المغناطيسية

جميع المواد في المجال المغناطيسي ممغنطة (ينشأ فيها مجال مغناطيسي داخلي). اعتمادًا على حجم واتجاه المجال الداخلي ، يتم تقسيم المواد إلى:

1) ديامغناطيس ،

2) البارامغناطيس ،

3) المغناطيسات الحديدية.

تتميز مغنطة المادة بالنفاذية المغناطيسية ،

الحث المغناطيسي في المادة ،

الحث المغناطيسي في الفراغ.

يمكن أن تتميز أي ذرة بلحظة مغناطيسية .

التيار في الدائرة - منطقة الدائرة - متجه الطبيعي لسطح الدائرة.

يتم إنشاء التيار الدقيق للذرة عن طريق حركة الإلكترونات السالبة على طول المدار وحول محورها ، وكذلك عن طريق دوران النواة الموجبة حول محورها.

1. Diamagnets.

عندما لا يكون هناك مجال خارجي في الذرات ديامغناطيسيتم تعويض التيارات الإلكترونية والنواة. إجمالي التيار المجهري للذرة ولحظتها المغناطيسية يساوي الصفر.

في مجال مغناطيسي خارجي ، يتم إحداث (استحثاث) تيارات أولية غير صفرية في الذرات. في هذه الحالة ، يتم توجيه اللحظات المغناطيسية للذرات بشكل معاكس.

يتم إنشاء حقل صغير خاص به ، موجه بشكل معاكس للحقل الخارجي ، مما يؤدي إلى إضعافه.

في قطر مغناطيسي.

لأن< , то для диамагнетиков 1.

2. البارامغناطيس

في البارامغناطيسالتيارات الدقيقة للذرات ولحظاتها المغناطيسية لا تساوي الصفر.

بدون مجال خارجي ، يتم تحديد موقع هذه التيارات الدقيقة بشكل عشوائي.

في مجال مغناطيسي خارجي ، يتم توجيه التيارات الدقيقة للذرات شبه المغناطيسية على طول المجال ، مما يؤدي إلى تضخيمه.

في البارامغناطيس ، الحث المغناطيسي = + يتجاوز قليلاً.

بالنسبة للمغناطيسات البارامغناطيسية ، 1. بالنسبة إلى المغانط الضيقة والمغناطيسية ، يمكنك الاعتماد على 1.

الجدول 1. النفاذية المغناطيسية للشبه والمغناطيسات.

مغنطة البارامغناطيسات تعتمد على درجة الحرارة ، لأن. تمنع الحركة الحرارية للذرات الترتيب المرتب للتيارات الدقيقة.

معظم المواد في الطبيعة هي شبه مغناطيسية.

الحقل المغنطيسي الجوهري في المغنطيسات والبارامغناطيس غير مهم ويتم تدميره إذا تمت إزالة المادة من المجال الخارجي (تعود الذرات إلى حالتها الأصلية ، وتكون المادة غير مغنطيسية).

3. المغناطيسات الحديدية

النفاذية المغناطيسية المغناطيسات الحديديةيصل إلى مئات الآلاف ويعتمد على حجم المجال الممغنط ( مواد مغناطيسية للغاية).

المغناطيسات الحديدية: الحديد والصلب والنيكل والكوبالت وسبائكها ومركباتها.

في المغناطيسات الحديدية ، توجد مناطق مغناطيسية تلقائية ("المجالات") ، حيث يتم توجيه جميع التيارات الدقيقة للذرات بنفس الطريقة. يصل حجم المجال إلى 0.1 مم.

في حالة عدم وجود مجال خارجي ، يتم توجيه اللحظات المغناطيسية للمجالات الفردية بشكل عشوائي وتعويضها. في المجال الخارجي ، تلك المجالات التي تعزز فيها التيارات الدقيقة المجال الخارجي تزيد من حجمها على حساب المجاورات. يكون المجال المغناطيسي الناتج = + في المغناطيسات الحديدية أقوى بكثير من المغناطيسات شبه والأقطار.

المجالات التي تحتوي على مليارات من الذرات تعاني من القصور الذاتي ولا تعود بسرعة إلى حالتها الأصلية المضطربة. لذلك ، إذا تمت إزالة المغناطيس الحديدي من الحقل الخارجي ، فسيتم الاحتفاظ بحقله الخاص لفترة طويلة.

يقوم المغناطيس بإزالة المغناطيس أثناء التخزين طويل المدى (بمرور الوقت ، تعود المجالات إلى حالة الفوضى).

طريقة أخرى لإزالة المغناطيسية هي التسخين. لكل مغناطيس حديدي ، هناك درجة حرارة (تسمى "نقطة كوري") يتم فيها تدمير الروابط بين الذرات في المجالات. في هذه الحالة ، يتحول المغناطيس الحديدي إلى بارامغناطيس ويحدث إزالة المغناطيسية. على سبيل المثال ، نقطة كوري للحديد هي 770 درجة مئوية.

يتم تحديد المجال المغناطيسي للملف بواسطة التيار وشدة هذا المجال ، وتحريض المجال. أولئك. يتناسب تحريض المجال في الفراغ مع حجم التيار. إذا تم إنشاء مجال مغناطيسي في وسط أو مادة معينة ، فعندئذ يعمل الحقل على المادة ، وهو بدوره يغير المجال المغناطيسي بطريقة معينة.

تصبح مادة في مجال مغناطيسي خارجي ممغنطة وينشأ فيها مجال مغناطيسي داخلي إضافي. يرتبط بحركة الإلكترونات على طول المدارات داخل الذرة ، وكذلك حول محورها. يمكن اعتبار حركة الإلكترونات ونواة الذرات بمثابة تيارات دائرية أولية.

الخواص المغناطيسيةيتميز التيار الدائري الأولي بلحظة مغناطيسية.

في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي ، يتم توجيه التيارات الأولية داخل المادة بشكل عشوائي (بشكل عشوائي) ، وبالتالي ، فإن العزم المغناطيسي الكلي أو الكلي هو صفر ولا يتم اكتشاف المجال المغناطيسي للتيارات الداخلية الأولية في الفضاء المحيط.

تأثير خارجي حقل مغناطيسيالتيارات الأولية في المادة هي أن اتجاه محاور دوران الجسيمات المشحونة يتغير بحيث يتم توجيه لحظاتها المغناطيسية في اتجاه واحد. (نحو المجال المغناطيسي الخارجي). تختلف شدة وطبيعة مغنطة المواد المختلفة في نفس المجال المغناطيسي الخارجي اختلافًا كبيرًا. تسمى القيمة التي تميز خصائص الوسط وتأثير الوسيط على كثافة المجال المغناطيسي بالمطلق النفاذية المغناطيسيةأو النفاذية المغناطيسية للوسط (μ مع ) . هذه هي العلاقة =. تقاس [ μ مع ] = ح / م.

تسمى النفاذية المغناطيسية المطلقة للفراغ بالثابت المغناطيسي μ ا \ u003d 4π 10-7 Gn / م.

تسمى نسبة النفاذية المغناطيسية المطلقة إلى الثابت المغناطيسي النفاذية المغناطيسية النسبيةμ ج / μ 0 \ u003d μ. أولئك. النفاذية المغناطيسية النسبية هي قيمة توضح عدد المرات التي تكون فيها النفاذية المغناطيسية المطلقة للوسيط أكبر أو أقل من النفاذية المطلقة للفراغ. μ هي كمية بلا أبعاد تختلف على نطاق واسع. هذه القيمة هي الأساس لتقسيم جميع المواد والوسائط إلى ثلاث مجموعات.

دياماجنيتس . هذه المواد لها μ< 1. К ним относятся - медь, серебро, цинк, ртуть, свинец, сера, хлор, вода и др. Например, у меди μ Cu = 0,999995. Эти вещества слабо взаимодействуют с магнитом.

باراماجنيتس . تحتوي هذه المواد على μ> 1. وتشمل الألومنيوم والمغنيسيوم والقصدير والبلاتين والمنغنيز والأكسجين والهواء وما إلى ذلك. الهواء = 1.0000031. . تتفاعل هذه المواد ، وكذلك المغناطيسات المغناطيسية ، بشكل ضعيف مع المغناطيس.

بالنسبة للحسابات الفنية ، يُفترض أن تساوي μ للأجسام النحاسية والمغناطيسية واحدًا.

المغناطيسات الحديدية . هذه مجموعة خاصة من المواد تلعب دورًا كبيرًا في الهندسة الكهربائية. تحتوي هذه المواد على μ >> 1. وتشمل هذه المواد الحديد والصلب والحديد الزهر والنيكل والكوبالت والجادولينيوم والسبائك المعدنية. تنجذب هذه المواد بقوة إلى المغناطيس. هذه المواد لها μ = 600-10000. بالنسبة لبعض السبائك ، تصل μ إلى قيم قياسية تصل إلى 100000. وتجدر الإشارة إلى أن μ للمواد المغناطيسية ليست ثابتة وتعتمد على شدة المجال المغناطيسي ونوع المادة ودرجة الحرارة.

يتم تفسير القيمة الكبيرة لـ µ في ​​المغناطيسات الحديدية من خلال حقيقة أن لديهم مناطق مغنطة تلقائية (مجالات) ، يتم من خلالها توجيه اللحظات المغناطيسية الأولية بنفس الطريقة. عند إضافتها معًا ، فإنها تشكل اللحظات المغناطيسية المشتركة للمجالات.

في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي ، يتم توجيه اللحظات المغناطيسية للمجالات بشكل عشوائي وتكون العزم المغناطيسي الكلي للجسم أو المادة صفرًا. تحت تأثير مجال خارجي ، يتم توجيه اللحظات المغناطيسية للمجالات في اتجاه واحد وتشكل العزم المغناطيسي الكلي للجسم ، موجهًا في نفس اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي.

تُستخدم هذه الميزة المهمة في الممارسة العملية ، باستخدام النوى المغناطيسية الحديدية في الملفات ، مما يجعل من الممكن زيادة الحث المغناطيسي والتدفق المغناطيسي بشكل حاد بنفس قيم التيارات وعدد الدورات ، أو بعبارة أخرى ، لتركيز مجال مغناطيسي بحجم صغير نسبيًا.

تحديد النفاذية المغناطيسية للمادة. دوره في وصف المجال المغناطيسي

إذا أجريت تجربة باستخدام ملف لولبي متصل بجلفانومتر باليستي ، فعند تشغيل التيار في الملف اللولبي ، يمكنك تحديد قيمة التدفق المغناطيسي ، والتي ستكون متناسبة مع رفض إبرة الجلفانومتر. سنجري التجربة مرتين ، وسنضبط التيار (I) في الجلفانومتر ليكون هو نفسه ، لكن في التجربة الأولى سيكون الملف اللولبي بدون قلب ، وفي التجربة الثانية ، قبل تشغيل التيار ، ستدخل قلبًا حديديًا في الملف اللولبي. وجد أنه في التجربة الثانية كان التدفق المغناطيسي أكبر بكثير مما كان عليه في الأولى (بدون لب). عند تكرار التجربة مع النوى ذات السماكات المختلفة ، اتضح أنه يتم الحصول على أقصى تدفق عندما يتم ملء الملف اللولبي بالكامل بالحديد ، أي أن الملف ملفوف بإحكام حول قلب الحديد. يمكنك تجربة النوى المختلفة. والنتيجة هي:

حيث $ Ф $ هو التدفق المغناطيسي في ملف ذو قلب ، $ Ф_0 $ هو التدفق المغناطيسي في ملف بدون قلب. تفسر الزيادة في التدفق المغناطيسي عند إدخال اللب في الملف اللولبي من خلال حقيقة أن التدفق المغناطيسي الناتج عن مزيج من التيارات الجزيئية الأمبير الموجهة قد تمت إضافته إلى التدفق المغناطيسي ، مما يخلق تيارًا في الملف اللولبي. تحت تأثير المجال المغناطيسي ، يتم توجيه التيارات الجزيئية ، ويتوقف إجمالي عزمها المغناطيسي عن الصفر ، وينشأ مجال مغناطيسي إضافي.

تعريف

تسمى القيمة $ \ mu $ ، التي تميز الخصائص المغناطيسية للوسط ، النفاذية المغناطيسية (أو النفاذية المغناطيسية النسبية).

هذه سمة لا أبعاد لها للمادة. الزيادة في التدفق Ф بمقدار $ \ mu $ مرات (1) تعني أن الحث المغناطيسي $ \ overrightarrow (B) $ في القلب أكبر بعدة مرات من الفراغ عند نفس التيار في الملف اللولبي. لذلك يمكن كتابة ما يلي:

\ [\ overrightarrow (B) = \ mu (\ overrightarrow (B)) _ 0 \ يسار (2 \ يمين) ، \]

حيث $ (\ overrightarrow (B)) _ 0 $ هو تحريض المجال المغناطيسي في الفراغ.

إلى جانب الحث المغناطيسي ، وهو سمة القوة الرئيسية للمجال ، يتم استخدام كمية ناقلات مساعدة مثل شدة المجال المغناطيسي ($ \ overrightarrow (H) $) ، والتي ترتبط بـ $ \ overrightarrow (B) $ بواسطة العلاقة التالية:

\ [\ overrightarrow (B) = \ mu \ overrightarrow (H) \ left (3 \ right). \]

إذا تم تطبيق الصيغة (3) على التجربة مع النواة ، فإننا نحصل على ذلك في حالة عدم وجود جوهر:

\ [(\ overrightarrow (B)) _ 0 = (\ mu) _0 \ overrightarrow (H_0) \ left (4 \ right)، \]

حيث $ \ mu $ = 1. في وجود نواة ، نحصل على:

\ [\ overrightarrow (B) = \ mu (\ mu) _0 \ overrightarrow (H) \ left (5 \ right). \]

ولكن بما أن (2) راضٍ ، فقد اتضح أن:

\ [\ mu (\ mu) _0 \ overrightarrow (H) = (\ mu m) _0 \ overrightarrow (H_0) \ to \ overrightarrow (H) = \ overrightarrow (H_0) \ left (6 \ right). \]

لقد توصلنا إلى أن قوة المجال المغناطيسي لا تعتمد على نوع المادة المتجانسة التي يملأ بها الفضاء. النفاذية المغناطيسية لمعظم المواد تدور حول الوحدة ، باستثناء المغناطيسات الحديدية.

القابلية المغناطيسية للمادة

عادةً ما يرتبط متجه المغنطة ($ \ overrightarrow (J) $) بمتجه الكثافة عند كل نقطة من المغناطيس:

\ [\ overrightarrow (J) = \ فاركابا \ overrightarrow (H) \ يسار (7 \ يمين) \]

حيث $ \ varkappa $ هي القابلية المغناطيسية ، وهي كمية بلا أبعاد. بالنسبة للمواد غير المغناطيسية وفي الحقول الصغيرة ، لا يعتمد $ \ varkappa $ على الكثافة ، إنها كمية قياسية. في الوسائط متباينة الخواص ، $ \ varkappa $ موتر ولا تتطابق اتجاهات $ \ overrightarrow (J) $ و $ \ overrightarrow (H) $.

العلاقة بين القابلية المغناطيسية والنفاذية المغناطيسية

\ [\ overrightarrow (H) = \ frac (\ overrightarrow (B)) ((\ mu) _0) - \ overrightarrow (J) \ left (8 \ right). \]

عوض في (8) التعبير عن متجه المغنطة (7) ، نحصل على:

\ [\ overrightarrow (H) = \ frac (\ overrightarrow (B)) ((\ mu) _0) - \ overrightarrow (H) \ left (9 \ right). \]

نعبر عن التوتر ونحصل على:

\ [\ overrightarrow (H) = \ frac (\ overrightarrow (B)) ((\ mu) _0 \ left (1+ \ varkappa \ right)) \ to \ overrightarrow (B) = (\ mu) _0 \ left ( 1+ \ varkappa \ right) \ overrightarrow (H) \ left (10 \ right). \]

بمقارنة التعابير (5) و (10) نحصل على:

\ [\ مو = 1 + \ فاركابا \ يسار (11 \ يمين). \]

يمكن أن تكون القابلية المغناطيسية إيجابية أو سلبية. من (11) يتبع ذلك أن النفاذية المغناطيسية يمكن أن تكون أكثر من واحدوأقل منه.

مثال 1

المهمة: احسب المغناطيسية في مركز ملف دائري نصف قطره R = 0.1 متر بتيار I = 2A إذا كان مغمورًا في الأكسجين السائل. القابلية المغناطيسية للأكسجين السائل هي $ \ varkappa = 3.4 \ cdot (10) ^ (- 3). $

كأساس لحل المشكلة ، نأخذ تعبيرًا يعكس العلاقة بين شدة المجال المغناطيسي والمغناطيسية:

\ [\ overrightarrow (J) = \ varkappa \ overrightarrow (H) \ left (1.1 \ right). \]

لنجد المجال في مركز الملف مع التيار ، لأننا نحتاج إلى حساب المغناطيسية في هذه المرحلة.

نختار قسمًا أوليًا للموصل الحامل للتيار (الشكل 1) ، كأساس لحل المشكلة ، نستخدم صيغة شدة عنصر الملف مع التيار:

حيث $ \ \ overrightarrow (r) $ هو متجه نصف القطر المرسوم من العنصر الحالي إلى النقطة قيد النظر ، $ \ overrightarrow (dl) $ هو عنصر الموصل مع التيار (يتم تحديد الاتجاه من خلال اتجاه التيار ) ، $ \ vartheta $ هي الزاوية بين $ \ overrightarrow (dl) $ و $ \ overrightarrow (r) $. بناء على الشكل. 1 $ \ vartheta = 90 () ^ \ circ $ ، لذلك سيتم تبسيط (1.1) ، بالإضافة إلى المسافة من مركز الدائرة (النقطة التي نبحث فيها عن المجال المغناطيسي) لعنصر الموصل مع التيار ثابت ويساوي نصف قطر الملف (R) ، لذلك لدينا:

يتم توجيه المتجه الناتج لشدة المجال المغناطيسي على طول المحور X ، ويمكن العثور عليه كمجموع المتجهات الفردية $ \ \ \ overrightarrow (dH) ، $ حيث أن جميع العناصر الحالية تخلق مجالات مغناطيسية في وسط الفتيل ، موجه على طول الملف الطبيعي. بعد ذلك ، وفقًا لمبدأ التراكب ، يمكن الحصول على القوة الكلية للمجال المغناطيسي بالذهاب إلى التكامل:

نستبدل (1.3) في (1.4) ، نحصل على:

نجد المغنطة ، إذا استبدلنا الكثافة من (1.5) إلى (1.1) ، نحصل على:

جميع الوحدات معطاة في نظام SI ، فلنقم بالحسابات:

الإجابة: $ J = 3،4 \ cdot (10) ^ (- 2) \ frac (A) (m). $

مثال 2

المهمة: احسب نسبة المجال المغناطيسي الكلي في قضيب التنجستن ، والذي هو في مجال مغناطيسي خارجي موحد ، والذي يتم تحديده بواسطة التيارات الجزيئية. النفاذية المغناطيسية للتنغستن هي $ \ mu = 1.0176. $

يمكن العثور على تحريض المجال المغناطيسي ($ B "$) ، والذي يتم حسابه بواسطة التيارات الجزيئية ، على النحو التالي:

حيث $ J $ هو مغنطة. يتعلق شدة المجال المغناطيسي بالتعبير:

حيث يمكن العثور على القابلية المغناطيسية لمادة ما على النحو التالي:

\ [\ varkappa = \ mu -1 \ \ يسار (2.3 \ يمين). \]

لذلك نجد المجال المغناطيسي للتيارات الجزيئية على النحو التالي:

يتم حساب إجمالي الحقل في الشريط وفقًا للصيغة:

نستخدم التعبيرات (2.4) و (2.5) لإيجاد العلاقة المطلوبة:

\ [\ frac (B ") (B) = \ frac ((\ mu) _0 \ left (\ mu -1 \ right) H) (\ mu (\ mu) _0H) = \ frac (\ mu -1) (\ مو). \]

لنقم بالحسابات:

\ [\ frac (B ") (B) = \ frac (1.0176-1) (1.0176) = 0.0173. \]

الإجابة: $ \ frac (B ") (B) = 0.0173. $

العزم المغناطيسي هو الكمية المتجهية الرئيسية التي تميز الخصائص المغناطيسية للمادة. بما أن مصدر المغناطيسية هو تيار مغلق ، فإن قيمة العزم المغناطيسي ميعرف بأنه نتاج القوة الحالية أناإلى المنطقة التي تغطيها الدائرة الحالية س:

م = أنا × سأ × م 2 .

تحتوي قذائف الإلكترون للذرات والجزيئات على لحظات مغناطيسية. الإلكترونات وغيرها الجسيمات الأوليةلها لحظة مغنطيسية تحددها وجود عزمها الميكانيكي - الدوران. يمكن توجيه العزم المغنطيسي المغزلي للإلكترون في مجال مغناطيسي خارجي بطريقة تسمح فقط بإسقاطين متساويين ومعاكسين موجهين للحظة في اتجاه متجه المجال المغناطيسي ، مساوٍ لـ مغنيتون بوهر- 9.274 × 10-24 أمبير × م 2.

1. تعريف مفهوم "مغنطة" المادة.

مغنطة - ي-هي إجمالي العزم المغناطيسي لكل وحدة حجم للمادة:

1. حدد مصطلح "القابلية المغناطيسية".

Magnetic susceptibility of a substance, א الخامس-نسبة مغنطة مادة ما إلى قوة المجال المغناطيسي لكل وحدة حجم:

אت = ،كمية بلا أبعاد.

Specific magnetic susceptibility, א – نسبة القابلية المغناطيسية لكثافة مادة ، أي القابلية المغناطيسية لكل وحدة كتلة ، مقاسة بالمتر 3 / كجم.

1. حدد مصطلح "النفاذية المغناطيسية".

النفاذية المغناطيسية، μ – هذه كمية فيزيائية تميز التغيير في الحث المغناطيسي عند تعرضها لمجال مغناطيسي . بالنسبة للوسائط المتناحية ، فإن النفاذية المغناطيسية تساوي نسبة الاستقراء في الوسط فيلقوة المجال المغناطيسي الخارجي حوالثابت المغناطيسي μ 0 :

النفاذية المغناطيسية هي كمية بلا أبعاد. قيمته لوسط معين هي 1 أكثر من القابلية المغناطيسية لنفس الوسيط:

μ = אالخامس + 1 ،منذ B \ u003d μ 0 (H + J).

1. أعط تصنيفًا للمواد وفقًا لخصائصها المغناطيسية.

وفقًا للهيكل المغناطيسي وقيمة النفاذية المغناطيسية (القابلية للتأثر) ، تنقسم المواد إلى:

دياماجنيتس μ< 1 (المادة "تقاوم" المجال المغناطيسي) ؛

باراماجنيتس µ> 1(المادة تدرك بشكل ضعيف المجال المغناطيسي) ؛

المغناطيسات الحديدية µ >> 1(يتم تضخيم المجال المغناطيسي في المادة) ؛

المغناطيسات الحديدية µ >> 1(يزداد المجال المغناطيسي في المادة ، لكن يختلف التركيب المغناطيسي للمادة عن هيكل المغناطيسات الحديدية) ؛

مغناطيس مغناطيسي μ ≈ 1(تتفاعل المادة بشكل ضعيف مع المجال المغناطيسي ، على الرغم من أن التركيب المغناطيسي يشبه المغناطيسات الحديدية).

1. وصف طبيعة النفاذية المغناطيسية.

نفاذية المغنطيسية هي خاصية مادة يتم مغنطتها في اتجاه مجال مغناطيسي خارجي يعمل عليها (وفقًا للقانون الحث الكهرومغناطيسيوحكم لينز). نفاذية المغناطيسية متأصلة في جميع المواد ، ولكن في " شكل نقي»يتجلى في قطر مغناطيسي. Diamagnets هي مواد لا تحتوي جزيئاتها على لحظات مغناطيسية خاصة بها (إجمالي عزمها المغناطيسي هو صفر) ، لذلك ليس لها خصائص أخرى إلى جانب النفاذية المغناطيسية. أمثلة على المغناطيسات:

Hydrogen, א = - 2 × 10-9 م 3 / كغ.

Water, א = - 0.7 × 10-9 م 3 / كغ.

Diamond, א = - 0.5 × 10-9 م 3 / كغ.

Graphite, א = - 3 × 10-9 م 3 / كغ.

نحاس = - 0.09 × 10-9 م 3 / كغ.

Zinc, א = - 0.17 × 10-9 م 3 / كجم.

فضة = - 0.18 × 10-9 م 3 / كجم.

Gold, א = - 0.14 × 10-9 م 3 / كجم.

43. وصف طبيعة البارامغناطيسية.

البارامغناطيسية هي خاصية لمواد تسمى البارامغناطيس ، والتي ، عند وضعها في مجال مغناطيسي خارجي ، تكتسب لحظة مغناطيسية تتزامن مع اتجاه هذا المجال. تمتلك ذرات وجزيئات البارامغناطيس ، على عكس المغناطيسات المغناطيسية ، لحظات مغناطيسية خاصة بها. في حالة عدم وجود مجال ، يكون اتجاه هذه اللحظات فوضوية (بسبب الحركة الحرارية) وتكون العزم المغناطيسي الكلي للمادة صفرًا. عند تطبيق مجال خارجي ، يحدث الاتجاه الجزئي للحظات المغناطيسية للجسيمات في اتجاه المجال ، ويضاف المغنطة J إلى قوة المجال الخارجي H: B = μ 0 (H + J). يتم تحسين الحث في المادة. أمثلة على البارامغناطيسات:

Oxygen, א = 108 × 10-9 م 3 / كغ.

التيتانيوم = 3 × 10-9 م 3 / كغ.

Aluminium, א = 0.6 × 10-9 م 3 / كغ.

Platinum, א = 0.97 × 10-9 م 3 / كجم.

44. وصف طبيعة المغناطيسية الحديدية.

المغناطيسية الحديدية هي حالة من المادة مرتبة مغناطيسيًا ، حيث تكون جميع اللحظات المغناطيسية للذرات في حجم معين من المادة (المجال) متوازية ، مما يؤدي إلى مغنطة تلقائية للمجال. يرتبط ظهور النظام المغناطيسي بالتفاعل التبادلي للإلكترونات ، وهو ذو طبيعة كهروستاتيكية (قانون كولوم). في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي ، يمكن أن يكون اتجاه اللحظات المغناطيسية في المجالات المختلفة تعسفيًا ، ويمكن أن يكون لحجم المادة قيد النظر بشكل عام مغنطة ضعيفة أو معدومة. عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي ، يتم توجيه اللحظات المغناطيسية للمجالات على طول الحقل ، وكلما زادت شدة المجال. في هذه الحالة ، تتغير قيمة النفاذية المغناطيسية للمغناطيس الحديدي ويزيد الحث في المادة. أمثلة على المغناطيسات الحديدية:

الحديد والنيكل والكوبالت والجادولينيوم

وسبائك هذه المعادن فيما بينها وبين المعادن الأخرى (Al ، Au ، Cr ، Si ، إلخ). μ ≈ 100…100000.

45. وصف طبيعة المغناطيسية الحديدية.

المغناطيسية الحديدية هي حالة من المادة مرتبة مغناطيسيًا ، حيث تتشكل اللحظات المغناطيسية للذرات أو الأيونات في حجم معين من المادة (المجال) شبكات فرعية مغناطيسية من الذرات أو الأيونات مع إجمالي لحظات مغناطيسية لا تتساوى مع بعضها البعض ومضادة للتوازي. يمكن اعتبار المغناطيسية الحديدية الحالة الأكثر عمومية لحالة مرتبة مغناطيسيًا ، والمغناطيسية الحديدية كحالة ذات شريحة فرعية واحدة. يتضمن تكوين المغناطيسات الحديدية بالضرورة ذرات من المغناطيسات الحديدية. أمثلة على المغناطيسات الحديدية:

Fe 3 O 4 ؛ MgFe2O4 ؛ نحاس 2 يا 4 ؛ MnFe 2 O 4 ؛ نيف 2 يا 4 ؛ CoFe2O4 ...

تكون النفاذية المغناطيسية للمغناطيسات الحديدية من نفس ترتيب المغناطيسات الحديدية: μ ≈ 100…100000.

46. ​​وصف طبيعة المغناطيسية المضادة.

المغناطيسية المضادة هي حالة مرتبة مغناطيسيًا لمادة ، وتتميز بحقيقة أن اللحظات المغناطيسية للجسيمات المجاورة للمادة موجهة بشكل مضاد للتوازي ، وفي حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي ، فإن المغنطة الكلية للمادة تكون صفرًا. يمكن اعتبار المغناطيس المضاد بالنسبة للهيكل المغناطيسي حالة خاصة للمغناطيس الحديدي حيث تكون اللحظات المغناطيسية للشرائح الفرعية متساوية في القيمة المطلقة والمضادة للتوازي. النفاذية المغناطيسية للمغناطيسات المضادة قريبة من 1. أمثلة على المغناطيسات الحديدية المضادة:

Cr2O3 ؛ المنغنيز. FeSi. Fe 2 O 3 ؛ نيو ……… μ ≈ 1.

47. ما هي قيمة النفاذية المغناطيسية للمواد في حالة التوصيل الفائق؟

تعتبر الموصلات الفائقة تحت درجة حرارة التحويل الفائق عبارة عن مغناطيسات مغناطيسية مثالية:

א= - 1; μ = 0.

تشير العديد من التجارب إلى أن جميع المواد الموضوعة في مجال مغناطيسي ممغنطة وتخلق مجالًا مغناطيسيًا خاصًا بها ، ويضاف تأثيره إلى تأثير المجال المغناطيسي الخارجي:

$$ \ boldsymbol (\ vec (B) = (\ vec (B)) _ (0) + (\ vec (B)) _ (1)) $$

حيث $ \ boldsymbol (\ vec (B)) $ هو تحريض المجال المغناطيسي في المادة ؛ $ \ boldsymbol ((\ vec (B)) _ (0)) $ - تحريض المجال المغناطيسي في الفراغ ، $ \ boldsymbol ((\ vec (B)) _ (1)) $ - تحريض المجال المغناطيسي بسبب مغنطة المادة . في هذه الحالة ، يمكن للمادة إما أن تقوي أو تضعف المجال المغناطيسي. يتميز تأثير مادة ما على مجال مغناطيسي خارجي بالكمية μ ، من اتصل النفاذية المغناطيسية للمادة

$$ \ boldsymbol (\ mu = \ frac (B) ((B) _ (0))) $$

• النفاذية المغناطيسية هي قيمة عددية فيزيائية توضح عدد مرات تحريض المجال المغناطيسي مادة معينةيختلف عن تحريض مجال مغناطيسي في الفراغ.

تتكون جميع المواد من جزيئات ، وتتكون الجزيئات من ذرات. يمكن اعتبار الأصداف الإلكترونية للذرات بشكل مشروط على أنها تتكون من تيارات كهربائية دائرية تتشكل عن طريق تحريك الإلكترونات. دائري التيارات الكهربائيةفي الذرات يجب أن تخلق مجالاتها المغناطيسية الخاصة. يجب أن تتأثر التيارات الكهربائية بمجال مغناطيسي خارجي ، ونتيجة لذلك يمكن للمرء أن يتوقع زيادة في المجال المغناطيسي عندما تكون الحقول المغناطيسية الذرية ذات اتجاه مشفر مع المجال المغناطيسي الخارجي ، أو إضعافها إذا كانت موجهة بشكل معاكس.
فرضية حول وجود المجالات المغناطيسية في الذراتوإمكانية تغيير المجال المغناطيسي في المادة يتوافق تمامًا مع الواقع. الجميع المواد بفعل مجال مغناطيسي خارجي عليهايمكن تقسيمها إلى ثلاث مجموعات رئيسية: المغناطيسات المغناطيسية ، والمغناطيسات المغناطيسية والمغناطيسات الحديدية.

ديامغناطيسهي مواد يضعف فيها المجال المغناطيسي الخارجي. هذا يعني أن المجالات المغناطيسية لذرات هذه المواد في مجال مغناطيسي خارجي يتم توجيهها عكس المجال المغناطيسي الخارجي (µ< 1). Изменение магнитного поля даже в самых сильных диамагнетиках составляет лишь сотые доли процента. Например, висмут обладает النفاذية المغناطيسية µ = 0.999826.

لفهم طبيعة النفاذية المغناطيسيةضع في اعتبارك حركة الإلكترون الذي يطير بسرعة الخامس في مجال مغناطيسي منتظم عمودي على المتجه في حقل مغناطيسي.

تحت تأثير قوات لورنتزسيتحرك الإلكترون في دائرة ، ويتم تحديد اتجاه دورانه من خلال اتجاه متجه قوة لورنتز. يخلق التيار الدائري الناتج مجاله المغناطيسي الخاص في" . هذا مجال مغناطيسي في" موجه عكس المجال المغناطيسي في. لذلك ، فإن أي مادة تحتوي على جسيمات مشحونة تتحرك بحرية يجب أن يكون لها خصائص نفاذية مغناطيسية.
على الرغم من أن الإلكترونات الموجودة في ذرات المادة ليست حرة ، فإن التغيير في حركتها داخل الذرات تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي يتضح أنه مكافئ للحركة الدائرية للإلكترونات الحرة. لذلك ، فإن أي مادة في مجال مغناطيسي لها بالضرورة خصائص نفاذية مغناطيسية.
ومع ذلك ، فإن التأثيرات المغناطيسية ضعيفة جدًا ولا توجد إلا في المواد التي لا تحتوي ذراتها أو جزيئاتها على مجال مغناطيسي خاص بها. من أمثلة المغناطيسات المغناطيسية الرصاص والزنك والبزموت (μ = 0.9998).

كان Henri Ampère (1820) أول من شرح أسباب امتلاك الأجسام خصائص مغناطيسية. وفقًا لفرضيته ، تدور التيارات الكهربائية الأولية داخل الجزيئات والذرات ، والتي تحدد الخصائص المغناطيسية لأي مادة.

ضع في اعتبارك أسباب المغناطيسية الذرية بمزيد من التفصيل:

خذ بعض المواد الصلبة. ترتبط مغنطتها بالخصائص المغناطيسية للجسيمات (الجزيئات والذرات) التي تتكون منها. ضع في اعتبارك ما هي الدوائر التي لها تيار ممكن على المستوى الجزئي. تعود مغناطيسية الذرات إلى سببين رئيسيين:

1) حركة الإلكترونات حول النواة في مدارات مغلقة ( اللحظة المغناطيسية المدارية) (رسم بياني 1)؛

أرز. 2

2) الدوران الخاص (الدوران) للإلكترونات ( تدور لحظة مغناطيسية) (الصورة 2).

للفضوليين. العزم المغناطيسي للدائرة يساوي ناتج القوة الحالية في الدائرة والمنطقة التي تغطيها الدائرة. يتزامن اتجاهه مع اتجاه ناقل تحريض المجال المغناطيسي في منتصف الحلقة الحالية.

نظرًا لأن مدارات الإلكترونات المختلفة في المستوى الذري لا تتطابق ، فإن نواقل تحريض المجال المغناطيسي التي أنشأتها (اللحظات المغناطيسية المدارية والدورانية) يتم توجيهها بزوايا مختلفة لبعضها البعض. المتجه الحثي الناتج لذرة متعددة الإلكترونات يساوي المجموع المتجه لمتجهات تحريض المجال التي أنشأتها الإلكترونات الفردية. تحتوي الذرات ذات الأصداف الإلكترونية المملوءة جزئيًا على حقول غير معوضة. في الذرات ذات الأصداف الإلكترونية المملوءة ، يكون ناقل الحث الناتج هو 0.

في جميع الحالات ، يرجع التغيير في المجال المغناطيسي إلى ظهور التيارات المغناطيسية (لوحظت ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي). بمعنى آخر ، يظل مبدأ التراكب للمجال المغناطيسي صالحًا: الحقل الموجود داخل المغناطيس هو تراكب المجال الخارجي $ \ boldsymbol ((\ vec (B)) _ (0)) $ والحقل $ \ boldsymbol ( \ vec (B ")) $ لتيارات التمغنط أنا" ، والتي تنشأ تحت تأثير مجال خارجي. إذا تم توجيه مجال التيارات الممغنطة بنفس طريقة توجيه المجال الخارجي ، فسيكون تحريض الحقل الكلي أكبر من المجال الخارجي (الشكل 3 ، أ) - في هذه الحالة ، نقول أن المادة تعزز مجال؛ إذا كان مجال التيارات الممغنطة موجهًا عكس المجال الخارجي ، فسيكون الحقل الكلي أقل من المجال الخارجي (الشكل 3 ، ب) - بهذا المعنى نقول أن المادة تضعف المجال المغناطيسي.

أرز. 3

في ديامغناطيسالجزيئات ليس لها مجال مغناطيسي خاص بها. تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي في الذرات والجزيئات ، يتم توجيه مجال التيارات المغناطيسية عكس المجال الخارجي ، وبالتالي فإن معامل ناقل الحث المغناطيسي $ \ boldsymbol (\ vec (B)) $ للحقل الناتج سوف يكون أقل من معامل ناقل الحث المغناطيسي $ \ boldsymbol ((\ vec (B)) _ (0)) $ المجال الخارجي.

تسمى المواد التي يتم فيها تعزيز المجال المغناطيسي الخارجي نتيجة إضافة المجالات المغناطيسية لقذائف الإلكترون لذرات المادة بسبب اتجاه الحقول المغناطيسية الذرية في اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي البارامغناطيس(µ> 1).

باراماجنيتسيضخم المجال المغناطيسي الخارجي بشكل ضعيف جدًا. تختلف النفاذية المغناطيسية للمغناطيسات المغناطيسية عن الوحدة بجزء بسيط من النسبة المئوية. على سبيل المثال ، النفاذية المغناطيسية للبلاتين هي 1.00036. نظرًا للقيم الصغيرة جدًا للنفاذية المغناطيسية للمواد المغناطيسية والمغناطيسية ، يصعب جدًا اكتشاف تأثيرها على مجال خارجي أو تأثير مجال خارجي على الأجسام شبه المغناطيسية أو النفاثة. لذلك ، في الممارسة اليومية العادية ، في التكنولوجيا ، تعتبر المواد المغناطيسية والمغناطيسية مواد غير مغناطيسية ، أي مواد لا تغير المجال المغناطيسي ولا تتأثر بالمجال المغناطيسي. أمثلة على البارامغناطيسات الصوديوم ، والأكسجين ، والألمنيوم (μ = 1.00023).

في البارامغناطيسالجزيئات لها مجال مغناطيسي خاص بها. في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي ، بسبب الحركة الحرارية ، يتم توجيه نواقل الحث للمجالات المغناطيسية للذرات والجزيئات بشكل عشوائي ، وبالتالي فإن متوسط ​​مغنطتها هو صفر (الشكل 4 ، أ). عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي على الذرات والجزيئات ، تبدأ لحظة من القوى في العمل ، وتميل إلى تدويرها بحيث يتم توجيه مجالاتها بالتوازي مع المجال الخارجي. يؤدي اتجاه الجزيئات البارامغناطيسية إلى حقيقة أن المادة ممغنطة (الشكل 4 ب).

أرز. 4

يتم منع التوجيه الكامل للجزيئات في المجال المغناطيسي من خلال حركتها الحرارية ، لذلك تعتمد النفاذية المغناطيسية للمغناطيسات على درجة الحرارة. من الواضح أنه مع زيادة درجة الحرارة ، تنخفض النفاذية المغناطيسية للمغناطيسات.

المغناطيسات الحديدية

تسمى المواد التي تزيد بشكل كبير من المجال المغناطيسي الخارجي المغناطيسات الحديدية(نيكل ، حديد ، كوبالت ، إلخ). من أمثلة المغناطيسات الحديدية الكوبالت والنيكل والحديد (تصل قيمة μ إلى 8 10 3).

يأتي اسم هذه الفئة من المواد المغناطيسية من الاسم اللاتيني للحديد - Ferrum. الميزة الأساسيةمن هذه المواد تكمن في القدرة على الحفاظ على المغنطة في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي ، وجميع المغناطيسات الدائمة تنتمي إلى فئة المغناطيسات الحديدية. بالإضافة إلى الحديد ، فإن "جيرانه" وفقًا للجدول الدوري ، الكوبالت والنيكل ، لهما خصائص مغناطيسية حديدية. تجد المغناطيسات الحديدية تطبيقًا عمليًا واسعًا في العلوم والتكنولوجيا ؛ لذلك ، تم تطوير عدد كبير من السبائك بخصائص مغناطيسية حديدية مختلفة.

تشير جميع الأمثلة المعطاة للمغناطيسات الحديدية إلى معادن المجموعة الانتقالية ، والتي تحتوي غلافها الإلكتروني على عدة إلكترونات غير متزاوجة ، مما يؤدي إلى حقيقة أن هذه الذرات لها مجال مغناطيسي جوهري كبير. في الحالة البلوريةبسبب التفاعل بين الذرات في البلورات ، تنشأ مناطق مغنطة عفوية (عفوية) - مجالات. أبعاد هذه المجالات هي أعشار ومئات المليمتر (10 -4 - 10 -5 م) ، والتي تتجاوز بشكل كبير حجم ذرة واحدة (10 -9 م). ضمن مجال واحد ، يتم توجيه المجالات المغناطيسية للذرات بشكل موازٍ بدقة ؛ يتغير اتجاه المجالات المغناطيسية للمجالات الأخرى في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي بشكل تعسفي (الشكل 5).

أرز. 5

وهكذا ، حتى في الحالة غير الممغنطة ، توجد مجالات مغناطيسية قوية داخل المغناطيس الحديدي ، يتغير اتجاهها بطريقة فوضوية عشوائية أثناء الانتقال من مجال إلى آخر. إذا كانت أبعاد الجسم تتجاوز بشكل كبير أبعاد المجالات الفردية ، فإن متوسط ​​المجال المغناطيسي الناتج عن مجالات هذا الجسم يكون غائبًا عمليًا.

إذا وضعنا مغناطيسًا حديديًا في مجال مغناطيسي خارجي ب 0 ، ثم تبدأ اللحظات المغناطيسية للمجالات في إعادة الترتيب. ومع ذلك ، لا يوجد دوران مكاني ميكانيكي لأقسام المادة. ترتبط عملية انعكاس المغنطة بتغيير في حركة الإلكترونات ، ولكن ليس مع تغيير في موضع الذرات في عقد الشبكة البلورية. المجالات ذات الاتجاه الأكثر ملاءمة بالنسبة لاتجاه المجال تزيد من حجمها على حساب المجالات المجاورة "الموجهة بشكل غير صحيح" ، وتستوعبها. في هذه الحالة ، يزداد المجال في المادة بشكل كبير.

خصائص المغناطيسات الحديدية

1) تظهر الخواص المغناطيسية الحديدية لمادة ما فقط عندما تكون المادة المقابلة لها الخامس الحالة البلورية ;

2) تعتمد الخواص المغناطيسية للمغناطيسات الحديدية بشدة على درجة الحرارة ، حيث أن اتجاه المجالات المغناطيسية للمجالات تعوقه الحركة الحرارية. لكل مغنطيس حديدي ، توجد درجة حرارة معينة يتم فيها تدمير بنية المجال تمامًا ، ويتحول المغناطيس الحديدي إلى مغناطيس حدودي. تسمى قيمة درجة الحرارة هذه نقطة كوري . لذلك بالنسبة للحديد النقي ، تبلغ درجة حرارة كوري حوالي 900 درجة مئوية ؛

3) المغناطيسات الحديدية ممغنطة للتشبعفي المجالات المغناطيسية الضعيفة. يوضح الشكل 6 كيف يتغير معامل تحريض المجال المغناطيسي ب من الصلب مع مجال خارجي متغير ب 0 :

أرز. 6

4) تعتمد النفاذية المغناطيسية للمغناطيس الحديدي على المجال المغناطيسي الخارجي (الشكل 7).

أرز. 7

هذا يرجع إلى حقيقة أنه في البداية مع زيادة ب 0 الحث المغناطيسي ب ينمو أقوى ، وبالتالي ، μ سيزيد. ثم ، بقيمة الحث المغناطيسي ب "0 يحدث التشبع (μ في أقصى حد له في هذه اللحظة) ومع زيادة أخرى ب 0 الحث المغناطيسي ب 1 في المادة يتوقف عن التغيير ، وتقل النفاذية المغناطيسية (تميل إلى 1):

$$ \ boldsymbol (\ mu = \ frac B (B_0) = \ frac (B_0 + B_1) (B_0) = 1 + \ frac (B_1) (B_0) ؛) $$

5) في المغناطيسات الحديدية ، لوحظ مغنطة متبقية. على سبيل المثال ، إذا تم وضع قضيب مغناطيسي حديدي في ملف لولبي يمر من خلاله التيار ، ومغنطًا إلى التشبع (نقطة أ) (الشكل 8) ، ثم تقليل التيار في الملف اللولبي ومعه ب 0 ، يمكن ملاحظة أن الحث الميداني في القضيب أثناء عملية إزالة المغناطيسية يظل دائمًا أكبر مما هو عليه في عملية المغنطة. متى ب 0 = 0 (التيار في الملف اللولبي متوقف) ، سيكون الحث مساوياً لـ ب ص (الحث المتبقي). يمكن إزالة القضيب من الملف اللولبي واستخدامه كمغناطيس دائم. لإزالة مغناطيسية القضيب أخيرًا ، من الضروري تمرير تيار في الاتجاه المعاكس من خلال الملف اللولبي ، أي تطبيق مجال مغناطيسي خارجي مع الاتجاه المعاكس لمتجه الحث. الآن نزيد معامل استقراء هذا المجال إلى بوك ، قم بإزالة مغناطيسية القضيب ( ب = 0).

• وحدة بوك يسمى تحريض مجال مغناطيسي يزيل مغنطة مغناطيس مغناطيسي ممغنط القوة القسرية .

أرز. 8

مع زيادة أخرى ب 0 من الممكن جذب القضيب إلى التشبع (نقطة أ" ).

يتقلص الآن ب 0 إلى الصفر ، يحصلون مرة أخرى على مغناطيس دائم ، ولكن مع الحث –ب ص (الاتجاه المعاكس). من أجل إزالة مغناطيسية القضيب مرة أخرى ، يجب تشغيل تيار الاتجاه الأصلي مرة أخرى في الملف اللولبي ، وسوف يتم إزالة المغناطيسية من القضيب عند الحث ب 0 يصبح متساويا بوك . أستمر في الزيادة ب 0 ، قم بمغنطة القضيب مرة أخرى حتى التشبع (نقطة أ ).

وهكذا ، أثناء مغنطة المغناطيس الحديدي وإزالة مغنطيته ، الحث بخلف ب 0. يسمى هذا التأخر ظاهرة التخلفية . المنحنى الموضح في الشكل 8 يسمى حلقة التباطؤ .

التباطؤ (اليونانية ὑστέρησις - "متخلفة") - خاصية للأنظمة التي لا تتبع مباشرة القوى المطبقة.

يختلف شكل منحنى التمغنط (حلقة التخلفية) اختلافًا كبيرًا بالنسبة لمختلف المواد المغناطيسية الحديدية ، والتي تُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات العلمية والتقنية. بعض المواد المغناطيسيةلديهم حلقة واسعة مع قيم عالية من البقية والقوة القسرية ، ويطلق عليهم من الصعب مغناطيسياوتستخدم لصنع مغناطيس دائم. تتميز السبائك الحديدية المغناطيسية الأخرى بقيم منخفضة للقوة القسرية ؛ يمكن مغناطيس ومغنطة مثل هذه المواد بسهولة حتى في المجالات الضعيفة. تسمى هذه المواد لينة مغناطيسياوتستخدم في الأجهزة الكهربائية المختلفة - المرحلات والمحولات والدوائر المغناطيسية ، إلخ.

الأدب

1. Aksenovich L. A. الفيزياء في المدرسة الثانوية: نظرية. مهام. الاختبارات: Proc. بدل للمؤسسات التي تقدم خدمات عامة. البيئات ، التعليم / L. A. Aksenovich، N.N. Rakina، K. S. Farino؛ إد. K. S. Farino. - مينيسوتا: Adukatsia i vykhavanne ، 2004. - 330-335.
2. Zhilko ، V.V. الفيزياء: كتاب مدرسي. بدل للصف الحادي عشر. تعليم عام مدرسة من الروسية لانج. تدريب / V.V. Zhilko ، A.V. لافرينينكو ، إل جي ماركوفيتش. - مينيسوتا: نار. أسفيتا ، 2002. - س 291-297.
3. سلوبوديانيوك أ. الفيزياء 10. §13 تفاعل المجال المغناطيسي مع المادة

ملحوظات

1. نحن نأخذ في الاعتبار اتجاه متجه تحريض المجال المغناطيسي فقط في منتصف الكفاف.