ВЕКТОР МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
Мы собираемся изучать магнетики - вещества в магнитном поле, создаваемого постоянными токами.
Cледовательно, при любых токах и площадях контура MMAX ~ IS , то есть MMAX /IS=В – есть величина постоянная для данного поля в данной точке. В другой точке поля эта величина так е постоянная, но другая. Следовательно, эта величина отношения является характеристикой магнитного поля в данной точке. Ее называют вектором магнитной индукции ( p= I Для удобства изображения магнитных полей, еще Фарадей ввел понятие силовых линий (линий магнитной индукции).
Линии магнитной индукции всегда замкнуты (вихревые) и всегда охватывают проводник с током. В отличии от линий напряженности электрического поля, которые начинаются на положительном заряде и заканчиваются на отрицательном (см. рис. а). Магнитное поле, проходящее через площадь S, характеризуется скалярной величиной Ф называемой потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком): Фв = Для однородного поля плоской поверхности, расположенной перпендикулярно вектору Мы рассматривали токи, создающие макроскопические магнитные поля. Однако, согласно гипотезе Ампера, в любом веществе существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Эти микроскопические токи создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макротоков. Например, если вблизи какого-то тела поместить проводник с током (макроток), то под действием сил магнитного поля микротоки во всех атомах ориентируются определенным образом, создавая в теле дополнительное магнитное поле. Результирующее магнитное поле, создаваемое всеми токами (макро и микро) характеризуется вектором магнитной индукции Магнитное поле макротоков описывается вектором напряженности
В0 = μ0 ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Согласно теореме Стокса: циркуляция вектора напряженности
В и Н - проекции на направление I. Закон полного тока позволяет вести расчеты в магнитных цепях. Например, для соленоида или тороида.
l - среднее значение длины линии магнитной индукции; S - значение площади поперечного сечения; I - ток одного витка; N - число витков. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ МИКРОТОКОВ Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются. Рассмотрим причину этого явления с точки зрения строения атомов и молекул, положив в основу гипотезу Ампера, согласно которой в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Для качественного объяснения магнитных явлений с достаточным приближением можно считать, что электрон движется в атоме по круговым орбитам. Электрон, движущийся по одной из таких орбит, эквивалентен круговому току, поэтому он обладает орбитальным магнитным моментом рт = Экспериментально было доказано, что кроме орбитальных моментов электрон обладает СОБСТВЕННЫМ МЕХАНИЧЕСКИМ МОМЕНТОМ ИМПУЛЬСА, называемым спином (от англ. "spin" - "веретено"). Спину электрона соответствует СОБСТВЕННЫЙ (СПИНОВЫЙ) МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ рт . Первоначально существование спинов объяснялось тем, что электрон - заряженный шарик, вращающийся вокруг своей оси. Однако, вскоре это привело к противоречию. В настоящее время принимается, что собственный (спиновый) магнитный момент является таким же неотъемлемым свойством электрона, как его масса и заряд. Спином обладают не только электроны, но и другие элементарные частицы. Значения их кратны целой и полуцелой величине ħ. В частности, для электрона M = ħ представляет собой естественную единицу изменения момента импульса "
Эту величину называют магнетоном Бора. И так, собственный магнитный момент электрона равен одному магнетону Бора. Подставив значения величин, получим Магнитный момент атома слагается из орбитальных и собственных моментов электронов, магнитного момента ядра, обусловленного магнитными моментами протонов и нейтронов. Однако магнитные моменты ядер в тысячи раз меньше магнитных моментов электронов, так, например, масса ядра атома водорода в 1840 раз больше массы электрона. Поэтому магнитными моментами ядер при расчетах пренебрегают. Следовательно, магнитный момент атома равен В своих суждениях мы пользовались классическими представлениями, не учитывая ограничений, накладываемых на движение электронов законами квантовой механики (представления - Боровские круговые орбиты, заряженные шарики и так далее). Для объяснения намагничивания веществ существенно лишь то, что атомы обладают магнитными моментами. ДИАМАГНЕТИКИ Рассмотрим намагничивание диамагнитных веществ. К ним относятся многие металлы (Сu, Ag, Аu, Bi, ...), ртуть (Hg), вода (Н20), гелий (Не), углерод (С), стекло и подавляющее большинство органических соединений, смолы. Диамагнетиками называют вещества, суммарный магнитный момент атомов (молекул) которых равен нулю рта = 0. При внесении диамагнитного тела в магнитное поле ( ПАРАМАГНЕТИКИ Парамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов (молекул) которых, в отсутствии внешнего магнитного поля, отлично от нуля ( При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле магнитные силы поля стремятся установить магнитные моменты вдоль поля ( НАМАГНИЧЕННОСТЬ Для количественного описания намагничивания магнетиков вводят векторную величину - намагниченность J, определяемую магнитным моментом единицы объема магнетика:
где Следовательно, В = В0 + Ва. Для описания поля, создаваемого молекулярными токами, рассмотрим магнетик в виде кругового цилиндра сечением S, объемом V и длиной l, внесенного в однородное внешнее магнитное поле с индукцией
Следовательно, Следовательно, согласно выражению ( 2 ) закон полного тока для магнитного поля в веществе (теорема о циркуляции вектора В) макротоков (токов проводимости) и микротоков (молекулярных токов). ФЕРРОМАГНЕТИКИ Особый класс магнетиков образуют вещества, способные обладать намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля. Помещенные во внешнее магнитное поле они обладают рекордными значениями μ = 1010. Представителем этого класса является железо (Fe) и его сплавы. Поэтому они получили название ферромагнетиков. К их числу, кроме железа, относятся никель (Ni), кобальт (Со), гадолиний (Gd) и их сплавы - пермалой: сплав Ni - 78,5 % Fe - 21,5 % μ= 90000, супермалой: сплав Ni - 79 %, Mo - 5 %, Fe - 16 %, μ = 800000 , а так же некоторые сплавы и соединения марганца (Мn) и хрома (Сr) с ферромагнитными элементами. Ферромагнетизм присущ всем упомянутым веществам только в кристаллическом состоянии. Основы теории ферромагнетизма были развиты советским физиком Я.И. Френкелем и немецким физиком В.Гейзенбергом на основе квантовой теории. Описательная теория ферромагнетизма была разработана французским физиком П. Вейссом, Вейсс ввел гипотезу, согласно которой ферромагнетик ниже точки Кюри (см. ниже) разбивается на большее число малых макроскопических областей - доменов, самопроизвольно (спонтанно) намагниченных до точки насыщения. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю и ферромагнетик не намагничен. Даже внешнее относительно слабое магнитное поле ориентирует по направлению поля (
10-4 — 10-2 см. В настоящее время установлено, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами электронов. Силы, возникающие при этом называются обменными и имеют квантовую природу - она обусловлена волновыми свойствами электронов. Если для слабо магнитных веществ зависимость J от Н линейная, то для ферромагнетиков эта зависимость является сложной. Эту зависимость для
По мере возрастания Н намагниченность J сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, нарастание прекращается. Наступает так называемое магнитное насыщение. J нас не зависит от напряженности поля Н. Это явление объясняется тем, что по мере увеличения намагничивающего поля увеличивается степень ориентации молекулярных магнитных моментов по направлению внешнего поля. Однако, этот процесс начнет замедляться, так как количество не ориентированных магнитных моментов остается все меньше и меньше. И наконец, когда все магнитные моменты будут ориентированы по направлению внешнего намагничивающего поля, дальнейшее увеличение J прекращается и наступает магнитное насыщение (смотри рис. 1)
Вначале μ, а следовательно B, растет с увеличением Н, достигая максимума, затем, стремится в случае сильных магнитных полей к единице, так как с увеличением Н (
Характерная особенность ферромагнетиков состоит в том, что для них зависимость J от Н (а следовательно и В от Н) определяется предысторией намагничивания ферромагнетика. Это явление мы назвали выше магнитным гистерезисом. Если намагнитить ферромагнетик до насыщения (точка 1, см. рисунок), а затем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то как показывает опыт, уменьшение J описывается кривой 1-2, лежащей выше кривой 1 - 0. J отличается от нуля при Н = 0, то есть в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничение Jос. С наличием остаточного намагничения связано существование постоянных магнитов. Намагничивание обращается в ноль под действием поля Нс, имеющим направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Напряженность Нс называется коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3 - 4) и при H = Hнас достигает насыщения (точка 4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4 - 5 - 6) и вновь перемагнитить до насыщения (кривая 6 - 1). Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля (переменного намагничивающего тока) намагниченность J изменяется периодически в соответствии с кривой 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 1, которая называется петлей гистерезиса (от греческого слова "запаздывание"). Нетрудно доказать, -о при одном цикле на перемагничивание ферромагнетика совершается на единицу объема работа
Различные ферромагнетики дают разные гистерезисные петли. Ферромагнетики с малой площадью петли, с Hc всего лишь от нескольких тысячных до ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧКИ КЮРИ Краткая теория Кюри точка (температура Кюри, Тс), температура фазового перехода второго рода, характеризующегося непрерывным изменением состояния вещества с приближением к точке фазового перехода и приобретением качественно нового свойства в этой точке. Названа по имени П. Кюри, подробно изучившего этот переход у ферромагнетиков. При температуре Т ниже Кюри точки Тс ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью (Is) и определенной магнитно-кристаллической симметрией. При нагреве ферромагнетика и приближении к точке Кюри усиливающееся тепловое движение атомов "расшатывает" существующий магнитный порядок одинаковую ориентацию магнитных моментов атомов. В Кюри точке самопроизвольная намагниченность ферромагнетиков исчезает ( Вблизи Кюри точки в веществе происходят специфические изменения многих физических свойств (например, теплоемкости, магнитной восприимчивости), достигающие максимума при Тк, что обычно и используется для точного определения температуры фазового перехода. Если раскалить обычный стальной магнит до такой температуры, полностью исчезает не только намагниченность, но и все ферромагнитные свойства, в частности, разделение на домены. Железо выше 770° С является парамагнитным. Снижение температуры ниже т. Кюри возвращает ферромагнитные свойства - появляются намагниченные до насыщения домены, магнитные моменты которых образуют замкнутые цепи. Таким образом, отожженный магнит надо намагничивать заново. Проведение эксперимента Приборы: эл. печь, 2 автотрансформатора, термопара, милливольтметр проградуированный на градусы, 2 катушки, микроамперметр, исследуемый образец (пермалой). Ход работы 1. Собрать цепь по схеме:
2. Исследуемый образец поместить в установку. Термопару установить в центре печи. 3. На первичную катушку подать такое напряжение, чтобы стрелка микроамперметра в цепи вторичной катушки откланялась на 80-90% шкалы. 4. Подключить цепь и через каждые 10° С записывать показания микроамперметра. 5. По полученным данным построить график зависимости тока от температуры. 6. По графику определить точку Кюри. 7. Обратиться к учебнику А.В. Кортнев "Практикум по физике", работа № 55 на странице 31 ГРАФИК
Контрольные вопросы: 1. Как классифицируются магнетики? 2. Почему значение для ферромагнетиков велико? 3. Почему при определенной температуре ферромагнетики изменяют свои магнитные свойства? 4. Что такое точка Кюри? 5. Начертите и объясните схему установки? 6. Почему э.д.с. индукции во вторичной обмотке резко уменьшается при достижении образцом точки Кюри? ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСА ФЕРРОМАГНЕТИКА Краткая теория Если напряженность внешнего поля увеличивать от нуля, то индукция поля в ферромагнетике, возрастая нелинейно, достигает насыщения Bн (рис. 1). При уменьшении напряженности до нуля поле в ферромагнетике имеет остаточную индукцию Bост. Индукция в ферромагнетике уменьшится до нуля при обратной напряженности поля Нс, которая называется коэрцитивной силой. Дальнейшее изменение напряженности сначала в сторону уменьшения, а затем увеличения позволяет достичь насыщения ферромагнетика в обратном направлении, а затем и в прямом. Полученная многозначная зависимость индукции магнитного поля в ферромагнетике от напряженности называется петлей гистерезиса. Экспериментальная установка
Оборудование: электронный осциллограф, лабораторный автотрансформатор, трансформатор с двумя обмотками, два резистора, конденсатор, соединительные проводники, калька.
Принципиальная схема установки изображена на рисунке. На сердечнике в виде тора сечением S = 3
В индикаторной катушке L2 переменное магнитное поле индукцией В создает ЭДС индукции
которая вызывает вторичный ток I2 , приближенно равный I2 =
Таким образом, осциллограф строит зависимость напряжение на конденсаторе С от напряжения на резисторе R, а эти напряжения пропорциональны соответственно индукции и напряженности магнитного поля. В результате на экране получается петля гистерезиса ферромагнитного сердечника.
Для количественных измерений масштабную сетку осциллографа нужно отградуировать по горизонтали в единицах напряженности (А/м), а по вертикали - в единицах индукции (Тл) магнитного поля. Подадим на вход Y контрольное напряжение Uк осциллографа и измерим отклонение уча по вертикали ук (половину вертикального отрезка). Тогда чувствительность осциллографа по вертикали равна
Аналогично чувствительность осциллографа по горизонтали Проведение эксперимента 1. Заполните таблицу сведений о приборах.
2. Соберите установку по схеме, приведенной на рисунке. Включите осциллограф, установите оптимальную яркость и резкость линии на экране. Отключите горизонтальную развертку осциллографа для чего ручку "Ослабление" поставьте в положение "1:1". 3. Намагничивающий ток в возбуждающей катушке установите посредством автотрансформатора. Регуляторами усиления по горизонтали и вертикали добейтесь получения петли гистерезиса оптимального размера (около 3 см шириной и 8 см высотой). После этого до полного окончания работы не изменяйте чувствительность усилителей осциллографа. 4. Заготовьте по размеру экрана листок кальки, обозначьте на нем координатные оси и масштаб, наложите листок на экран осциллографа, так, чтобы оси экрана и листка совпали. полученную на экране гистерезисную петлю аккуратно скопируйте на кальку. 5. Отключите осциллограф от установки, поставьте переключатель "Ослабление" в положение "1:10" и подайте на вход Y контрольный сигнал с соответствующей клеммы осциллографа. По приведенной выше формуле определите чувствительность осциллографа по вертикали. 6. Переведите переключатель "Ослабление" в положение "1:1" и подайте контрольный сигнал на вход X. По приведенной выше формуле определите чувствительность осциллографа по горизонтали. 7. Напишите заключение. Контрольные вопросы 1. Что такое магнитная индукция, как она связана с напряженностью магнитного поля? 2. В чем заключается явление намагничивания? 3. Объясните диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные явления. 4. Нарисуйте приблизительно кривые В(H) и J(H), в чем их различие? 5. Объясните явление намагничивания и получения кривой намагничивания (петли гистерезиса). 6. По какому закону изменяется напряженность магнитного поля в данной работе? Литература 1.Курс общей физики. Т.Н. Трофимова. 2.Курс общей физики. И.В. Савельев. Том 2. 3.Курс общей физики. Г.А. Зисман. 4.Лекции по физике.
Популярное: Как вы ведете себя при стрессе?: Вы можете самостоятельно управлять стрессом! Каждый из нас имеет право и возможность уменьшить его воздействие на нас... Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы... Организация как механизм и форма жизни коллектива: Организация не сможет достичь поставленных целей без соответствующей внутренней... ![]() ©2015-2024 megaobuchalka.com Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1109)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |