Магнитные свойства вещества - основные понятия, и определение с примерами

Содержание:

Магнитные свойства вещества:

Многочисленные опыты показывают, что магнитное поле взаимодействует со всеми без исключения веществами, изменяя их физические и химические свойства. Проявления этого взаимодействия могут быть различными.

Возьмем мощный электромагнит с коническими полюсными наконечниками, расположим между полюсами висмутовый шарик, уравновешенный па небольших весах (рис. 2.18). При замыкании цепи питания электромагнита равновесие нарушится: шарик выйдет из магнитного поля.

Расположим горящую свечу так, чтобы ее пламя было между полюсами магнита. Замкнув цепь питания магнита, увидим, что пламя выталкивается из магнитного поля (рис. 2.19).

Описанные выше явления наблюдал еще в XIX в. М. Фарадей, который назвал их диамагнитными, а вещества, с 94 которыми происходили такие явления, - диамагнетиками.

Тщательные исследования диамагнитных явлений показали, что магнитная индукция в диамагнетике меньше, чем магнитная индукция внешнего поля: . Такой эффект
объясняется изменениями, которые происходят в атомах диамагнетика при внесении вещества в магнитное поле, поэтому этот эффект наблюдается у всех веществ.

Вещества, у которых наблюдается диамагнитный эффект, называются диамагнетиками.

Влияние вещества на магнитное поле описывает физическая величина, которая называется магнитной проницаемостью. Она определяется как отношение магнитной индукции в веществе В к магнитной индукции вне вещества B_0:

Магнитная проницаемость - величина безразмерная. Для диамагнетика она несколько меньше единицы.

Если над полюсными наконечниками уравновесить на весах алюминиевый шарик, то при замыкании цепи питания он будет втягиваться в пространство между наконечниками, где индукция поля больше (рис. 2.20).

Pиc 2.20. Алюминиевый шарик втягивается в магнитное поле

Такие явления называют парамагнитными, а сами вещества - парамагнетиками. Для парамагнетиков B_u > B₀.

Взаимодействия вещества и магнитного поля проявляются как диамагнетизм, парамагнетизм и ферромагнетизм.

Парамагнетизм проявляется в веществах, атомы которых, имея собственное поле, словно магнитные стрелочки, поворачиваются под действием внешнего магнитного поля, увеличивая его магнитную индукцию.

Большинство веществ принадлежат к диамагнетикам или парамагнетикам, являясь слабомагнитными веществами. Анализируя значения их магнитных проницаем остей, можно заметить, что она как у парамагнетиков, так и у диамагнетиков мало отличается от единицы. Поэтому диамагнетизм и парамагнетизм в большинстве случаев не влияют существенно на магнитные свойства среды.

Однако есть вещества, которые весьма заметно взаимодействуют с магнитным полем. Их называют ферромагнетиками.

Типичным признаком ферромагнетика является аномально большое значение магнитной проницаемости. Так, чистое железо после длительного отжига в атмосфере водорода имеет магнитную проницаемость до 340 000. Это значит, что этот ферромагнетик усиливает магнитное поле в 340 000 раз.

Большая магнитная проницаемость ферромагнетиков объясняется особенностями их кристаллической структуры. Имея некоторые особенности в застройке электронных орбит, атомы ферромагнетика объединяются так, что все вещество делится на отдельные участки - домены.

Домены - это участки ферромагнетика, в которых атомы расположены упорядоченно. Такая область-домен напоминает маленький магнит. Он имеет свое собственное поле как результат сложения магнитных полей всех атомов, которые входят в домен, он взаимодействует с внешним магнитным полем.

Магнитные поля всех доменов в ненамагниченном ферромагнетике компенсируют друг друга. Если же ферромагнетик внести в магнитное поле внешнего источника, то произойдет перестройка доменов. При этом не только смещаются границы доменов, но и скачкообразно происходит изменение направления магнитной индукции каждого домена отдельно. Одни домены увеличиваются, другие - уменьшаются. Уменьшаются домены, магнитная индукция полей которых образует тупой угол с магнитной индукцией внешнего поля, а увеличиваются те, у которых этот угол острый или равен нулю. При определенном значении магнитной индукции внешнего магнигного поля в ферромагнетике появляется насыщение: все домены сливаются в один большой домен, магнитная индукция которого совпадает с направлением магнитной индукции внешнего поля. Таким образом происходит большое усиление магнитного ноля.

Свойства ферромагнетиков

Многие специфические свойства ферромагнетиков являются производными от их кристаллической структуры. При внесении ферромагнетика в магнитное поле физические изменения в них происходят на уровне кристаллической решетки. Поэтому пни имеют специфические свойства и составляют отдельный класс.

Типичным свойством ферромагнетиков является нелинейность процесса их намагничивания. Если ферромагнетик внести в магнитное поле и начать постепенно увеличивать магнитную индукцию этого поля, то магнитная индукция в ферромагнетике не будет увеличиваться пропорционально (рис. 2.21). При постепенном увеличении магнитной индукции внешнего поля магнитная индукция в ферромагнетике сначала увеличивается медленно, потом — быстрее, а потом снова возрастание уменьшается. При достижении состояния насыщения (точка А) магнитная индукция в ферромагнетике возрастает линейно.

Рис. 221. График процесса намагничивания ферромагнетика

Из такого сложною характера намагничивания можно сделать вывод, что магнитная проницаемость ферромагнетиков не является постоянной величиной.

Для ферромагнетиков характерно свойство, называемое гистерезисом. Сущность его в том, что процессы намагничивания и размагничивания проходят не одинаково. Ферромагнетик, находившийся в магнитном поле, сохраняет определенную намагниченность даже тогда, когда это поле исчезло. При перемагничивании ферромагнетика в магнитном поле переменного тока график перемагничивания имеет сложный характер (рис. 2.22). Поэтому этот график называют петлей гистерезиса.

Рис. 2.22 Петля гистерезиса

Форма петли гистерезиса для различных сортов стали бывает разной. Для многих сталей высота петли намного больше ширины. Такие материалы называют магнитно мягкими. Они быстро намагничиваются и размагничиваются. Поэтому применяются в электротехнических устройствах, работающих на переменном токе.

Если ширина петли гистерезиса соразмерна с высотой, то ферромагнетик называют жестким.
Кристаллическая структура ферромагнетика зависит от температуры. Поэтому при изменении температуры изменяются и магнитные свойства ферромагнетика.

В подтверждение этого поднесем к полюсу постоянного магнита никелевое кольца. Поскольку никель ферромагнетик, то кольцо притянется к магниту и будет находиться некоторое время в этом состоянии (рис. 2.23). Если кольцо нагреть (например, от газовой горелки), то через некоторое время кольцо отпадет вследствие потери ферромагнитных свойств. Температуру, при которой исчезают ферромагнитные свойства, называют точкой Кюри. Значения точки Кюри у различных ферромагнетиков разные.
 

Puc. 223.Магнитные свойства ферромагнетиков зависят от температуры

Кристаллическая структура ферромагнетика зависит от температуры. Поэтому при изменении его температуры изменяются и его свойства.

Tаблица

Использование магнитных свойств вещества

Во время взаимодействия вещества с магнитным полем изменяются не только магнитные, но и другие его свойства.

Одним из интересных примеров использования действия магнитного поля на вещество является «омагничивание» воды. Под действием магнитного поля она приобретает новые свойства.

Такая вода не оставляет накипи в нагревательных водяных котлах, что позволяет использовать ее без дополнительной химической обработки. Бетон, замешанный на «омягниченной» воде, крепче, чем на обычной воде.

Явление усиления магнитного ноля ферромагнетиками используется в различных электротехнических приборах: в электромагнитных кранах (рис. 2.24), в реле, в электродвигателях, в трансформаторах. Для этого используются специальные сорта стали.

Невозможно представить себе современную радиоэлектронику без элементов из искусственных материалов - ферритов. Изготовляют их из материалов, имеющих высокое удельное сопротивление, что важно для высокочастотной техники. Из них изготавливают сердечники катушек колебательных контуров, магнитных антенн и трансформаторов. Широкое распространение приобрели постоянные ферритовые магниты.

Puc. 2.24. Электромагнитный кран

Все результаты взаимодействия магнитного поля и вещества нашли применение в практике.

При взаимодействии с магнитным полем меняются не только магнитные, но и другие свойства вещества - механические, тепловые, оптические и даже химические. Все эти явления используются человеком.

Магнитное поле лечит злокачественные опухоли, позволяет исследовать внутренние органы человека, проникать в тайны многих болезней человека.

C магнитным полем связана жизнь всех живых организмов на Земле. Ученые выяснили, что перелетный птицы ориентируются в полете и поиске своих постоянных мест гнездования по магнитному полю Земли.

Магнитное поле охраняет жизнь на Земле от космических опасностей.

На Землю из космоса поступает мощный поток быстрых частиц, которые в случае попадания в живой организм могут отрицательно воздействовать на него. Но в магнитном поле Земли на них действует сила Лоренца, защищающая жителей Земли от вредного влияния (рис. 2.25).