ВІКІСТОРІНКА
Навигация:
Інформатика
Історія
Автоматизація
Адміністрування
Антропологія
Архітектура
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Військова наука
Виробництво
Географія
Геологія
Господарство
Демографія
Екологія
Економіка
Електроніка
Енергетика
Журналістика
Кінематографія
Комп'ютеризація
Креслення
Кулінарія
Культура
Культура
Лінгвістика
Література
Лексикологія
Логіка
Маркетинг
Математика
Медицина
Менеджмент
Металургія
Метрологія
Мистецтво
Музика
Наукознавство
Освіта
Охорона Праці
Підприємництво
Педагогіка
Поліграфія
Право
Приладобудування
Програмування
Психологія
Радіозв'язок
Релігія
Риторика
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Статистика
Технології
Торгівля
Транспорт
Фізіологія
Фізика
Філософія
Фінанси
Фармакологія


Закон повного струму для магнітного поля в середовищі

 

У магнетизмі розрізняють два типи струмів: макроструми і мікроструми. Під макрострумами розуміють електричні струми провідності, а також конвекційні струми, зв’язані з рухом заряджених макроскопічних тіл. Мікрострумами, або молекулярнимиструмами, називають струми, обумовлені рухом електронів у атомах, іонах і молекулах.

У речовині на магнітне поле макрострумів (його часто називають зовнішнім) накладається додаткове магнітне поле мікрострумів (його, відповідно, називають внутрішнім).

Магнітна індукція вислідного поля у речовині

, (5.82)

де − магнітна індукція зовнішнього поля, − магнітна індукція внутрішнього поля.

Закон повного струму:

, (5.83)

де і − алгебраїчні суми відповідно макро- і мікрострумів, охоплених замкненим контуром L.

Величину можна визначити, ґрунтуючись на тому, що молекула з магнітним моментом еквівалентна замкненому „витку” молекулярного струму:

,

де − площа „витка” (рис. 5.24).

У разі парамагнетика: − власний магнітний момент молекули. У разі діамагнетика – наведений магнітний момент . Внесок в дають тільки ті молекулярні струми, „витки” яких „нанизані” на контур L.

Розгляньмо магнітне поле в діамагнітній речовині. Наведені магнітні моменти молекул протилежні за напрямом вектору . Нехай − кут між вектором малого елемента замкненого контура і вектором . На цей елемент „нанизані” молекулярні струми всіх молекул, що містяться в об’ємі скісного циліндра (рис. 5.25) з твірною і основою площі . Нормаль до основи утворює кут з твірною циліндра:

,

де − концентрація молекул. Отже, малому елементу контура відповідає охоплений цим контуром мікрострум

де − намагніченість. Інтегруючи це рівняння вздовж усього замкненого контура L, дістанемо:

. (5.84)

Для парамагнітного середовища розрахунок складніший, оскільки безладний тепловий рух атомів перешкоджає впорядкованій орієнтації магнітних моментів молекул. Однак можна довести, що і в цьому випадку для справджується вираз (5.84).

Поділимо обидві частини рівняння (5.83) на і підставимо в нього вираз у формі (5.84):

.

Оскільки в обох інтегралах інтегрування проводиться по одному і тому самому замкненому контуру L, то це рівняння можна записати у формі:

. (5.85)

Вектор

(5.86)

називають напруженістю магнітного поля. Тому (5.85) можна записати у формі:

. (5.87)

Рівняння (5.87) є математичним виразом закону повного струму для магнітного поля в середовищі:

Циркуляція вектора напруженості магнітного поля вздовж довільного замкненого контура дорівнює вислідному макроструму через поверхню, натягнуту на цей контур.

Для ізотропного середовища зв’язок між векторами магнітної індукції та намагніченості має вигляд:

.

Тому

,

або

, (5.88)

де

(5.89)

відносна магнітна проникність середовища, − магнітна сприйнятливість середовища.

Для діамагнетиків і . Для парамагнетиків і . Відносна магнітна проникність цих речовин не залежить від напруженості магнітного поля, в якому вони розташовані, і дуже мало відрізняється від одиниці, всього на величину порядку 10-5 – 10-6.

З (5.86), (5.88) і (5.89) випливає, що намагніченість магнетика пропорційна напруженості магнітного поля:

(5.90)

 

 

Феромагнетики

 

Феромагнетиками називають тверді речовини, що при не дуже високих температурах мають самочинну (спонтанну) намагніченість, яка сильно змінюється під зовнішнім впливом – магнітного поля, деформації, зміни температури.

Хоча феромагнітних тіл у природі не так вже й багато, саме вони мають найбільше практичне значення. Адже тільки в них магнітні властивості яскраво виявлені. Крім того, їхні магнітні властивості значно складніші й різноманітніші, ніж у діа- і парамагнетиків. Значно складніша також природа феромагнетизму.

Феромагнетики намагнічуються в напрямі поля. Це зближує їх з парамагнетиками, але у феромагнетиків внутрішнє магнітне поле може в сотні й тисячі разів перевищувати зовнішнє поле (магнітна проникність може бути значно більшою за одиницю). І нарешті, феромагнітні тіла мають залишковий магнетизм, якого немає у парамагнітних тіл. Феромагнетиками є кристали перехідних металів (залізо, кобальт, нікель), а також низка рідкоземельних елементів і багато сплавів.

Залежність намагніченості від напруженості магнітного поля показує так звана крива намагнічування, яку можна знайти експериментально (рис 5.26).

Якщо феромагнітний зразок не був намагнічений, то величина спочатку зростає із збільшенням Н майже за лінійним законом. Починаючи з певного значення , модуль вектора намагніченості лишається незмінним і дорівнює . Це явище називають магнітним насиченням.


Графік залежності В від Н відрізняється від графіка залежності J від H відсутністю горизонтальної частини: як тільки настає насичення, магнітна індукція зростає за лінійним законом в залежності від напруженості магнітного поля (рис. 5.27)

Магнітна проникність феромагнетиків не є сталою. Вона залежить від напруженості Н. Графік залежності подано на рис. 5.28. Ця крива має досить складну форму. Слід підкреслити, що для кожного феромагнетика характерна своя індивідуальна крива намагнічування. Відносна магнітна проникність спочатку швидко зростає, а потім спадає, прямуючи до одиниці в дуже сильних намагнічувальних полях. Це пояснюється тим, що дією можна знехтувати у порівнянні з . Тоді . Максимальні значення для феромагнетиків дуже великі: ~ .

Залежність J від H не є однозначною. Намагніченість залежить не тільки від напруженості поля в даний момент, а й від того, якою була його величина в попередні моменти часу. При зменшенні намагнічувального поля після досягнення насичення намагніченість J зменшуватиметься повільніше, ніж відбувалося її зростання. Це називають магнітним гістерезисом (у перекладі на українську „гістерезис” означає запізнювання).

Загальний характер залежності J від H подано на рис. 5.29. Відрізок Оа являє собою криву намагнічування, подібну до кривої, поданої на рис. 5.26. У точці а досягається насичення. При зменшенні до нуля намагніченість зменшується відповідно до . Її величина являє собою залишкову намагніченість. Феромагнітний зразок створює магнітне поле без зовнішнього намагнічувального поля. Отже, він є постійним магнітом. При збільшенні магнітної напруженості, напрямленої вже в протилежний бік, намагніченість зменшується і лише при вона дорівнює нулеві. Величину називають коерцитивною (затримуючою) силою. Це те поле, яке треба створити для розмагнічування зразка. Коерцитивна сила характеризує здатність феромагнітного матеріалу зберігати намагнічений стан.

Розрізняють „м’які” й „тверді” в магнітному відношенні матеріали. Магніто-м’які матеріали мають малі значення коерцитивної сили. До таких речовин належать, наприклад: залізо, пермалой (сплав заліза з нікелем). Магніто-м’які матеріали використовують для виготовлення сердечників трансформаторів, генераторів, електродвигунів тощо. Магніто-тверді матеріали намагнічуються до насичення і перемагнічуються в досить сильних полях. У цих матеріалів залишкова намагніченість і коерцитивна сила великі. Тому їх використовують для виготовлення постійних магнітів. До магніто-твердих матеріалів належать сталь і багато сплавів. У точці зразок знову намагнічений до насичення, але в оберненому напрямі. Зменшуючи напруженість до нуля і знову збільшуючи її до насичення (точка а), ми дістанемо замкнену криву, симетричну відносно точки О, яку називають петлею гістерезису.

Різні феромагнітні матеріали мають різні форми петлі гістерезису. Форма петлі є дуже важливою магнітною характеристикою матеріалу. У магніто-м’якого матеріалу площа петлі мала, а у магніто-твердого – велика. За умовами роботи сердечники весь час перемагнічуються у змінних магнітних полях. Перемагнічування вимагає виконання роботи. Площа петлі гістерезису, яка подана на рис. 5.29, пропорційна кількості теплоти, що виділяється в одиниці об’єму феромагнетика за один цикл зміни його намагніченості. Ця робота не пов’язана з виділенням тепла струмами Фуко. Тому у м’яких матеріалах енергетичні втрати менші, ніж у твердих.

При деякій певній для даного феромагнетика температурі його феромагнітні властивості зникають і речовина стає парамагнітною. Цю температуру називають температурою Кюрі, за ім’ям французького вченого, який відкрив це явище. Температура Кюрі для заліза , для нікелю . При температурі Кюрі феромагнетик не тільки втрачає власні феромагнітні властивості, але в нього змінюються теплоємність, електропровідність і деякі інші характеристики. Перехід речовини з феромагнітного в парамагнітний стан при температурі Кюрі не супроводжується виділенням або поглинанням теплоти, як, наприклад, плавлення і кристалізація, або кипіння і конденсація. Тому він є прикладом фазових переходів другого роду.

Класичну теорію феромагнетизму розробив французький фізик П.Вейс (1907). Згідно з цією теорією, весь об’єм феромагнітного зразка, що перебуває при температурі нижче за точку Кюрі, самочинно розбитий на невеликі області, намагнічені до насичення, так звані домени (від французького domaine – володіння, область, сфера). Поняття самочинно (спонтанно) припускає, що тут не треба накладання зовнішнього магнітного поля. У повсякденному значенні домени дуже маленькі області, їхні розміри порядку . В атомних масштабах це величезні області, тобто макроскопічні. Домени можна спостерігати безпосередньо за допомогою мікроскопа. Якщо гладко відполіровану поверхню феромагнетика покрити дуже тонким феромагнітним порошком, завислим у рідині, то цей порошок концентрується якраз на межах доменів. Це відбувається тому, що саме тут поле змінюється з відстанню найшвидше (рис. 5.30). Внаслідок хаотичного розподілу напрямів полів окремих доменів зразок в цілому буде ненамагніченим, хоча кожний домен намагнічений до насичення.

Намагнічування зразка в магнітному полі, напруженість якого повільно і монотонно зростає, відбувається за рахунок двох процесів: зміщення меж доменів і обертання магнітних моментів доменів. Процес зміщення меж між доменами спричиняє збільшення розмірів тих доменів, які самочинно намагнічені в напрямах, близьких до напряму вектора . Процес обертання магнітних моментів за напрямом відіграє основну роль тільки в області, близькій до насичення. Нижня частина кривої залежить від руху меж доменів, тобто від збільшення доменів, намагнічених у напрямі . У верхній частині кривої відбувся поворот магнітних моментів у напрямі, паралельному полю. При зменшенні намагнічувального поля дезорієнтація доменів також відбувається поступово. Крива не піде по тому самому шляху, що пояснюється в основному рухом меж доменів, який частково необоротний. Причому значна частина доменів не втрачає орієнтації навіть тоді, коли зовнішнє магнітне поле буде вимкнуто. Для постійних магнітів з доброго сплаву залишкова намагніченість може існувати нескінченно довго, якщо сплав не піддавати дії магнітних полів. Завдяки цьому явищу зберігається інформація, записана на магнітних плівках.

Виникнення доменів пояснює квантова механіка. Між електронами при певних умовах, що визначаються структурою атомної оболонки і характером кристалічних ґрат речовини, виникає специфічна сильна електрична взаємодія. Якщо енергія взаємодії більша за енергію теплового руху частинок, то за рахунок даної взаємодії з’являється строго певна орієнтація електронних спінів ( власних моментів імпульсу). Тільки при температурах, вищих за точку Кюрі, тепловий рух руйнує цю орієнтацію. У домені всі спіни орієнтовані однаково і створювані електронами магнітні поля додаються, підсилюючи одне одного. Феромагнетизм виникає в елементів з незаповненими шарами і оболонками.

У середині дев’ятнадцятого століття було відкрито два магнітомеханічні ефекти:

1) магнітострикція – явище, яке полягає в зміні форми і розмірів феромагнітного зразка при його намагнічуванні (Д. Джоуль, 1842 р.);

2) ефект Вілларі (Е. Вілларі, 1865 р.) – ефект, що полягає в зміні намагніченості феромагнітного зразка при його механічній деформації.

Механічні коливання, що виникають у феромагнетиках при їхньому намагнічуванні в магнітних полях, які періодично змінюються, використовуються в магнітострикційних випромінювачах ультразвуку.

Електромагнітна індукція

Явище електромагнітної індукції було відкрито 29 серпня 1831 р. Рідкісний випадок, коли дата нового чудового відкриття відома так точно. Ось короткий опис першого досліду, даний самим Фарадеєм.

„На широку дерев’яну котушку було намотано мідний дріт завдовжки 203 фути і між витками його намотано дріт такої самої довжини, але ізольований від першого бавовняною ниткою. Одну з цих спіралей було з’єднано з гальванометром, а другу – з потужною батареєю, що складалася з 100 пар пластин... При замиканні ланцюга вдавалося помітити раптову, але дуже слабку дію на гальванометрі, й те саме було помітно тоді, коли струм припинявся. А при безперервному проходженні струму через одну із спіралей не вдавалося помітити ні дії на гальванометр, ні взагалі якої-небудь індукційної дії на другу спіраль, незважаючи на те, що нагрівання всієї спіралі, з’єднаної з батареєю, і яскравість іскри, що проскакувала між вуглинами, свідчили про потужність батареї” (М. Фарадей. Експериментальне дослідження з електрики, І серія).

Схему досліду Фарадея подано на рис. 5.31. Тут М – немагнітний стрижень. Б − батарея елементів електрорушійної сили, К – ключ. Замінивши ключ реостатом, Фарадей помітив, що при зміні струму у першому провіднику, в другому виникає струм , напрям якого залежить від того, зменшується чи збільшується.

Отже, спочатку було відкрито індукцію в нерухомих один відносно одного провідниках (прообраз сучасного трансформатора). Потім, ясно розуміючи, що наближення або віддаляння провідників із струмом призводитиме до такого самого результату, як і замикання та розмикання ланцюга, Фарадей за допомогою дослідів довів, що струм виникає при переміщенні котушок одна відносно одної. Знаючи про роботи Ампера, Фарадей розумів також, що струм це – магніт, а магніт в свою чергу – сукупність струмів. 17 жовтня, як зареєстровано в його лабораторному журналі, було виявлено індукційний струм у котушці в момент всування (або виймання) магніту (рис. 5.32). Напрям струму в котушці залежить від того, яким полюсом магніт був звернений до котушки, і наближався чи віддалявся магніт від неї.

Протягом одного місяця Фарадей дослідним шляхом відкрив усі істотні особливості явища електромагнітної індукції. Досліди Фарадея ясно показали, що індукційний струм спричиняється зміною магнітного поля, що пронизує котушку. Відкрите Фарадеєм явище дістало назву електромагнітної індукції.

Індукційний струм провідності у замкненому ланцюгу може виникнути тільки під дією сторонніх сил. Е.р.с., що їм відповідає, називають електрорушійною силою електромагнітної індукції (е.р.с. індукції)i. Це дає змогу так сформулювати закон Фарадея – закон електромагнітної індукції:

Е.р.с. електромагнітної індукції в контурі пропорційна швидкості зміни магнітного потоку Φm через поверхню, натягнуту на цей контур:

i , (5.91)

де − коефіцієнт пропорційності. Е.р.с. електромагнітної індукції не залежить від того, що спричиняє зміну магнітного потоку.

Професор Петербурзького університету Е.Х. Ленц установив закон – правило Ленца − який дає змогу визначити напрям індукційного струму:

© 2013 wikipage.com.ua - Дякуємо за посилання на wikipage.com.ua | Контакти