Контур с током в магнитном поле

Входы: магнитное поле, ток.

Выходы: сила, вращающий момент.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.33

Сущность

Поворот рамки с током под действием вра­щающего момента, возникающего при нахож­дении рамки в однородном магнитном поле.

Сила действует на ребро и стремится повернуть виток так, чтобы его плоскость стала перпенди­кулярна к вектору магнитной индукции В (угол между нормалью к рамке и вектором В равен 0).

Математическое описание

Магнитный момент

Рис. 2.33. Контур с током в магнитном поле

М =Р_тВ sin а,

где Р_т — магнитный момент контура,

Р_т = iS,

I — ток, протекающий в рамке;

S — площадь рамки;

а—угол между нормалью рамки и направлением магнитного поля.

Применение. Двигатели, генераторы, измерительные приборы.

 

 

2.1.22. Сила Лоренца

Входы: скорость, магнитное поле.

Выходы: сила.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.34 и 2.35.

Сущность

Сила Лоренца — сила, действующая на заряженную частицу, дви­жущуюся в магнитном поле.

Рис. 2.34. Направление движения частицы в зависимости от ее заряда при векторе магнитной индукции, перпендикулярном вектору скорости

Сила Лоренца пропорциональна векторному произведению V и 5, т. е. она перпендикулярна скорости частицы (направлению ее движения) и вектору магнитной индукции; следовательно, она не совершает механиче­ской работы и только искривляет траекторию движения частицы, не меняя ее энергии. Таким образом, сила Лоренца максимальна, если направление движения частицы составляет с направлением магнитного поля прямой угол, и равна нулю, если частица движется вдоль направления поля. В вакууме в постоянном однородном магнитном поле (В = Н, где Н— напряженность поля) заряженная частица под действием силы Лоренца дви­жется по винтовой линии с постоян­ной по величине скоростью v. При этом ее движение складывается из равномерного прямолинейного движения вдоль направления маг­нитного поля Н (со скоростью vj|, равной составляющей скорости частицы v в направлении Н) и рав­номерного вращательного движе­ния в плоскости, перпендикулярной Н (со скоростью vу, равной состав­ляющей v в направлении, перпенди­кулярном Н).

Проекция траектории движения частицы, на плоскость, перпендикулярную H, есть окружность радиуса R = cmvJ(eH).

Ось винтовой линии совпадает с направлением по­ля Я, и центр окружности перемещается вдоль силовой линии поля. Если электрическое поле Е не равно нулю, то движение носит более сложный ха­рактер. Происходит перемещение цен­тра вращения частицы перпендику­лярно полю Н— дрейф.

 

Математическое описание

Сила Лоренца

Рис. 2.35. Взаимное расположение векторов В, V и Fn

где V — вектор скорости;

В — вектор магнитной индукции.

 

Применение.

Сила Лоренца используется в датчиках магнитного поля.

 

оекциятр

 

аектор окружнос

. Есл

2.7.2.3. Магнитострикция

 

Вход: магнитное поле.

Выход: деформация материала.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.36.

 

Сущность

 

Рис. 2.36. Принцип магнитострикции

Магнитострикция—изменение формы и раз­меров тела при намагничивании. Любой ферро­магнитный материал состоит из доменов — об­ластей спонтанного намагничивания. При воз­действии на материал магнитного поля домены намагничиваются и начинают смещаться относи­тельно своего первоначального положения (см. рис. 2.36). Смещение доменов приводит к ме­ханической деформации ферромагнитного мате­риала — изменению формы и размеров тела.

Величина эффекта для объемной магнитострикции — , а для линейной —

 

Математическое описание

 

,

 

где ξ — механическая деформация, мкм;

г — механическое напряжение, Н/м²;

М— намагниченность.

Δ Η θ = Δ Μ,

Δ Β +Γ θ Δ r,

где Н— напряженность подмагничивания, А/м²,

_,

 

где В — индукция магнитного поля;

θ — магнитная восприимчивость материала;

Г — магнитострикционная постоянная, Н/м²Тл;

Е — модуль Юнга, Н/м²;

λ _s — коэффициент магнитострикции насыщения.

 

Применение

 

Магнитострикция нашла широкое применение в технике. На явле­нии магнитострикции основано действие магнитострикционных преоб­разователей (датчиков), реле, излучателей. Магнитострикция позволила создать высокочувствительные магнитострикционные механизмы микроперемещений и нажимных устройств, принципиально новые ге­нераторы мощного звука и ультразвука, сверхчувствительные прием­ники звука. Были улучшены характеристики линий задержки звуковых и электрических сигналов, а также других устройств для радиотехники и электросвязи.

 

2.7.3.Электромагнитное поле

Электромагнитное поле — особая форма материи, посредством ко­торой осуществляется взаимодействие между электрически заряженны­ми частицами. Электромагнитное поле характеризуется вектором напря­женности электрического поля Е и магнитной индукцией Β , которые оп­ределяют силы, действующие со стороны поля на неподвижные и движущиеся заряженные частицы. В вакууме электромагнитное поле характеризуется дополнительно двумя вспомогательными величинами: напряженностью магнитного поля Η и электрической индукцией D.

2.7.З.1.ЭДС индукции

Входы: скорость.

Выходы: ЭДС.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.37.

Сущность

При изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый кон­тур, в последнем возникает ЭДС индукции, пропорциональная скорости из­менения магнитного потока через этот контур. В соответствии с правилом

Рис. 2.37. Возникновение ЭДС индукции в замкнутом контуре

 

Ленца, направление индукционного тока таково, что его собственное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукцию.

В постоянном магнитном поле ЭДС индукции возникает лишь в том случае, когда магнитный поток через замкнутый контур изменяется во времени, например при движении.

На рис. 2.37 показан процесс возникновения ЭДС индукции в рамке, двигающейся к постоянному магниту. Внешние силы, двигающие маг­нит, встречают сопротивление со стороны проводящего контура. Собст­венное поле контура таково, что магнитная рамка и магнит отталкивают­ся, а при удалении притягиваются.

Математическое описание

ЭДС индукции в замкнутом контуре

где Ф — магнитный поток, пронизывающий контур;
t — время.

Применение

ЭДС индукции лежит в основе работы генераторов электрического тока, трансформаторов и т. п.

Пат. 3787770 США. Способ обнаружения снаряда, вылетающего из ствола орудия, и прибор для его осуществления. Магнит располагают вблизи дула орудия для того, чтобы вылетающий из ствола снаряд пере­секал некоторые магнитные силовые линии магнита. При отделении сна­ряда от орудия и при прохождении снаряда над постоянным магнитом, в считывающей катушке, намотанной на магнит, наводятся импульсы напряжения, которые после прохождения через усилитель подводятся к осциллографу или хронографу для обеспечения отсчета.

 

Взаимная индукция

Входы: ток.

Выходы: ЭДС.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.38.

Сущность

Взаимная индукция — явление, в котором обнаруживается магнитная связь двух (или более) электрических цепей (см. рис. 2.38). Благодаря этой связи возникает ЭДС индукции водном из контуров при изменении тока в другом.

 

Математическое описание

ЭДС взаимной индукции

 

Рис. 2.38. Взаимная индукция

где М - взаимная индуктивность первого контура относи­тельно второго (второго от­носительно первого);

—ток подмагничивающего контура.

Применение. Используется в трансформаторах, электродвигателях.

 

2.7.3.3.Индукционный нагрев

Входы: электромагнитное поле.

Выходы: температура.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.39.

Сущность

Рис. 2.39. Индуктор для закалки крупномодульных зубчатых колес: 1 — водоохлаждаемые экраны; 2 — магнитопровод; 3 — индуктирующий провод

Индукционный нагрев — нагрев токопроводящих тел за счет возбу­ждения в них электрических токов переменным электромагнитным по­лем. Мощность, выделяющаяся в проводнике при индукционном нагре­ве, зависит от размеров и физи­ческих свойств проводника (удельного электрического сопро­тивления, относительной магнит­ной проницаемости), а также от частоты и напряженности электро­магнитного поля. Источниками электромагнитного поля при индукционном нагреве служат ин­дукторы (см. рис.2.39). Индукци­онный нагрев характеризуется не­равномерным выделением мощно­сти в нагреваемом объекте.

В поверхностном слое, называе­мом глубиной проникновения, выделяется 86 % всей мощности. Для соз­дания переменного электромагнитного поля при индукционном нагреве используются токи низкой (50 Гц), средней (до 10 кГц) и высокой (свы­ше 10 кГц) частоты. Для питания индукторов токами средней и высокой частоты применяют машинные и статические преобразователи, а также ламповые генераторы.

Математическое описание

Глубина проникновения тока в массивном проводнике

где ρ — удельное электрическое сопротивление;
— магнитная постоянная;
μ — относительная магнитная проницаемость;
ω — циклическая частота.

Применение. Плавка металлов, зонная плавка, нагрев.

2.7.Диэлектрические свойства вещества

Диэлектрики — вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «диэлектрик» введен М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. В любом веществе, по­мещенном в электрическое поле, составляющие его электрические за­ряды (электроны, атомные ядра) испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, образуя электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещают­ся друг относительно друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов — элек­тропроводность или поляризация — преобладает, принято деление ве­ществ на изоляторы (диэлектрики) и проводники (металлы, электроли­ты, плазма).

Диэлектриками являются неионизированные газы, а также жидкости и твердые тела, характеризующиеся полностью заполненной электрона­ми валентной зоной и полностью пустой зоной проводимости.

2.8.1.Пьезоэлектрический эффект

Входы: сила.

Выходы: поляризация.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.40, 2.41.

Сущность

Рис. 2.40. Схема изображения прямого пьезоэффекта; Р—вектор поляризации, стрел­кой F обозначена механическая сила, штри­ховыми линиями показаны контуры пьезо­электрика до внешнего воздействия, сплош­ными линиями — контуры после деформа­ции пьезоэлектрика.

Внешние механические силы, воздействуя в определенных на­правлениях на пьезоэлектриче­ский кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как во всяком твер­дом теле), но и электрическую по­ляризацию и, следовательно, появ­ление на его поверхностях связан­ных электрических зарядов разных знаков (см. рис. 2.40, 2.41).

При изменении направления меха­нических сил на противоположное становятся противоположными на­правление поляризации и знаки зарядов. Это явление называют прямым пьезоэффектом. Плотность пьезоэлектрических зарядов пропорциональ­на величине вектора поляризации Р.

Математическое описание

Пьезоэффект описывается линейными зависимостями, связываю­щими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением Т:

где β — пьезоэлектрический модуль (пьезомодуль);

Δ d/d = β Е,

где Δ d — деформация кристалла;
d — толщина кристалла;

Рис. 2.41. Схема изображения продольного (а) и поперечного (б) пьезоэффектов

Е — напряженность электри­ческого поля.

 

 

Пределы изменения параметров: β = 1... 1500*10^-12 Кл/м², d — не­сколько миллиметров, Δ d — несколько микрометров.

Применение. В промышленности — датчики различных физических величин (ускорения, давления, изменения размеров), в быту — пьезоза­жигалки.

2.8.2.Обратный пьезоэлектрический эффект

Входы: электрическое напряжение.

Выходы: деформация.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.42.

 

 

Рис. 2.42. Схема структуры кварца (а) и возникно­вения обратного пьезоэлектрического эффекта (б)

 

Сущность

Обратный пьезоэффект заключается в деформации пьезокристаллов под действием внешнего электрического поля. Если электрическое поле (электрическое напряжение) изменяется с некоторой частотой, то и де­формация пластины происходит с той же частотой (рис. 2.42, б). На вы­соких частотах пьезоэлемент начинает излучать ультразвуковые волны.

Микроперемещения при обратном пьезоэффекте очень малы. На­пример, кубик с ребром в 10 мм под действием напряжения в 2 кВ сжи­мается (или растягивается) на 1 мкм. Перемещение можно увеличить, ес­ли расположить последовательно несколько пьезоэлементов, параллель­но подключенных к источнику напряжения.

Математическое описание

Обратный пьезоэффект описывается зависимостью

r=β E,

где r — деформация;

Е — напряженность электрического поля;

β — пьезомодуль (для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение, р = 1... 1500* 10^-12 Кл/м²).

Применение

Обратный пьезоэффект применяется в дефектоскопии, гидроаку­стике, радиовещании, резонаторах, фильтрах.

Пат. 3239282 США. Предлагается конструкция подшипника, в ко­тором трение уничтожается вибрацией. Втулки подшипника выполня­ются из пьезоэлектрического материала и с обеих сторон покрываются тонкой электропроводной фольгой. К фольге припаиваются тонкие электроды, по которым подводится переменный ток, который заставля­ет пьезоэлектрик сжиматься и разжиматься, создавая вибрацию, унич­тожающую трение.

2.8.3.Пироэлектрики

Входы: температура.

Выходы: поляризация.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.43 и 2.44.

Сущность

Пироэлектрики — кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией Р (дипольным моментом единицы объема) в

Рис. 2.43. Элементарная ячейка пироэлектрика; стрелки указывают направления электрических дипольных моментов

отсутствие электрического поля и других внешних воздействий. Обычно наблюдается не сама поля­ризация (она компенсируется поля­ми свободных электрических заря­дов, натекающих на поверхность кристалла изнутри и извне), а ее из­менение Δ Р при быстром измене­нии температуры dT (пироэлектри­ческий эффект). При изменении температуры на 1°С поверхност­ная плотность заряда, как правило, не превышает нескольких мКл/м².

 

Типичный пироэлектрик — турмалин, природный или синтетический монокристалл алюмосиликата. В нем при изменении температуры на 1 °С возникает электрическое поле Е « 400 В/см. К пироэлектрикам относят кристаллы моногидрата сульфата лития, ти- таната бария, тростникового сахара и др.

Все пироэлектрики являются и пьезоэлектрика­ми, т. е. в них возникает поляризация при механиче­ском сжатии (или растяжении) в определенных на­правлениях. Но не все пьезоэлектрики обладают пи­роэлектрическим эффектом.

Математическое описание
Поляризация

Р = Р₀ + χ Е,

где Р₀ — вектор спонтанной поляризации;

χ Е — поляризация, индуцированная внешним

полем Е (χ — диэлектрическая восприимчивость). Плотность возникающего поверхностного заряда

σ = рΔ Т,

где p — пироэлектрическая константа;

Δ Т — изменение температуры.

Δ Т ~ Е — это явление называется линейным электрокалорическим эффектом. Существует и квадратичный электрокалорический эффект, когда изменение температуры ~ Е².

Применение

Пироэлектрики используются в технике в качестве индикаторов и приемников излучений. Их действие основано на регистрации электри­ческих сигналов, возникающих в кристалле при изменении их темпера­туры под действием излучения.

А. с. 285356. Устройство для определения тепловых потоков, содер­жащее термоэлементы, расположенные на гранях дополнительной стен­ки, перпендикулярных направлению потока, и измерительную схему, от­личается тем, что с целью повышения точности и быстродействия термо­элементы выполнены в виде пироэлектрических датчиков температуры и включены в частотно-зависимую цепь обратной связи измерительной схемы.

2.8.4.Электреты

Входы: нет.

Выходы: электрическое поле.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.45.

Рис. 2.45. Электрические диполи диэлектрика (а) и электрета (б) в отсутствие внешнего электрического поля

Сущность

Электреты — диэлектрики, способные длительное время находить­ся в наэлектризованном состоянии (см. рис. 2.45) после снятия внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию, и образовывать вокруг себя электрическое поле; электрические аналоги постоянных магнитов.

В качестве электрета используют монокристаллические (корунд, се­ра) и поликристаллические (фарфор, керамика, стекла и др.) диэлектри­ки, полимеры, а также воски (пчелиный и карнаубский) и природные смолы. Стабильные электреты получают, нагревая, а затем охлаждая ди­электрик в сильном электрическом поле (термоэлектреты), освещая в сильном электрическом поле (фотоэлектреты), воздействуя радиоак­тивным облучением (радиоэлектреты), поляризацией в сильном элек­трическом поле без нагревания (эдектроэлектреты) или в магнитном поле (магнетоэлектреты), при застывании органических растворов в электрическом поле (криоэлектреты), механической деформацией по­лимеров (механоэлектреты), трением (трибоэлектреты), действием поля коронного разряда (короноэлектреты).

Математическое описание

Пусть вещество состоит из одинаковых молекул, каждая из которых обладает электрическим дипольным моментом. Модуль дипольного мо­мента одинаков для всех молекул, а направление — у каждого момента свое. Если в единице объема вещества содержится п молекул, то суммар­ный дипольный момент вещества

Р = п< р>,

где р — средний дипольный момент молекулы вещества.

Для большинства веществ в отсутствие внешнего электрического поля р = 0, для электретов р ≠ 0.

Во внешнем электрическом поле, как правило, р ≠ 0. При этом име­ют место два механизма поляризации вещества. У диэлектриков из не­полярных молекул под действием внешнего электрического поля поло­жительные заряды молекулы смещаются по полю Е, а отрицатель­ные — против поля Е, и возникает электрический диполь, направленный по силовой линии векторного поля Е. У диэлектриков из полярных молекул электрический момент отдельной молекулы стре­мится развернуться вдоль силовой линии векторного поля Е, тем самым нарушается хаотическое распределение дипольных моментов молекул, которое существовало в отсутствие внешнего поля и приводило к от­сутствию поляризации среды.

Применение

Электреты применяют как источники постоянного электрического поля (электретные микрофоны и телефоны, вибродатчики, генераторы слабых переменных сигналов, электрометры, электростатические вольт­метры и др.), а также как чувствительные датчики в дозиметрах, устрой­ствах электрической памяти; для изготовления барометров, гигрометров и газовых фильтров, пьезодатчиков и др. Фотоэлектреты используют в электрофотографии.

2.8.5. Сегнетоэлектрики

Входы: температура.

Выходы: поляризация.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.46.

Рис. 2.46. Элементарная ячейка сегнетоэлектрика в полярной (а и б) и неполярной (в) фазе; стрелки указывают направление электрических дипольных моментов

Сущность

Сегнетоэлектрики — кристаллические диэлектрики, в которых са­мопроизвольно возникает поляризация, но только в некотором интерва­ле температур. Температура, при которой происходит исчезновение спонтанной поляризации, называется сегнетоэлектрической температу­рой Кюри. При температуре Кюри в сегнетоэлектриках наблюдается максимум диэлектрической проницаемости, а ее изменение вблизи этой температуры происходит скачками (сравнение с эффектами Гопкинса и Баркгаузена). Выше температуры Кюри сегнетоэлектрик переходит в пироэлектрическое состояние.

Сегнетоэлектрики — это электрические аналоги ферромагнетиков, которые, как известно, самопроизвольно намагничиваются и имеют точ­ку Кюри. Поэтому сегнетоэлектрики иногда называют ферроэлектрика­ми. Они отличаются большой диэлектрической проницаемостью, высо­ким пьезоэффектом, наличием петли диэлектрического гистерезиса, ин­тересными электрооптическими свойствами.

Кроме сегнетоэлектриков, которые можно рассматривать как совокупность параллельно ориентированных диполей, есть вещества с антипараллельным расположением диполей. Их называют антисегнетоэлектри- ками.

Сегнетоферромагнетики — это сегаетоэлектрики, в которых наблю­дается упорядочение магнитных моментов. В них могут существовать различные виды электрического и магнитного упорядочения: сегнетоэлектричество или антисегнетоэлектричество с ферромагнетизмом, ан­тиферромагнетизмом или ферромагнетизмом.

Сегнетоэлектрические и ферромагнитные точки Кюри у таких ве­ществ не совпадают. Но в сегнетоэлектрической точке Кюри наблюдает­ся аномалия магнитных свойств, а в магнитной — аномалия диэлектри­ческих. Кроме того, при наложении магнитного (электрического) поля наблюдается изменение электрической (магнитной) проницаемости — магнитоэлектрический эффект.

При наложении достаточно сильного электрического поля антисег- нетоэлектрики могут перейти в сегнетоэлектрическое состояние. При та­ком «вынужденном» фазовом переходе в сильном переменном поле на­блюдаются двойные петли гистерезиса. Критическое поле, при котором в антисегнетоэлектриках возникает сегнетоэлектрическая фаза, умень­шается при увеличении температуры. В некоторых случаях с ростом температуры наблюдаются переходы из сегнетоэлектрического состоя­ния в антисегнетоэлектрическое, а затем в пироэлектрическое.

Наложение электрического поля вдоль полярной оси увеличивает устойчивость сегнетоэлектрического состояния, расширяет область температур, в которой существует спонтанная поляризация. В антисег­нетоэлектриках в сильных электрических полях температура Кюри по­нижается.

Некоторые сегнетоэлектрики выше точки Кюри обладают пьезоэффек­том. Приложение к таким веществам в пироэлектрической фазе механиче­ского напряжения по эффекту эквивалентно приложению напряжения.

При нагреве сегнетоэлектрического кристалла происходит умень­шение спонтанной поляризации, что эквивалентно появлению пироэлек­трического заряда на поверхности кристалла.

Наличие спонтанной поляризации (электрического дипольного мо­мента в отсутствие электрического поля) есть отличительная особен­ность более широкого класса диэлектриков, называемых пироэлектрика­ми. В отличие от других пироэлектриков, спонтанная поляризация сегне- тоэлектриков связана с небольшими смещениями ионов по отношению к их положениям в неполяризованном кристалле (см. рис. 2.46).

Математическое описание

Определение диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков с помощью закона Кюри — Вейса:

4π С

𝜀 =----------,

Т-Т_к

где С — константа Кюри;

Т— температура, К;

Т_к — точка Кюри, К;
𝜀 — диэлектрическая проницаемость.

Применение

Сегнетоэлектрические материалы (монокристаллы, керамика, пленки) широко применяются в технике и в научном эксперименте. Благодаря боль­шим значениям диэлектрической проницаемости их используют в качестве материала для конденсаторов высокой удельной емкости. Большие значе­ния пьезоэлектрических констант обусловливают применение сегнетоэлек- триков в качестве пьезоэлектрических материалов в приемниках и излуча­телях ультразвука, в преобразователях звуковых сигналов в электрические и наоборот, в датчиках давления и др. Резкое изменение сопротивления вблизи температуры фазового перехода в некоторых сегнетоэлектриках ис­пользуется в позисторах для контроля и измерения температуры. Сильная температурная зависимость спонтанной поляризации (большая величина пироэлектрической константы) позволяет применять сегнетоэлектрики в приемниках электромагнитных излучений переменной интенсивности в широком диапазоне длин волн (от видимого до субмиллиметрового). Бла­годаря сильной зависимости диэлектрической проницаемости от электри­ческого поля сегнетоэлектрики используют в нелинейных конденсаторах (варикондах), которые нашли применение в системах автоматики, контроля и управления. Зависимость показателя преломления от поля обусловливает использование сегнетоэлектриков в качестве электрооптических материа­лов в приборах и устройствах управления световыми пучками, включая ви­зуализацию инфракрасного изображения. Перспективно применение сегне­тоэлектриков в устройствах памяти вычислительных машин, дистанцион­ного контроля и измерения температуры и др.

А. с. 5132. Индивидуальный дозиметр радиоактивного излучения и другого проникающего излучения, состоящий из приемника излуче­ния и измерительного прибора, отличающиеся тем, что с целью возмож­ности определения суммарной дозы излучения за требуемый промежу­ток времени его приемник выполнен в виде электрета, заключенного в герметичный корпус, наполненный газом, например воздухом.

2.9. Магнитные свойства вещества

Всякое вещество является магнетиком, т. е. способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). По величине и направлению этого момента, а также по причинам, его поро­дившим, все вещества делятся на группы. Основные из них — диа- и па­рамагнетики.

Молекулы диамагнетика собственного магнитного момента не име­ют. Он возникает у них только под действием внешнего магнитного поля и направлен против него. Таким образом, результирующее магнитное поле в диамагнетике меньше, чем внешнее поле, правда, на очень малую величину. Это приводит к тому, что при помещении диамагнетика в не­однородное магнитное поле он стремится сместиться в ту область, где напряжение магнитного поля меньше.

Молекулы (или атомы) парамагнетика имеют собственные магнит­ные моменты, которые под действием внешних полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внеш­нее. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле. Так, например, жид­кий кислород — парамагнетик, он притягивается к магниту.

Магнитная проницаемость конкретного вещества зависит от многих факторов: напряженности магнитного поля, формы рассматриваемого поля (так как конечные размеры любого магнетика приводят к появле­нию встречного поля, уменьшающего первоначальное), температуры, частоты изменения магнитного поля, наличия дефектов структуры и т. д.

Существует ряд веществ, в которых квантовые эффекты межатом­ных взаимодействий приводят к появлению специфических магнитных свойств.

Наиболее интересное свойство — ферромагнетизм. Оно характерно для группы веществ в твердом кристаллическом состоянии (ферромагне­тиков), характеризующихся параллельной ориентацией магнитных мо­ментов атомных носителей магнетизма.

Параллельная ориентация магнитных моментов существует в до­вольно больших участках вещества — доменах. Суммарные магнитные моменты отдельных доменов имеют очень большую величину, однако сами домены обычно ориентированы в веществе хаотично. При наложе­нии магнитного поля происходит ориентация доменов, что приводит к возникновению суммарного магнитного момента у всего объема фер­ромагнетика и, как следствие, к его намагничиванию.

Естественно, что ферромагнетики, как и парамагнетики, перемеща­ются в ту точку поля, где напряженность максимальная (втягиваются в магнитное поле). Из-за большой величины магнитной проницаемости сила, действующая на них, гораздо больше.

Существование доменов в ферромагнетиках возможны только ниже определенной температуры (точка Кюри). Выше точки Кюри тепловое движение нарушает упорядоченную структуру доменов, и ферромагне­тик становится обычным парамагнетиком.

Диапазон температур Кюри у ферромагнетиков очень широк: у радолиния температура Кюри 293 К, для чистого железа — 1043 К. Практически всегда можно подобрать вещество с нужной температу­рой Кюри.

При понижении температуры все парамагнетики, кроме тех, у кото­рых парамагнетизм обусловлен электронами проводимости, переходят либо в ферромагнитное, либо в антиферромагнитное состояние.

У некоторых веществ (хром, марганец) собственные магнитные мо­менты электронов ориентированы антипараллельно (навстречу) друг другу. Такая ориентация охватывает соседние атомы, и их магнитные моменты компенсируют друг друга. В результате антиферромагнетики обладают крайне малой магнитной восприимчивостью и ведут себя как очень слабые парамагнетики.

Для антиферромагнетиков также существует температура, при кото­рой антипараллельная ориентация спинов исчезает. Эта температура на­зывается антиферромагнитной точкой Кюри или точкой Нееля.

У некоторых ферромагнетиков (эрбин, диоброзин, сплавы марганца и меди) таких температур две (верхняя и нижняя точка Нееля), причем антиферромагнитные свойства наблюдаются только при промежуточ­ных температурах. Выше верхней точки вещество ведет себя как пара­магнетик, а при температурах, меньших нижней точки Нееля, становится ферромагнетиком.

Необратимое изменение намагниченности ферромагнитного образ­ца, находящегося в слабом постоянном магнитном поле, при цикличе­ском изменении температуры называется температурным магнитным гистерезисом. Наблюдается два вида гистерезиса, вызванных изменени­ем доменной и кристаллической структуры. Во втором случае точка Кю­ри при нагреве лежит выше, чем при охлаждении.

Ферримагнетизм — (или антиферромагнетизм нескомпенсированный) совокупность магнитных свойств веществ (ферромагнетиков) в твердом состоянии, обусловленных наличием внутри тела межэлектронного обменного взаимодействия, стремящегося создать антипараллельную ориентацию соседних атомных магнитных моментов. В отли­чие от антиферромагнетиков соседние противоположно направленные магнитные моменты в силу каких-либо причин не полностью компенси­руют друг друга. Поведение ферримагнетика во внешнем поле во мно­гом аналогично ферромагнетику, но температурная зависимость свойств имеет иной вид: иногда существует точка компенсации суммарного маг­нитного момента при температуре ниже точки Нееля. По электрическим свойствам ферромагнетики — диэлектрики или полупроводники.

Суперпарамагнетизм — квазипарамагнитное поведение систем, со­стоящих из совокупности экстремально малых ферро- или ферримагнитных частиц. Частицы этих веществ при определенно малых размерах пе­реходят в однодоменное состояние с однородной самопроизвольной на­магниченностью по всему объему частицы. Совокупность таких веществ ведет себя по отношению к воздействию внешнего магнитного поля и температуры подобно парамагнитному газу (сплавы меди с кобальтом, тонкие порошки никеля и т. д.).

Очень малые частицы антиферромагнетиков также обладают особы­ми свойствами, похожими на суперпарамагнетизм, поскольку в них про­исходит нарушение полной компенсации магнитных моментов. Анало­гичными свойствами обладают и тонкие ферромагнитные пленки.

Суперпарамагнетизм применяется в тонких структурных исследова­ниях, в методах неразрушающего определения размеров, форм, количе­ства и состава магнитной фазы и т. п.

Пьезомагнетики — вещества, у которых при наложении упругих на­пряжений возникает спонтанный магнитный эффект, пропорциональ­ный первой степени величины напряжений. Этот эффект весьма мал и легче всего его обнаружить в антиферромагнетиках.

Магнитоэлектрики — вещества, у которых при помещении их в элек­трическое поле возникает магнитный момент, пропорциональный значе­нию поля.

2.9.1. Закон Кюри

Входы: температура.

Выходы: намагниченность.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.47.

Сущность

Рис. 2.47. Температурная зависимость удельной магнитной восприимчивости χ

Закон Кюри — температурная зави­симость удельной магнитной восприим­чивости % некоторых парамагнетиков, имеющая вид, представленный на рис. 2.47. Закону Кюри подчиняются га­зы (кислород 0₂, окись азота N0), пары щелочных металлов, разбавленные жид­кие растворы парамагнитных солей ред­коземельных элементов и некоторые па­рамагнитные соли в кристаллическом состоянии (у таких солей между иона­ми — носителями магнитного момента — расположены препятствую­щие их взаимодействию группы атомов, лишенные момента, например молекулы кристаллизационной воды, аммиака и др.).

Каждый ферромагнетик имеет точку Кюри — температуру, выше которой ферромагнитный материал превращается в парамагнитный. Диапазон температур Кюри у ферромагнетиков очень широк: у радоли- ния температура Кюри 293 К, у чистого железа — 1043 К. Практически всегда можно подобрать вещество с нужной температурой Кюри.

Математическое описание Магнитная восприимчивость

 

где T — температура;

С — параметр, зависящий от свойств вещества,

 

где N— число молекул газа;

μ — относительная магнитная проницаемость; k— постоянная Больцмана.

П

⇐ Предыдущая123456

Поделиться:

Популярное:

1. XXIX. МЫ И ЭТОТ МИР – ПОЛЕВЫЕ СТРУКТУРЫ.
2. Анализ опасности поражения током в различных электрических сетях
3. Анализ результатов, полученных системой «Контур Стандарт»
4. Аналитическая платформа «Контур Стандарт» как инструмент реализации ROLAP-технологии: основные возможности, особенности и технология анализа информации
5. БАШЕННЫЕ КОПРЫ ПРЕДПРИЯТИЙ ПО ДОБЫЧЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
6. Бесполезное страдание и неверие
7. В 1990 году для участия в программе пилотируемых полётов представителей средств массовой информации был проведён отбор кандидатов в космонавты на конкурсной основе.
8. В зависимости от траектории полета мяча верхняя передача выполняется в средней или низкой стойках.
9. В неориентированном графе понятие дуга, путь, контур заменяются соответственно на ребро, цепь, цикл.
10. В общем анализе мочи: белок 14г/л, относительная плотность 1030, реакция щелочная, эритроциты до 20 в поле зрения, лейкоциты 8 в поле зрения гиалиновые цилиндры.
11. В экспериментальной и клинической нейрофизиологии с целью воздействия на функциональное состояние структур нервной системы применяют воздействие постоянным током.
12. Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток и наоборот.