Реферат: Ферромагнетики

У тих випадках, коли удається вимірити і тим і іншому способу, виходять результати, що погодяться.

Приклад 1 : Полюса сильного електромагніта на мал. 3 зрізані не паралельно один одному, так що унизу відстань між ними значно менше, ніж нагорі. Між ними підвішується на нитці кулька з різних випробуваних матеріалів. Верхній кінець нитки прикріплений до спіральної пружинки, розтягання якої дозволяє вимірити силу, що діє з боку магнітного поле на кульку (пружинні ваги). Виявляється, що якщо кулька виготовлена з алюмінію, чи вольфраму платины, те ця сила спрямована вниз (пружинка розтягується), а у випадку срібла, золота, чи міді вісмуту вона спрямована нагору (пружинка скорочується).

Приклад 2: При дослідженні магнітної проникності рідких тіл часто надходять так. Рідину наливають у колінчату трубку й одне з колін поміщають між полюсами сильного електромагніта (мал 4).Рідина в цьому коліні чи піднімається опускається в залежності від того, чи є вона парамагнітної чи діамагнітний.

Молекулярна теорія магнетизму. Теорія, що пояснює розходження в магнітних властивостях речовин на основі вивчення будівлі окремих часток цих речовин - їхніх чи атомів молекул,- одержала назву молекулярної теорії магнетизму. Ця теорія дуже складна і багато в чому ще не довершена. Тому тут ми не можемо розбирати її скільки-небудь докладно. Укажемо лише на основні причини розходження між властивостями парамагнітних і діамагнітних тел.

Кожне тіло, і парамагнітне і діамагнітне, представляється нам у цілому ненамагніченим доти, поки на нього не діє зовнішнє магнітне поле. Але обумовлюється це в тілах парамагнітних і в тілах діамагнітних різними причинами. Діамагнітними є тіла, кожна частка яких - чи атом молекула - знаходячись поза магнітним поле, не має магнітні властивості.

Тільки зовнішнє магнітне поле перетворює їх в елементарні магніти (викликає елементарні струми), певним чином спрямовані. Навпроти, частки парамагнітних речовин уже самі по собі, ще до того, як на них початок діяти зовнішнє поле, являють собою елементарні магніти (елементарні струми). Тут роль зовнішнього магнітного поле зводиться до визначеної орієнтації, упорядкуванню розташування цих магнітиків. Поки поле не діяло, усі вони були розташовані безладно, хаотично, і речовина в цілому представлялося нам ненамагничеиным. У магнітному ж полі ці елементарні магніти вибудовуються в більшій чи меншій мері рівнобіжними ланцюжками і речовина в цілому намагнічується.

У чому ж складається розходження між будівлею часток діамагнітних і парамагнітних речовин? В атомах усіх тіл є велике число електронів, що рухаються. Кожний з них і являє собою амперів елементарний круговий струм. Але в атомах діамагнітних речовин до внесення їх у магнітне поле магнітні дії цих окремих струмів взаємно компенсують один одного, так що атом у цілому не є елементарним магнітом. Коли ми вносимо таку речовину в магнітне поле, то на кожен електрон, що рухається, діє сила Лоренца, і сукупна дія всіх цих сил, як показує розрахунок, приводить до того, що в атомі индуцируется визначений струм, тобто атом здобуває властивості елементарного магнітика. Тому що ці струми є індукованими, то напрямок їхній, відповідно до правила Ленца, повинне бути протилежно напрямку струму в котушці, що створює зовнішнє магнітне поле, тобто магнітний потік від цих струмів повинний послабляти потік зовнішнього поле, і діамагнітне тіло відштовхується від магніту.

В атомах парамагнітних речовин магнітні дії окремих електронів не цілком компенсують один одного, так що атом у цілому і сам по собі є елементарним магнітом. Дія зовнішнього магнітного поле упорядковує розташування цих елементарних струмів (магнітиків), причому струми орієнтуються так, що їхній напрямок переважно збігається з напрямком струму котушки, що створює зовнішнє магнітне поле. Тому магнітний потік від елементарних струмів у цьому випадку підсилює потік котушки, і парамагнітне тіло притягається до магніту.

Строго говорячи, діамагнетизм є загальною властивістю усіх речовин. Зовнішнє магнітне поле робить і на атоми парамагнітних речовин таке ж индуцирующее дія, як на атоми діамагнітних речовин. Але в парамагнітних речовинах ця дія перекривається більш сильною дією, що орієнтує, зовнішнього магнітного поле, що упорядковує власні елементарні струми атомів.

Зі сказаного ясно, що властивості парамагнітних тіл можна було б пояснити і за допомогою гіпотези Кулона про елементарні магнітики. Однак явища діамагнетизму показують неприйнятність цієї гіпотези, тому що зовнішнє поле не може орієнтувати елементарні магнітики назустріч полю, що потрібно б було допустити для пояснення діамагнетизму. Тільки теорія молекулярних струмів дозволяє, як ми бачили, за допомогою явищ індукції пояснити діамагнітні властивості речовини поряд з парамагнітними.

Ми бачимо, таким чином, що діамагнетизм і парамагнетизм порозуміваються розходженнями в будівлі самих чи атомів молекул речовини.

Магнітний захист. Саме собою зрозуміло, що. намагнічування феромагнітних, парамагнітних і діамагнітних тіл відбувається не тільки тоді, коли ми поміщаємо їх усередину соленоїда, але і взагалі завжди, коли речовина міститься в магнітне поле. В усіх цих випадках до магнітного поля, що існувало до внесення нашого тіла, додається магнітне поле, обумовлене намагнічуванням речовини, у результаті чого магнітне поле змінюється. Зі сказаного раніше ясно, що найбільш сильні зміни поле відбуваються при внесенні в нього феромагнітних тіл, зокрема заліза. Зміна магнітного поле навколо феромагнітних тіл дуже зручно спостерігати, комалтаючись картиною силових ліній, одержуваної за допомогою залізних обпилювань.

На мал. 5 зображені, наприклад, зміни, що спостерігаються при внесенні шматка заліза прямокутної форми в магнітне поле, що раніш було однорідним.

Мал. 5 Зміна магнітного поле при внесенні в нього шматка заліза.

Як бачимо, поле перестає бути однорідним і здобуває складний характер: в одних місцях воно підсилюється, в інші - послабляється.

Дуже цікаво і практично важлива картина, що спостерігається при внесенні в магнітне поле замкнутої залізної судини, наприклад кульової форми.

Як видно з мал.6, у результаті додавання зовнішнього магнітного поле з полем заліза, що намагнітилося, поле у внутрішній області кулі майже зникає. Цим комалтаються для створення магнітного чи захисту магнітної экранировки, тобто для захисту тих чи інших приладів від дії зовнішнього магнітного поле. Картина, що ми спостерігаємо при створенні магнітного захисту, зовні нагадує створення електростатичного захисту за допомогою провідної оболонки. Однак між цими явищами є глибоке принципове розходження. У випадку електростатичного захисту металеві стінки можуть бути як завгодно тонкі. Досить, наприклад, посріблити поверхня скляної судини, поміщеного в електричному полі, щоб усередині судини не виявилося електричного поле, що обривається на поверхні металу. У випадку ж магнітного поле тонкі залізні стінки не є захистом для внутрішнього простору: магнітні поле проходять крізь залізо, і усередині судини виявляється деяке магнітне поле. Лише при досить товстих залізних стінках ослаблення поле усередині порожнини може зробитися настільки сильним, що магнітний захист здобуває практичне значення, хоча й у цьому випадку поле усередині не знищується цілком. І в цьому випадку ослаблення поле не є результат обриву його на поверхні заліза; магнітні силові лінії аж ніяк не обриваються, але як і раніше залишаються замкнутими, проходячи крізь залізо.

Мал.6.Порожня залізна куля внесена

в однорідне магнітне тіло

Зображуючи графічно розподіл силових ліній у товщі заліза й у порожнині, одержимо картину мал.7 яка і показує, що ослаблення поле усередині порожнини є результат зміни напрямку силових ліній, а не їхнього обриву.

Особливості феромагнітних тіл. особливістю феромагнітних тіл є їхня здатність до сильного намагнічування, унаслідок якої магнітна проникність цих тіл має дуже великі значення. У заліза, наприклад, величина досягає значень, що у тисячі разів перевершують значення в парамагнітних і діамагнітних речовин. Намагнічування феромагнітних тіл було вивчено в досвідах А. Г. Столетова й інших учених.

Ці досліди показали, поверх того, що, на відміну від парамагнітних і діамагнітних речовин, магнітна проникність феромагнітних речовин сильно залежить від напруженості магнітного поле, при якій роблять її вимір. Так, наприклад, у слабких полях магнітна проникність , залоза досягає значень 5—6 тисяч, а в сильних полях значення , падають до кількох сотень і нижче.

Намагнічування тіла, поміщеного в магнітне поле, наприклад, усередину соленоїда зі струмом, викликає зміна магнітного потоку. Тому величину намагнічування матеріалу можна характеризувати різницею тим часом магнітним потоком, що дає соленоїд з перетином у 1 див² , заповнений даною речовиною, і тим потоком, що дає при тім же струмі цей соленоїд без сердечника в повітрі (чи, точніше, у вакуумі). Якщо порожній соленоїд дає потік Фо, а заповнений — потік Ф, то, відповідно до теорії магнітної проникності, Ф= Фо. Таким чином, величина

J=Ф-Фо= ( - 1)*Фо являє собою той додатковий магнітний потік, що створюється намагніченою речовиною. Цю величину ми і будемо називати намагнічуванням даної речовини. Намагнічування залежить від магнітної проникності речовини і від величини потоку Фо, у якому виробляється намагнічування.

Звертається увага на те, що ми вибираємо соленоїд з визначеною площею перетину (1 див² ), тому що величина потоку залежить від площі перетину соленоїда.

У розділі магнітна проникність, коли нас цікавило відношення потоків Ф/Фо, ця обставина не мала значення, тому що величина площі перетину входить і в чисельник і в знаменник цього відношення. Але за міру намагнічування ми вибрали різницю цих потоків; тому перетин соленоїда повинен бути цілком визначене і ми умовимося брати його рівним 1 див² .

Вивчення залежності намагнічування заліза й інших феромагнітних матеріалів від напруженості зовнішнього магнітного поле виявляє ряд особливостей цих речовин, що мають важливе практичне значення. Візьмемо шматок ненамагніченого заліза, помістимо його в магнітне поле і будемо вимірювати намагнічування заліза J, поступово збільшуючи напруженість зовнішнього магнітного поле H. Намагнічування J зростає спочатку різко, потім усе повільніше і, нарешті, при значеннях H біля кількох сотень ерстед намагнічування перестає зростати:

всі елементарні струми вже орієнтовані, залізо досягло магнітного насичення. Графічно залежність величини J(H) в описуваному досвіді зображується кривої ОА на мал. 8. Горизонтальна частина цієї кривої поблизу А відповідає магнітному насиченню.