Для ряду матеріалів важливими параметрами, що описують їх з точки зору фізики, є магнітні властивості. Перш за все, – це магнітна проникність, яка визначає зміну середнього результуючого поля в речовині.
Залежно від її показника більшість елементів поділяють на три класи. Обчислення її значення важливо при проєктуванні електронних приладів, що використовують в роботі дії магнітного поля.
Загальні відомості
У природі існує кілька видів силових полів. Одним з них є магнітне поле (МП). У фізиці під ним розуміють силу, що діє електричні заряди, які переміщаються та володіють магнітним моментом. Кожне тіло в тому чи іншому вигляді характеризується сприйнятливістю до такого роду полю.
Для розуміння процесу можна провести експеримент. Якщо взяти кільце індуктивності і пропустити через нього електричний струм, то навколо нього виникне електромагнітне поле.
Виходить, що з’являється додаткове джерело магнетизму — залізо. За принципом суперпозиції вектори джерел складаються. Виникає посилене поле.
Припустимо, магнітна індукція поля, створювана тільки струмом, має величину B0, а речовиною — B1. Вектор магнітної індукції в матеріалі буде складатися з цих двох величин:
B = B0 + B1
Ґрунтуючись на експерименті, фізики вирішили ввести нову величину, яка характеризує, наскільки речовина змінює магнітне поле. Цей параметр було вирішено позначити символом μ і назвати магнітною проникністю. Її одиницею виміру стала безрозмірна величина.
Для вакууму формула магнітної проникності має вигляд
μ = B/B0
По суті, параметр є магнітним аналогом діелектричної проникності. Але якщо діелектрики завжди послаблюють поле, то магнетики його підсилюють.
Протягом декількох десятків років різні фізики проводили експерименти над здатністю матеріалів підтримувати поширення магнітного поля. В результаті була побудована таблиця, в яку були занесені показники, характерні для різних середовищ.
Так, для:
- повітря параметр дорівнює 1.25663753*10-6;
- вакууму — 4π*10-7;
- дерева — 1.25663760*10-6;
- чистого заліза — 6.3 * 10-3.
Всі ці дані загальнодоступні. Їх можна легко знайти практично в будь-якому фізичному довіднику.
Види проникності і формули
Сприйнятливість до магнетизму залежить від виду середовища і визначається її властивостями. Тому заведено говорити про здатність до проникності конкретної системи, маючи на увазі склад, стан, температуру та інші вихідні дані.
Існує чотири види проникності:
- Відносна. Характеризує, наскільки взаємодія в обраному середовищі відрізняється від вакууму.
- Абсолютна. Знаходиться як добуток проникності на магнітну константу.
- Статична. Визначається з урахуванням коерцитивної сили і магнітної індукції. При цьому, чим більше значення має характеристика, тим менше частота магнітних втрат. Звідси випливає, що статична проникність залежить від температури.
- Диференціальна. Встановлює зв’язок між малим збільшенням індукції і напруженості — μд = m*tgb. Це твердження означає, що величина визначається за основною кривою намагнічування, через нелінійність якої вона мінлива.
Якщо середовище однорідне і ізотропне, то проникність визначається за формулою:
μ = в/(μ0Н)
де:
- B — магнітна індукція;
- H — напруженість;
- μo — константа.
Постійний коефіцієнт у формулі водиться для запису рівняння магнетизму в раціональній формі для проведення розрахунків. Його знак завжди постійний. Він дозволяє зв’язати між собою відносну магнітну проникність і абсолютну.
Магнітна сприйнятливість пов’язана з проникністю простим виразом μ = 1 + χ. Ця формула справедлива, якщо всі параметри будуть вимірюватися в СІ. В одиницях СГС рівність набуде вигляду μ = 1 + 4πx. Наприклад, проникність вакууму дорівнює одиниці, оскільки x = 0. Вона безрозмірна і допомагає оцінити здатність намагнічування матеріалу в МП.
Існує три види сприйнятливості: об’ємна, питома і молярна. Для діамагнетиків вона негативна, а для парамагнетиків — позитивна. При цьому у феромагнетиків її значення можуть досягати тисяч одиниць, в той час як для інших класів речовин величина має дуже малий порядок, близько 10-4 — 10-6.
Найбільше значення диференціального параметра завжди буде перевищувати статичну складову μ = (1/μо)*(dB / dH). Ця формула за своїм виглядом нагадує вираз, що описує тертя.
Поділ речовин
У п’ятдесяті роки дев’ятнадцятого століття Фарадей досліджував вплив речовин на магнітне поле. У підсумку він прийшов до висновку, що всі матеріали без винятку впливають на поле. Звідси випливає, що будь-яка речовина є джерелом свого МП, але за умови його приміщення в зовнішнє поле. Це явище було названо намагніченістю.
За результатами свого дослідження Фарадей розділив всі фізичні елементи на три класи, давши визначення кожному з них:
- Діамагнетик. Речовини, у яких проникність трохи менше одиниці: μ < 1. До них відносяться всі гази, крім кисню; золота, срібла, вуглецю в будь-якій кристалічній модифікації; вісмуту. При приміщенні цих речовин в магнітному полі власний вектор магнітної індукції спрямований в сторону протилежну вектору, створюваному струмом: B1↑↓B0. З іншого боку, оскільки значення B1 близько до одиниці, то модуль вектора B1 набагато менше модуля B0. Виходить, що така речовина намагнічується дуже слабо і проти зовнішнього поля. Цікавим фактом є те, що діамагнетики при приміщенні в котушку з магнітним полем виштовхуються з неї.
- Парамагнетик. До них відносять матеріали, у яких магнітна проникність трохи більше одиниці. Наприклад, лужні метали, алюміній вольфрам, магній, платина. Для цих речовин характерно те, що модуль B1 паралельний вектору B0, але при цьому модуль B1 менше, ніж модуль вектора B0.
- Феромагнетик. До цього класу відносять матеріали, у яких μ набагато більше одиниці. Класичними представниками таких речовин є: залізо, нікель, кобальт та їх сплави. Ці речовини намагнічуються вздовж поля. При цьому B1 по модулю набагато більше B0. Такі матеріали сильно збільшують магнітне поле.
В однорідному МП на тіло, що володіє магнітним моментом, діє тільки момент сил, який прагне розгорнути диполь уздовж напрямку силових ліній. У неоднорідному полі на диполь буде додатково діяти сила, пропорційна величині дипольного моменту і градієнта поля:
F = P (dB/dn) * cosj
Гіпотеза Ампера
З її допомогою можна пояснити, чому одні речовини проявляють парамагнітні або діамагнітні властивості, а інші підсилюють магнітне поле. Ампер провів ряд експериментів, порівнюючи конфігурацію поля, створюваного смуговим магнітом і котушкою зі струмом.
Було визначено, що для смугового магніту характерна ситуація, коли лінії потоку виходять з Північного полюса і входять в Південний. Котушка ж створює поле, схоже на конфігурацію МП постійного смугового магніту.
Так, Ампер стверджував, що магнітні властивості матеріалу пояснюються існуванням в його об’ємі мікроскопічних замкнутих електричних струмів. Згодом його здогад було підтверджено. Такі струми названі молекулярними.
Іншими словами, це електрони, що рухаються навколо ядра в атомі. Для прикладу варто розглянути гелій. У ньому два електрони рухаються по практично однаковим орбітам, але тільки в протилежні сторони. Кожен з електронів несе електричний заряд, що створює струм, отже, і поле.
Якщо намалювати їх магнітні поля, то можна побачити, що їх напрямок буде протилежним: B1 + B2 = 0. Значить, атом гелію не створює навколо себе магнітне поле. При приміщенні його в зовнішнє магнітне поле B0 до сили тяжіння електрона додасться сила Лоренца, спрямована по радіусу від ядра.
Таким чином, сила тяжіння до ядра ослабне. Щоб рухатися по тій же самій орбіті, електрону потрібна менша швидкість. Що стосується другого електрону, то ситуація буде протилежною. Швидкість електрона стане більше. В результаті поле, створюване першим електроном, стане менше, а другим — більше. Отже:
B1 + B2 ≈ 0
При цьому гелій буде намагнічуватися проти зовнішнього поля, тобто є діамагнетиком.
Для парамагнетиків характерно те, що кожен атом володіє своїм орбітальним полем. Тобто атоми можна уявити як витки зі струмом. Якщо поля немає, напрямок електронів хаотичний. Причому їх сума буде дорівнювати нулю. При приміщенні його в зовнішнє магнітне поле кожен вільний атом буде прагнути розвернутися так, щоб його нормаль була спрямована по полю. Але при цьому процесу заважає тепловий рух.
Тому повністю розвернутися в бік напрямку магнітного поля атоми не можуть. При цьому чим більше температура тіла, тим менше буде їх розворот. Значить, магнітна проникність буде зменшуватися.
Властивість феромагнетиків
З точки зору фізики найбільш цікавим матеріалом є феромагнетик. Існує пристрій, що представляє собою кільце з нього. На прилад рівномірно в один шар намотаний дріт, через який протікає електричний струм. У цьому колі виникає електричне поле, що збігається за величиною з вектором магнітного поля. В результаті сердечник стає намагніченим.
Якщо по осі ординат відкласти магнітну індукцію тіла, а по осі абсцис – струму, то можна виявити наступні особливості:
- у початковий момент часу графік буде зростати приблизно під кутом 30 градусів;
- після досягнення певної величини (1 Тл) відбудеться різке вирівнювання графіка щодо B0.
Виходить, що магнітна проникність залежить від поля намагнічення. Якщо провести перпендикуляри з точки переходу графіка на координатні прямі і намалювати з неї діагональ до нульової точки, то тангенс кута до B0 буде дорівнювати проникності:
μ = tg j
Виявляється, що при великих полях намагніченості МП перестає рости, тобто існує магнітне насичення.
Якщо взяти ферит і намагнітити його, а поле розмагнітити шляхом зменшення поля, то лінія розмагнічування буде іншою. При зникненні зовнішнього поля феромагнетик залишиться намагніченим.
Тому для його розмагнічування потрібно створити поле, що направлене в протилежну сторону. Таким чином, чергування намагніченості і розмагніченості призведе до виду гістерезису.
На петлі можна виділити дві точки:
- Bo – залишкова магнітна індукція, що виникає після зняття електричного поля;
- Bc – коерцитивна сила, індукція протилежно спрямованого поля.
Але бувають і феромагнетики, які досить легко перемагнітити. Їх петля гістерезису має вузький вигляд. Використовують такі матеріали в електродвигунах, трансформаторах. Їх називають м’якими. Приклади – відпалена сталь, пермалой.
