Явления магнетизма были известны ещё древним грекам. Они знали удивительные свойства магнитного камня, найденного вблизи города Магнесия в Малой Азии — его способность притягивать к себе мелкие железные предметы. Знали, что намагниченной иглой (магнитной стрелкой) можно пользоваться как указателем севера или юга.
На рисунке а) показан кусок магнитного камня (железной руды), притянувшего к себе железные опилки. Если камень подвесить на нити (рис. б), то он установится в направлении север — юг.
Камень, которым натирали железную иглу (магнитную стрелку), называли камнем Геркулеса.
Сократ, древнегреческий мудрец, так описал свойства этого камня: «Этот камень не только притягивает железное кольцо, — он одаривает своей силой и кольцо, так что оно в свою очередь может притягивать другое кольцо, и таким образом может висеть друг на друге множество колец или кусков железа. Это происходит благодаря силе магнитного камня».
В Китае и Индии о магнитном камне ходили легенды. Магнетизм с незапамятных времён загадывал людям множество загадок.
Диамагнетики и парамагнетики
Первые исследования магнитных явлений были проведены англичанином Гильбертом , описавшим результаты своих исследований в 1600 году в книге «О магните, магнитных телах и великом магните Земли».
Гильберт считал, что Земля подобна намагниченному шар у. Сделав стальной шар, он намагнитил его так, чтобы в диаметрально противоположных точках были ярко выражены магнитные полюсы.
Перемещая магнитную стрелку вдоль меридиана, он наблюдал как менялось наклонение магнитной стрелки — оно убывало при перемещении стрелки от одного полюса к другому, а на экваторе угол наклонения становился равным нулю.
На основании этих результатов Гильберт пришёл к выводу, что магнитное поле Земли сосредоточено в самой Земле.
Книга Гильберта явилась началом науки о магнетизме Земли.
( В наше время магнитное поле Земли объясняется процессами, которые должны происходить в её ядре. Земля — гигантский магнит.
Южный магнитный полюс Земли находится вблизи северного географического, а северный магнитный полюс Земли находится вблизи южного географического.
Земное магнитное поле имеет такой вид, как будто земной шар представляет собой магнит с осью направленной приблизительно с севера на юг.
Прямая, проходящая через оба магнитных полюса Земли не проходит через центр Земли. Точки схождения линий земного магнитного поля не лежат на поверхности Земли, а находятся под ней.
Магнитные стрелки устанавливаются вдоль незримых линий (магнитных силовых линий), которые идут над поверхностью Земли от одного магнитного полюса к другому, и в каждой точке стрелка направлена по касательной к такой линии.
При этом расположение полюсов магнитной стрелки говорит о том, что разноимённые магнитные полюсы притягиваются, а одноимённые отталкиваются ) .
На вопрос, почему магнитное поле Земли лишь поворачивает магнитную стрелку, но не смещает её , убедительный ответ был дан Кулоном.
Объяснение Кулоном этого явления заключалось в следующем.
Силы взаимодействия между каждым из полюсов Земли и магнитной стрелкой равны по величине. Они приложены к концам стрелки, параллельны друг другу, но направлены в противоположные стороны.
Силы, приложенные к телу таким образом, не могут его смещать. Их действие приводит к вращению тела (магнитной стрелки).
По мере приближения стрелки к направлению меридиана линии действия этих сил сближаются, уравновешивают друг друга, и стрелка устанавливается по магнитному меридиану.
Ещё Гильберт заметил , что при намагничивании железного стержня стержень удлинялся .
(В 1847 году Джоуль, исследуя это явление, установил зависимость удлинения и укорачивания металлического стержня при перемагничивании — это явление было названо магнитострикцией ).
Гильберт также заметил, что магнитные свойства тела меняются при его нагревании.
(В 1895 году Пьером Кюри была исследована зависимость магнитных свойств магнетиков от температуры и установлена температура ( точка Кюри ), при которой магнитные свойства вещества исчезают из-за теплового движения молекул ).
Гильбертом было ещё замечено, что при разбивании магнита у его частей всё равно остаются два полюса .
Это свойство магнита заставило исследователей задуматься, что же происходит в железе при его намагничивании?
В 1797 году ирландский химик Кирван предложил рассматривать молекулы железа как природные магниты независимо от того, намагничено оно или нет.
Когда железный брусок натирают от середины к краям противоположными полюсами магнита, магнетики — молекулы подобно стрелке компаса, устанавливаются вдоль бруска и сам он становится магнитом.
Ампером было обнаружено сходство магнитных полей, создаваемых полосовым магнитом и катушкой такого же размера, по которой проходил ток.
Наблюдаемое привело Ампера к мысли, что с молекулами вещества связаны круговые токи ( молекулярные токи); что, обладая магнитным моментом, молекулярные токи являются элементарными источниками магнетизма.
Согласно взглядам Ампера, когда вещество не намагничено, магнитные моменты молекулярных токов ориентированы хаотично и его общий магнитный момент равен нулю.
Когда же вещество находится в намагниченном состоянии, то магнитные моменты молекул ориентированы в одном направлении, и дают результирующий магнитный момент (рисунок ниже).
Выводы Ампера нашли своё подтверждение . Сейчас, когда мы знаем строение атома (состоящего из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра), то легко представить движущийся по орбите электрон как круговой ток.
Тогда атом в целом и молекулу, состоящую из атомов, можно заменить круговым током, имеющим магнитный момент .
Таким образом, условно можно считать, что внутри намагниченного вещества (называемого магнетиком) существуют замкнутые микротоки.
На следующем рисунке слева они показаны в поперечном сечении магнетика, глядя на который можно заметить, что во в нутренних частях магнетика молекулярные токи компенсируют (уничтожают) друг друга, а на поверхности магнетика они складываются в поверхностные круговые токи (рисунок справа):
Последний рисунок подтверждает справедливость вывода Ампера о существовании круговых (молекулярных) токов в веществе, и объяснения ими намагничивания вещества (теория Ампера называется молекулярной теорией магнетизма).
По магнитным свойствам все вещества (магнетики) делятся на парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики.
При помещении магнетика во внешнее магнитное поле в нём возникает своё магнитное поле В, то есть вещество намагничивается .
Магнитной характеристикой магнетика является величина
называемая магнитной проницаемостью вещества.
Магнитная проницаемость вещества показывает во сколько раз индукция магнитного поля в веществе больше (для парамагнетиков и ферромагнетиков) или меньше (для диамагнетиков) индукции того же магнитного поля в отсутствии вещества.
Магнитную проницаемость воздуха приняли равной единице . Магнитную проницаемость магнетиков сравнивают с магнитной проницаемостью воздуха. Магнитная проницаемость парамагнетиков и диамагнетиков очень мала (близка к единице).
(Ниже приведён рисунок, когда прямой провод с током создаёт вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого имеют вид окружностей
Ответьте себе на вопрос: Почему магнитная стрелка располагается по касательной к силовой линии?
Если на изображённую поверхность насыпать мелкие железные опилки, то они расположатся по окружностям вокруг прямого провода с током (по силовым линиям магнитного поля). Почему они так расположатся и что при этом происходит в каждой частичке железа? Ответ сможете дать, прочитав статью » Как физика объясняет способность ферромагнетиков сильно намагничиваться»).
Парамагнетики
Парамагнетики — это вещества, атомы которых и в отсутствие магнитного поля обладают магнитным моментом, но вектора магнитных моментов ориентированы хаотично и в целом вещество не намагничено.
При помещении же его в магнитное поле магнитные вектора ориентируются по направлению поля и вещество намагничивается, но очень слабо.
К парамагнетикам относятся алюминий, платина, вольфрам и др. Их магнитная проницаемость чуть больше единицы.
Так, магнитная проницаемость платины равна 1,00036. Это значит что парамагнетик слабо намагничивается в направлении внешнего магнитного поля.
Если стержень из парамагнетика подвесить в однородном магнитном поле, то в положении равновесия он установится вдоль линий магнитной индукции (рисунок ниже):
Если парамагнетик окажется в неоднородном магнитном поле, то он будет перемещаться в сторону большей индукции (будет втягиваться в поле).
Диамагнетики
Диамагнетиками являются вещества, которые при помещении их в магнитное поле намагничиваются навстречу этому полю.
Такое поведение диамагнетиков обусловлено строением их атомов : в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты, создаваемые отдельными электронами в их атомах, взаимно скомпенсированы .
При внесении диамагнетика в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома, согласно закону электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые токи, т. е. добавочное круговое движение электронов вокруг направления магнитного поля. Эти токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент, направленный, согласно правилу Ленца, навстречу внешнему магнитному полю.
(Индуцированные магнитные моменты создаются в магнетиках независимо от того, имелся ли первоначально у атома собственный магнитный момент или нет и как он был ориентирован, поэтому слабый диамагнетизм свойственен всем веществам, но он перекрывается более сильными парамагнетизмом и ферромагнетизмом в соответствующих магнетиках).
К чистым диамагнетикам относятся серебро, золото, висмут и др.
Магнитная проницаемость диамагнетиков близка к единице (чуть меньше единицы). Например, для висмута она равна 0,9998.
В силу намагниченности диамагнетиков против внешнего магнитного поля диамагнитный стержень в магнитном поле ориентируется перпендикулярно его силовым линиям, что показано на следующем рисунке (вид сверху ):
В неоднородном магнитном поле частицы диамагнетика «выталкиваются из поля», что видно на следующем рисунке, где пламя свечи (продукты сгорания являются диамагнитными частицами) испытывает отклонение от направления поля:
Особенности веществ (ферромагнетиков), способных очень сильно намагничиваться под действием магнитного поля, будут рассмотрены в следующей статье.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Физика и музыка. Тембр звука. Основной тон. Обертоны.
Следующая запись: Как физика объясняет способность ферромагнетиков сильно намагничиваться? Доменная структура ферромагнетиков.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 5 8.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .
Источник: dzen.ru
Классификация веществ по магнитным свойствам. 1. Диамагнетики – материалы, в которых магнитные моменты всех атомов скомпенсированы, т.е
1. Диамагнетики – материалы, в которых магнитные моменты всех атомов скомпенсированы, т.е. внешне без действия на них поля они проявляют себя как немагнитные материалы. Когда на такие материалы действует внешнее магнитное поле, это приводит к деформации электронных оболочек, в результате чего индуцируется магнитный момент, который направлен встречно по отношению к внешнему полю и ослабляет его действие.
У диамагнитных материалов относительная магнитная проницаемость , а относительная магнитная восприимчивость .
Эти параметры не зависят от температуры и напряженности магнитного поля:
К диамагнетикам относятся: водород (), вода (), медь (Cu), цинк (Zn), свинец (Pb), ртуть (Hg), золото (Au), серебро (Ag), а также полупроводники: германий (Ge), селен (Se), кремний (Si).
2. Парамагнетики – материалы, атомы которых обладают определенными неупорядоченными магнитными моментами, поэтому без действия на такие материалы внешнего магнитного поля они являются немагнитными.Если на парамагнетики действует внешнее магнитное поле, их результирующий магнитный момент будет сонаправлен с действием вектора магнитного поля, и будет усиливать его действие.
У парамагнитных материалов относительная магнитная проницаемость , а относительная магнитная восприимчивость .
Эти параметры обратно пропорционально зависят от температуры:
К парамагнетикам относятся: алюминий (Al), магний (Mg), платина (Pt), натрий (Na), вольфрам (W), кислород (O2) и некоторые оксиды (СоО, , CuO).
3. Ферромагнетики – твердые кристаллические материалы, у которых в результате квантово-механического взаимодействия между атомами происходит параллельная ориентация векторов магнитных моментов в доменах, благодаря чему даже без действия внешнего магнитного поля такой материал оказывается спонтанно намагниченным.
У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость , а относительная магнитная восприимчивость .
Эти параметры зависят от температуры и напряженности магнитного поля:
К ним относятся: железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni), гадолиний (Gd) и некоторые другие редкоземельные металлы, сплавы на их основе, а также оксиды на их основе и некоторые соединения марганца (Mn) с серебром и алюминием, и с медью и алюминием.
При превышении температуры выше температуры (точки) Кюри ферромагнетики теряют доменную структуру и становятся парамагнетиками.
4. Антиферромагнетики – это такие материалы, в которых благодаря антипараллельной направленности векторов магнитных моментов в пределах главных доменов получается, что они не обладают результирующим магнитным моментом. При действии на такой материал повышенной температуры, это его свойство нарушается, и если превысить пороговую температуру, называемую температурой Нееля (антиферромагнитной температурой Кюри), то такой материал становится парамагнетиком.
К ним относятся: марганец (Mn), хром (Cr) и некоторые соединения на их основе.
5. Ферримагнетики (ферриты) — твердые кристаллические порошкообразные соединения, характеризуемые общей химической формулой (где Me – название металла, n – количество молекул оксида трехвалентного железа, входящего в феррит) и имеющие сложную кристаллическую решетку, которая состоит из ряда подрешеток. В пределах каждой подрешетки наблюдается антипараллельная ориентация векторов магнитных моментов. В результате результирующий магнитный момент будет иметь большое значение и значительно отличаться от нуля.
У ферримагнитных материалов относительная магнитная проницаемость , а относительная магнитная восприимчивость .
Эти параметры зависят от температуры и напряженности магнитного поля:
6. Метамагнетики – материалы на основе редкоземельных металлов и их соединений: гольмия (Но), тербия (Tr), эрбия (Er), диспрозия (Dy), которые в слабых магнитных полях ведут себя как антиферромагнетики, а в сильных – как ферромагнетики или наоборот.
Антиферромагнитными в слабых полях являются МnАu2, диспрозий и эрбий. Ферромагнитными в слабых полях являются МnАs, МnВi, гольмий и тербий.
В электротехнике в качестве магнитных материалов используются, главным образом, ферромагнетики.и ферримагнетики.
По значению коэрцитивной (задерживающей) силы Hс они делятся на две большие группы — магнитомягкие материалы с малой Нс и магнитотвердые материалы с большим значением Нс.
Магнитомягкими называются магнитные материалы с коэрцитивной силой не более 4 кА/м, а магнитотвердыми — с коэрцитивной силой не менее 4 кА/м.
Магнитомягкие материалы предназначены прежде всего для работы в переменных магнитных полях или в динамических режимах, магнитотвердые материалы — для работы в статическом режиме.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник: studopedia.ru
Парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики
По характеру магнитных свойств все вещества можно разделить на три группы:
Ферромагнетики
Ферромагнитные – вещества, сильно притягивающиеся к магниту. К ним принадлежат железо, сталь, чугун, никель, кобальт, редкоземельный элемент гадолиний и некоторые сплавы.
У этих веществ относительная магнитная проницаемость имеет величину от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч. Например, для кобальта – 150, никеля – 300, железа – до 500, пермаллоя (сплав стали с никелем) – до 100 000.
Парамагнетики
Парамагнитные — вещества, слабо притягивающиеся к магниту. К ним принадлежат алюминий, магний, олово, платина, марганец, кислород и другие. У этих веществ относительная магнитная проницаемость немного больше единицы. Например, у воздуха µ = 1,0000031.
Диамагнетики
Диамагнитные – вещества, слабо отталкивающиеся от магнита. К ним принадлежат цинк, ртуть, свинец, сера, медь, хлор, серебро, вода и другие. У этих веществ относительная магнитная проницаемость немного меньше единицы. Например, у меди µ = 0,999995.
Источник: Кузнецов М.И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560с.
Источник: kratko-obo-vsem.ru