Что такое магнитная проницаемость вещества

Что такое магнитная проницаемость вещества

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:

где $oldsymbol<vec>$ — магнитная индукция поля в веществе; $oldsymbol<<vec>_<0>>$ — магнитная индукция поля в вакууме, $oldsymbol<<vec>_<1>>$ — 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

$$ oldsymbol<mu =frac<_<0>>>$$

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

Все вещества состоят из молекул, молекулы — из атомов. Электронные оболочки атомов можно условно рассматривать состоящими из круговых электрических токов, образованных движущимися электронами. Круговые электрические токи в атомах должны создавать собственные магнитные поля. На электрические токи должно оказывать действие внешнее магнитное поле, в результате чего можно ожидать либо усиления магнитного поля при сонаправленности атомных магнитных полей с внешним магнитным полем, либо их ослабления при их противоположной направленности.
Гипотеза о существовании магнитных полей в атомах и возможности изменения магнитного поля в веществе полностью соответствует действительности. Все вещества по действию на них внешнего магнитного поля можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетиками называются вещества, в которых внешнее магнитное поле ослабляется. Это значит, что магнитные поля атомов таких веществ во внешнем магнитном поле направлены противоположно внешнему магнитному полю (µ Рис. 2

2) собственным вращением (спином) электронов (спиновой магнитный момент) (рис. 2).

Для любознательных. Магнитный момент контура равен произведению силы тока в контуре на площадь, охватываемую контуром. Его направление совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля в середине контура с током.

Так как в атоме плоскости орбит различных электронов не совпадают, то вектора индукций магнитных полей [1], созданные ими (орбитальные и спиновые магнитные моменты), направлены под разными углами друг к другу. Результирующий вектор индукции многоэлектронного атома равен векторной сумме векторов индукций полей, создаваемых отдельными электронами. Не скомпенсированными полями обладают атомы с частично заполненными электронными оболочками. В атомах с заполненными электронными оболочками результирующий вектор индукции равен 0.

Во всех случаях изменение магнитного поля обусловлено появлением токов намагниченности (наблюдается явление электромагнитной индукции). Иными словами принцип суперпозиции для магнитного поля остается справедливым: поле внутри магнетика является суперпозицией внешнего поля $oldsymbol<<vec>_<0>>$ и поля $oldsymbol<vec, которые возникают под действием внешнего поля. Если поле токов намагниченности направлено так же, как и внешнее поле, то индукция суммарного поля будет больше внешнего поля (Рис. 3, а) – в этом случае мы говорим, что вещество усиливает поле; если же поле токов намагниченности направлено противоположно внешнему полю, то суммарное поле будет меньше внешнего поля (Рис. 3, б) – именно в этом смысле мы говорим, что вещество ослабляет магнитное поле.

Подробнее механизм намагничивания диамагнетиков описан здесь: Слободянюк А.И. Физика 10. §13.3 Типы магнетиков.

Вещества, в которых внешнее магнитное поле усиливается в результате сложения с магнитными полями электронных оболочек атомов вещества из-за ориентации атомных магнитных полей в направлении внешнего магнитного поля, называются парамагнетиками (µ > 1).

Парамагнетики очень слабо усиливают внешнее магнитное поле. Магнитная проницаемость парамагнетиков отличается от единицы лишь на доли процента. Например, магнитная проницаемость платины равна 1,00036. Из – за очень малых значений магнитной проницаемости парамагнетиков и диамагнетиков их влияние на внешнее поле или воздействие внешнего поля на парамагнитные или диамагнитные тела очень трудно обнаружить. Поэтому в обычной повседневной практике, в технике парамагнитные и диамагнитные вещества рассматриваются как немагнитные, то есть вещества, не изменяющие магнитное поле и не испытывающие действия со стороны магнитного поля. Примерами парамагнетиков являются натрий, кислород, алюминий (μ = 1,00023).

В парамагнетиках молекулы обладают собственным магнитным полем. В отсутствии внешнего магнитного поля из-за теплового движения вектора индукций магнитных полей атомов и молекул ориентированы хаотически, поэтому их средняя намагниченность равна нулю (рис. 4, а). При наложении внешнего магнитного поля на атомы и молекулы начинает действовать момент сил, стремящийся повернуть их так, чтобы их поля были ориентированы параллельно внешнему полю. Ориентация молекул парамагнетика приводит к тому, что вещество намагничивается (рис. 4, б).

Полной ориентации молекул в магнитном поле препятствует их тепловое движение, поэтому магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры. Очевидно, что с ростом температуры магнитная проницаемость парамагнетиков уменьшается.

Ферромагнетики

Вещества, значительно усиливающие внешнее магнитное поле, называются ферромагнетиками (никель, железо, кобальт и др.). Примерами ферромагнетиков являются кобальт, никель, железо (μ достигает значения 8·10 3 ).

Само название этого класса магнитных материалов происходит от латинского имени железа — Ferrum. Главная особенность этих веществ заключается в способности сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля, все постоянные магниты относятся к классу ферромагнетикам. Кроме железа ферромагнитными свойствами обладают его «соседи» по таблице Менделеева — кобальт и никель. Ферромагнетики находят широкое практическое применение в науке и технике, поэтому разработано значительное число сплавов, обладающих различными ферромагнитными свойствами.

Читайте также:  Монолитный пояс под плиты перекрытия

Все приведенные примеры ферромагнетиков относятся к металлам переходной группы, электронная оболочка которых содержит несколько не спаренных электронов, что и приводит к тому, что эти атомы обладают значительным собственным магнитным полем. В кристаллическом состоянии благодаря взаимодействию между атомами в кристаллах возникают области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности — домены. Размеры этих доменов составляют десятые и сотые доли миллиметра (10 -4 − 10 -5 м), что значительно превышает размеры отдельного атома (10 -9 м ). В пределах одного домена магнитные поля атомов ориентированы строго параллельно, ориентация магнитных полей других доменов при отсутствии внешнего магнитного поля меняется произвольно (рис. 5).

Таким образом, и в не намагниченном состоянии внутри ферромагнетика существуют сильные магнитные поля, ориентация которых при переходе от одного домена к другому меняется случайным хаотическим образом. Если размеры тела значительно превышают размеры отдельных доменов, то среднее магнитное поле, создаваемое доменами этого тела, практически отсутствует.

Если поместить ферромагнетик во внешнее магнитное поле B, то магнитные моменты доменов начинают перестраиваться. Однако механического пространственного вращения участков вещества не происходит. Процесс перемагничивания связан с изменением движения электронов, но не с изменением положения атомов в узлах кристаллической решетки. Домены, имеющие наиболее выгодную ориентацию относительно направления поля, увеличивают свои размеры за счет соседних «неправильно ориентированных» доменов, поглощая их. При этом поле в веществе возрастает весьма существенно.

Свойства ферромагнетиков

1) ферромагнитные свойства вещества проявляются только тогда, когда соответствующее вещество находится в кристаллическом состоянии;

2) магнитные свойства ферромагнетиков сильно зависят от температуры, так как ориентации магнитных полей доменов препятствует тепловое движение. Для каждого ферромагнетика существует определенная температура, при котором доменная структура полностью разрушается, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Это значение температуры называется точкой Кюри. Так для чистого железа значение температуры Кюри приблизительно равно 900°C;

3) ферромагнетики намагничиваются до насыщения в слабых магнитных полях. На рисунке 6 показано, как изменяется модуль индукции магнитного поля B в стали с изменением внешнего поля B:

4) магнитная проницаемость ферромагнетика зависит от внешнего магнитного поля (рис. 7).

Это объясняется тем, что вначале с увеличением B магнитная индукция B растет сильнее, а, следовательно, μ будет увеличиваться. Затем при значении магнитной индукции B’ наступает насыщение (μ в этот момент максимальна) и при дальнейшем увеличении B магнитная индукция B1 в веществе перестает изменяться, а магнитная проницаемость уменьшается (стремится к 1):

5) у ферромагнетиков наблюдается остаточная намагниченность. Если, например, ферромагнитный стержень поместить в соленоид, по которому проходит ток, и намагнитить до насыщения (точка А) (рис. 8), а затем уменьшать ток в соленоиде, а вместе с ним и B, то можно заметить, что индукция поля в стержне в процессе его размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда B = 0 (ток в соленоиде выключен), индукция будет равна Br (остаточная индукция). Стержень можно вынуть из соленоида и использовать как постоянный магнит. Чтобы окончательно размагнитить стержень, нужно пропустить по соленоиду ток противоположного направления, т.е. приложить внешнее магнитное поле с противоположным направлением вектора индукции. Увеличивая теперь по модулю индукцию этого поля до Boc, размагничивают стержень (B = 0).

  • Модуль Boc индукции магнитного поля, размагничивающего намагниченный ферромагнетик, называют коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении B можно намагнитить стержень до насыщения (точка А’).

Уменьшая теперь B до нуля, получают опять постоянный магнит, но с индукцией Br (противоположного направления). Чтобы вновь размагнитить стержень, нужно снова включить в соленоид ток первоначального направления, и стержень размагнитится, когда индукция B станет равной Boc. Продолжая увеличивать я B, снова намагничивают стержень до насыщения (точка А).

Таким образом, при намагничивании и размагничивании ферромагнетика индукция B отстает от B0. Это отставание называется явлением гистерезиса. Изображенная на рисунке 8 кривая называется петлей гистерезиса.

Гистерезис (греч. ὑστέρησις — «отстающий») — свойство систем, которые не сразу следуют за приложенными силам.

Вид кривой намагничивания (петли гистерезиса) существенно различается для различных ферромагнитных материалов, которые нашли очень широкое применение в научных и технических приложениях. Некоторые магнитные материалы имеют широкую петлю с высокими значениями остаточной намагниченности и коэрцитивной силы, они называются магнитно-жесткими и используются для изготовления постоянных магнитов. Для других ферромагнитных сплавов характерны малые значения коэрцитивной силы, такие материалы легко намагничиваются и перемагничиваются даже в слабых полях. Такие материалы называются магнитно-мягкими и используются в различных электротехнических приборах — реле, трансформаторах, магнитопроводах и др.

Магнитное поле катушки определяется током и напряженность этого поля , а индукция поля. Т.е. индукция поля в вакууме пропорциональна величине тока. Если же магнитное поле создается в некой среде или веществе, то поле воздействует на вещество, а оно, в свою очередь, определенным образом изменяет магнитное поле.

Читайте также:  Кашпо своими руками для дома

Вещество, находящееся во внешнем магнитном поле, намагничивается и в нем возникает добавочное внутреннее магнитное поле. Оно связано с движением электронов по внутриатомным орбитам, а также вокруг собственной оси. Движение электронов и ядер атомов можно рассматривать как элементарные круговые токи.

Магнитные свойства элементарного кругового тока характеризуются магнитным моментом.

При отсутствии внешнего магнитного поля элементарные токи внутри вещества ориентированы беспорядочно (хаотически) и , поэтому общий или суммарный магнитный момент равен нулю и в окружающем пространстве магнитное поле элементарных внутренних токов не обнаруживается.

Влияние внешнего магнитного поля на элементарные токи в веществе состоит в том, что изменяется ориентация осей вращения заряженных частиц причем так, что их магнитные моменты оказываются направленными в одну сторону. (в сторону внешнего магнитного поля). Интенсивность и характер намагничивания у различных веществ в одинаковом внешнем магнитном поле значительно отличаются. Величину, характеризующую свойства среды и влияние среды на плотность магнитного поля, называют абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной проницаемостью среды (μс). Это есть отношение=. Измеряется [μс ]=Гн/м.

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной μо=4π 10 -7 Гн/м.

Отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной называют относительной магнитной проницаемостьюμc =μ. Т.е. относительная магнитная проницаемость – это величина, показывающая, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость среды больше или меньше абсолютной проницаемости вакуума. μ — величина безразмерная , изменяющаяся в широких пределах. Эта величина положена в основу деления всех материалов и сред на три группы.

Диамагнетики. У этих веществ μ 1. К ним относятся – алюминий, магний, олово, платина, марганец, кислород, воздух и др. У воздуха = 1,0000031. . Эти вещества также, как и диамагнетики, слабо взаимодействуют с магнитом.

Для технических расчетов μ диамагнитных и парамагнитных тел принимается равной единице.

Ферромагнетики. Это особая группа веществ, играющих громадную роль в электротехнике. У этих веществ μ >> 1. К ним относятся железо, сталь, чугун, никель, кобальт, гадолиний и сплавы металлов. Эти вещества сильно притягиваются к магниту. У этих веществ μ = 600- 10 000. У некоторых сплавов μ достигает рекордных значений до 100 000. Следует отметить, что μ для ферромагнитных материалов непостоянна и зависит от напряженности магнитного поля, вида материала и температуры.

Большое значение µ в ферромагнетиках объясняется тем, что в них имеются области самопроизвольного намагничивания (домены), в пределах которых элементарные магнитные моменты направлены одинаково. Складываясь, они образуют общие магнитные моменты доменов.

В отсутствие магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы хаотически и суммарный магнитный момент тела или вещества равен нулю. Под действием внешнего поля магнитные моменты доменов ориентируются в одну сторону и образуют общий магнитный момент тела, направленный в ту же сторону, что и внешнее магнитное поле.

Эту важную особенность используют на практике, применяя ферромагнитные сердечники в катушках, что позволяет резко усилить магнитную индукцию и магнитный поток при тех же значениях токов и числа витков или, иначе говоря, сконцентрировать магнитное поле в относительно малом объеме.

Подавляющее большинство веществ относятся либо к классу диамагнетиков (), либо к классу парамагнетиков (). Но ряд веществ — (ферромагнетики), например железо, обладают более выраженными магнитными свойствами.

У ферромагнетиков вследствие гистерезиса, понятие магнитной проницаемости, строго говоря, неприменимо. Однако в определенном диапазоне изменения намагничивающего поля (чтобы можно было пренебречь остаточной намагниченностью, но до насыщения) можно в лучшем или худшем приближении всё же представить эту зависимость как линейную (а для магнитомягких материалов ограничение снизу может быть и не слишком практически существенно), и в этом смысле величина магнитной проницаемости бывает измерена и для них.

Магнитная проницаемость сверхпроводников равна нулю.

Абсолютная магнитная проницаемость воздуха приблизительно равна Магнитной проницаемости вакуума и в технических расчетах принимается равной [5] Гн/м

Магнитные проницаемости некоторых веществ и материалов

Магнитная проницаемость некоторых [6] веществ

Парамагнетики (μ-1), 10 −6 Диамагнетики (1-μ), 10 −6
Азот 0,013 Водород 0,063
Воздух 0,38 Бензол 7,5
Кислород 1,9 Вода 9
Эбонит 14 Медь 10,3
Алюминий 23 Стекло 12,6
Вольфрам 176 Каменная соль 12,6
Платина 360 Кварц 15,1
Жидкий кислород 3400 Висмут 176

Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость некоторых материалов

Medium Восприимчивость χm
(объемная, СИ)
Проницаемость μ [Гн/м] Относительная проницаемость μ/μ Магнитное поле Максимум частоты
Метглас(Metglas) 1.25 1000000 [7] при 0.5 Тл 100 kHz
Наноперм(Nanoperm) 10×10 -2 80000 [8] при 0.5 Тл 10 kHz
Мю-металл(Mu-metal) 2.5×10 -2 20000 [9] при 0.002 Тл
Мю-металлMu-metal 50000 [10]
Пермаллой 1.0×10 -2 8000 [9] при 0.002 Тл
Электротехническая сталь 5.0×10 -3 4000 [9] при 0.002 Тл
Феррит (никель-цинк) 2.0×10 -5 — 8.0×10 -4 16-640 100 kHz
Читайте также:  Какие виды врачей существуют

1 MHz [источник не указан 316 дней]

Феррит (марганец-цинк) >8.0×10 -4 640 (и более) 100 kHz

1 MHz

Сталь 8.75×10 -4 100 [9] при 0.002 Тл Никель 1.25×10 -4 100 [9] — 600 при 0.002 Тл Неодимовый магнит 1.05 [11] до 1,2-1,4 Тл Платина 1.2569701×10 -6 1.000265 Алюминий 2.22×10 -5 [12] 1.2566650×10 -6 1.000022 Дерево 1.00000043 [12] Воздух 1.00000037 [13] Бетон 1 [14] Вакуум 1.2566371×10 -6 (μ) 1 [15] Водород -2.2×10 -9 [12] 1.2566371×10 -6 1.0000000 Тефлон 1.2567×10 -6 [9] 1.0000 Сапфир -2.1×10 -7 1.2566368×10 -6 0.99999976 Медь -6.4×10 -6
or -9.2×10 -6 [12] 1.2566290×10 -6 0.999994 Вода -8.0×10 -6 1.2566270×10 -6 0.999992 Висмут -1.66×10 -4 0.999834 Сверхпроводники −1

См. также

Примечания

  1. Werner von Siemens, Lebenserinnerungen
  2. Подразумевается суммирование по повторяющемуся индексу (j), т.е. запись следует понимать так: Эта запись, как легко видеть, означает умножение вектора слева на матрицу по правилам матричного умножения.
  3. по-разному для разных типов магнетиков.
  4. Для той или иной линеаризации могут вводиться разные величины магнитной проницаемости.
  5. Намагничивание стали. Магнитная проницаемость.
  6. Магнитная проницаемость. Магнитная проницаемость среды. Относительная магнитная проницаемость. Магнитная проницаемость вещества
  7. "Metglas Magnetic Alloy 2714A", »Metglas». Metglas.com. Архивировано из первоисточника 4 июня 2012.Проверено 8 ноября 2011.
  8. "Typical material properties of NANOPERM", »Magnetec» (PDF). Проверено 8 ноября 2011.
  9. 123456"Relative Permeability", »Hyperphysics». Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Архивировано из первоисточника 4 июня 2012.Проверено 8 ноября 2011.
  10. Nickel Alloys-Stainless Steels, Nickel Copper Alloys, Nickel Chromium Alloys, Low Expansion Alloys. Nickel-alloys.net. Архивировано из первоисточника 4 июня 2012.Проверено 8 ноября 2011.
  11. Juha Pyrhönen, Tapani Jokinen, Valéria HrabovcováDesign of Rotating Electrical Machines. — John Wiley and Sons, 2009. — P. 232. — ISBN 0-470-69516-1
  12. 1234Richard A. ClarkeClarke, R. »Magnetic properties of materials», surrey.ac.uk. Ee.surrey.ac.uk. Архивировано из первоисточника 4 июня 2012.Проверено 8 ноября 2011.
  13. B. D. Cullity and C. D. Graham (2008), Introduction to Magnetic Materials, 2nd edition, 568 pp., p.16
  14. NDT.netDetermination of dielectric properties of insitu concrete at radar frequencies. Ndt.net. Архивировано из первоисточника 4 июня 2012.Проверено 8 ноября 2011.
  15. точно, по определению.

Для улучшения этой статьи желательно ? :

  • Проставив сноски, внести более точные указания на источники.
  • Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.
  • Добавить иллюстрации.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Магнитная проницаемость" в других словарях:

МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — физич. величина, характеризующая изменение магнитной индукции В среды при воздействии магн. поля H. Обозначается m, у изотропных сред m=В/m0Н (в ед. СИ, m0 магнитная постоянная), у анизотропных кристаллов М. п. тензор. М. п. связана с магн.… … Физическая энциклопедия

МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — вещества или среды (обозначается ?) характеризует связь между магнитной индукцией В и напряженностью магнитного поля Н в веществе (среде); ? = В/Н (в единицах СГС) или ? = В/(?oН) (в единицах СИ), где ?o Магнитная постоянная. Магнитная… … Большой Энциклопедический словарь

магнитная проницаемость — магнитная проницаемость; относительная магнитная проницаемость Отношение абсолютной магнитной проницаемости в рассматриваемой точке вещества к магнитной постоянной … Политехнический терминологический толковый словарь

магнитная проницаемость — Величина, характеризующая магнитные свойства вещества, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества, произведение которой на напряженность магнитного поля равно магнитной индукции. [ГОСТ Р 52002 2003] магнитная… … Справочник технического переводчика

МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, см. ПРОНИЦАЕМОСТЬ … Научно-технический энциклопедический словарь

Магнитная проницаемость — величина, характеризующая магнитные свойства вещества, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества, произведение которой на напряженность магнитного поля равно магнитной индукции. Источник: ЭЛЕКТРОТЕХНИКА . ТЕРМИНЫ … Официальная терминология

МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — физ. величина, характеризующая магнитные свойства вещества. М. п. равна отношению магнитной индукции В (см. (5)) в намагничиваемом веществе к напряжённости Н внешнего (намагничивающего) магнитного поля, обозначается μ: μ = B/H.. У ферромагнетиков … Большая политехническая энциклопедия

магнитная проницаемость — вещества или среды (обозначается µ), характеризует связь между магнитной индукцией В и напряжённостью магнитного поля Н в веществе (среде); µ = В/Н (в единицах СГС) или µ = В/(µ0Н) (в единицах СИ), где µ0 магнитная постоянная. Магнитная… … Энциклопедический словарь

магнитная проницаемость — 85 магнитная проницаемость Величина, характеризующая магнитные свойства вещества, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества, произведение которой на напряженность магнитного поля равно магнитной индукции Источник:… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

магнитная проницаемость (μ) — [magnetic permeability] величина, характеризизующая изменение магнитной индукции вещества при действии магнитного поля; у изотропных веществ μ = В/Н. В зависимости от измерения μ ферромагнетиков в статическом или переменном магнитном поле ее… … Энциклопедический словарь по металлургии

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector