ФИЗИКА. 11 класс.                                    Задание № 84

Тема: Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков 

I уровень.  Познакомимся с параграфом

1. Магнетики и их классификация

 Любое вещество, помещенное в магнитное поле, влияет на значение магнитной индукции этого поля. Например, при внесении железного сердечника в катушку (соленоид) с током индукция магнитного поля соленоида сильно возрастает, а сам сердечник приобретает свойство притягивать мелкие железные предметы, т. е. намагничивается. Это явление было впервые обнаружено Ампером.

 Впоследствии  было установлено, что индукция магнитного поля в веществе может быть и больше и меньше, чем индукция того же поля в вакууме. Происходит это потому, что каждое вещество в большей или меньшей степени обладает магнитными свойствами. Вещества, способные изменять параметры магнитного поля, принято называть магнетиками.

 Для характеристики магнитных свойств вещества введена  величина, называемая магнитной проницаемостью этого вещества.

 Магнитная проницаемость вещества – это  физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данной точке однородной изотропной среды  отличается по модулю от индукции магнитного поля в этой же точке в вакууме :   .

 Вещества, у  которых  , называют диамагнетиками. К ним относятся, например, элементы , , , , , , , инертные газы и другие вещества.

 Вещества, у  которых  , называют парамагнетиками. К ним, в частности, относятся , , , , , , , кислород и многие другие элементы, а также растворы некоторых солей.

 Следует отметить, что значение у диа- и парамагнетиков отличается от единицы очень мало, всего на величину порядка , поэтому диа- и парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам.

 Вещества, у  которых  , называют ферромагнетиками. К ним относятся элементы , , , и многие сплавы. (При очень низких температурах ферромагнитные свойства обнаруживают элементы , , и .)

 Значения  у некоторых сплавов достигают десятков тысяч. Поэтому ферромагнетики относятся к сильномагнитным веществам.

• Магнитный момент    – векторная величина, характеризующая магнитные свойства тел и частиц вещества. Магнитный момент электрического тока – вектор , численно равный произведению силы тока на площадь , ограниченную контуром: . Направление определяется правилом правого винта относительно направления тока в контуре. Единица магнитного момента в СИ – . Магнитным моментом обладают все элементарные частицы и образованные из них системы (атомные ядра, атомы, молекулы). Каждый электрон, движущийся в атоме вокруг ядра по замкнутой орбите, представляет собой электронный ток, текущий в направлении, противоположном движению электрона. Магнитный момент электронного тока называется орбитальным магнитным моментом электрона. Электрон, также, независимо от его пребывания в какой-либо системе частиц (атом, молекула, кристалл), обладает собственным механическим моментом количества движения , называемым спином. Элементарное представление о спине связывается с вращением электрона вокруг собственной оси.

 Если в  какой-либо системе электронов (атом, кристалл) имеется четное число электронов, то спины каждой пары электронов, направленные в противоположные стороны, дают суммарный спин, равный нулю. Такая система называется скомпенсированной по спину. При нечетном числе электронов система имеет нескомпенсированный спин, отличный от нуля.

 Наличием  у электрона и некоторых других элементарных частиц спина объясняются многие важные закономерности в современной физике. Например, спином электрона объясняются магнитные свойства ферромагнетиков.

 Векторная сумма  всех орбитальных и спиновых моментов электронов внутри молекулы или атома и представляет собой магнитный момент частицы.

 Пара- и диамагнетизм объясняется поведением электронных  орбит во внешнем магнитном поле.

2. Диамагнетизм

 У атомов диамагнитных веществ в отсутствие внешнего поля собственные магнитные поля электронов и поля, создаваемые их орбитальным движением, полностью скомпенсированы. Возникновение диамагнетизма связано с действием силы Лоренца на электронные орбиты. Под действием этой силы изменяется характер орбитального движения электронов и нарушается компенсация магнитных полей. Возникающее при этом собственное магнитное поле атома оказывается направленным против индукции внешнего поля.

3. Парамагнетизм

 В атомах парамагнитных  веществ магнитные поля электронов скомпенсированы не полностью, и  атом оказывается подобным маленькому круговому току. В отсутствие внешнего поля эти круговые микротоки ориентированы произвольно, так что суммарная магнитная индукция равна нулю. Внешнее магнитное поле оказывает ориентирующее действие – микротоки стремятся сориентироваться так, чтобы их собственные магнитные поля оказались направленными по индукции внешнего поля. Из-за теплового движения атомов ориентация микротоков никогда не бывает полной. При усилении внешнего поля ориентационный эффект возрастает, так что индукция собственного магнитного поля парамагнитного образца растет прямо пропорционально индукции внешнего магнитного поля. Полная индукция магнитного поля в образце складывается из индукции внешнего магнитного поля и индукции собственного магнитного поля, возникшего в процессе намагничивания.

4. Ферромагнетизм

   Природа ферромагнетизма может быть до конца понята только на основе квантовых представлений. Качественно ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов. В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация. В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области размером порядка . Эти области называются доменами. Каждый домен представляет из себя небольшой постоянный магнит.

 В отсутствие внешнего магнитного поля направления  векторов индукции магнитных полей  в различных доменах ориентированы  в большом кристалле хаотически. Такой кристалл в среднем окажется ненамагниченным. При наложении внешнего магнитного поля происходит смещение границ доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. В очень сильном внешнем поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение.

 Магнитная проницаемость ферромагнетиков не является постоянной величиной; она сильно зависит от индукции внешнего поля.

  Непостоянство магнитной проницаемости приводит к сложной нелинейной зависимости  индукции магнитного поля в ферромагнетике от индукции внешнего магнитного поля. Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является так называемый гистерезис, то есть зависимость намагничивания от предыстории образца. Кривая намагничивания ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса. При наступает магнитное насыщение – намагниченность образца достигает максимального значения.

 Если теперь уменьшать магнитную индукцию внешнего поля и довести ее вновь до нулевого значения, то ферромагнетик сохранит остаточную намагниченность – поле внутри образца будет равно . Для того, чтобы полностью размагнитить образец, необходимо, изменив знак внешнего поля, довести магнитную индукцию до значения , которое принято называть коэрцитивной силой. Далее процесс перемагничивания может быть продолжен, как это указано стрелками на рисунке.

 У магнито-мягких материалов значения коэрцитивной силы невелико – петля гистерезиса таких материалов достаточно «узкая». Материалы с большим значением коэрцитивной силы, то есть имеющие «широкую» петлю гистерезиса, относятся к магнито-жестким. 

II уровень.   Ну а теперь вспомним кое-что из теории

1. Что называют магнитной проницаемостью вещества?
2. Какие вещества называются диамагнетиками? парамагнетиками? ферромагнетиками?
3. В чем сущность гипотезы Ампера?
4. Чем обусловлен магнетизм атомов? Что представляет собой магнитный момент частицы?
5. Какова природа ферромагнетизма? Объясните доменную структуру ферромагнетика.

                      Для начала неплохо. Попытайтесь ответить на вопросы

1. Насколько отличаются от единицы магнитные проницаемости диа-, пара- и ферромагнетиков? О чем это свидетельствует?
2. В чем состоит явление магнитного гистерезиса?
3. Что такое петля гистерезиса?
4. Какая величина называется коэрцитивной силой? Когда получается остаточная намагниченность?
5. Что называется точкой Кюри?

III уровень.   Попробуйте выполнить задания

1. Магнитная проницаемость среды – это величина, характеризующая …

A. … способность тел сохранять свою скорость;   Б. … влияние на величину электрического тока;  

B. … возможность тел накапливать электрический заряд;   Г. … магнитные свойства среды, ее способность к намагничиванию;  

Д. … электрические свойства среды.

2. Экспериментальные исследования показали, что …

A. … есть вещества, которые совсем не обладают магнитными свойствами;  

Б. … все вещества обладают в большей или меньшей степени магнитными свойствами.

3. Магнитные свойства постоянного магнита по гипотезе Ампера объясняются …

A. … наличием магнитных зарядов;   Б. … наличием внешнего магнитного поля;   B. … движением свободных зарядов;  

Г. … наличием молекулярных токов.

4. Если – вектор магнитной индукции поля, созданного проводником с током, – результирующий вектор магнитной индукции поля в веществе с магнитной проницаемостью , то для парамагнетиков:

А. , ;   Б. , ;   В. , ;   Г. .

5. Сердечники трансформаторов изготавливаются из ферромагнетиков, петля гистерезиса которых …

А. … очень широка;   Б. … очень узка;   В. … может иметь произвольную форму;   Г. … сердечники трансформаторов нельзя изготавливать  из ферромагнетиков.

IV уровень.   Проверьте, все ли Вы усвоили

1. По графику определить магнитную  проницаемость стали при индукции намагничивающего поля и .

V уровень.   Это сложная задача, однако, если Вы ее решите, то сделаете заметный шаг в познании физики, у Вас будут все основания относиться к себе с большим уважением, чем прежде

1. Внутри соленоида без сердечника индукция поля . Каким станет магнитный поток, если в соленоид ввести чугунный сердечник сечением ? Использовать график.