струмів відбувається так само, як у феромагнітних: магнітний потік елементарних струмів підсилює, хоча і незначно, магнітний потік що орієнтує поле і, отже, парамагнітні тіла притягаються до магніту (мал. 2, а).

Мал. 2. а) При намагнічуванні парамагнітного чи феромагнітного тіла на найближчому до магніту кінці виникає полюс, різнойменний з полюсом магніту, що намагнічує. Парамагнітне тіло притягається до магніту,

б) У тих же умовах на найближчому до магніту кінці діамагнітного тіла виникає полюс однойменний. Діамагнітне тіло відштовхується від магніту.

На відміну від тіл парамагнітних діамагнітні тіла зменшують магнітний потік котушки. Це означає, що в діамагнітному тілі під дією зовнішнього поле виникають елементарні колові струми такого напрямку, що їхнє магнітне поле протилежне напрямку зовнішнього магнітного поле. Отже, і дія зовнішнього магнітного поле на діамагнітні тіла протилежно по напрямку дії його на тіла ферро-и парамагнітні, тобто діамагнітні тіла відштовхуються від магніту (мал. 2, б).

Мал.3

Ми можемо виразити цей факт і трохи інакше. Коли ми підносимо до магніту яке-небудь залізне тіло, то воно намагнічується так, що на тій стороні його, що звернена до магніту, виникає полюс, різнойменний з полюсом магніту; те ж має місце й у випадку парамагнітного тіла (мал. 2, а). Навпроти, у випадку діамагнітного тіла на стороні, найближчої до полюса магніту, що намагнічує, виникає полюс, однойменний з цим полюсом магніту (мал. 2, б). Мал. 3 пояснює, чому парамагнітні тіла притягаються до магніту, а діамагнітні відштовхуються від нього.

Саме такі дії і були виявлені Фарадеєм. У 1845 р., викомалтовувавши сильний електромагніт, Фарадей установив здатність усіх тіл намагнічуватися і відкрив, що одні тіла притягаються до магніту, а інші відштовхуються від нього. Він запропонував для перших назва парамагнітних, для других назва діамагнітних. Індукційні досліди з пари- і діамагнітними тілами, були зроблені значно пізніше, коли магнітні властивості діамагнітних і парамагнітних тіл були уже встановлені на підставі досліджень Фарадея.