Magnetische permeabiliteit is een maateenheid si. Magnetische materialen

De totale magnetische flux die alle windingen doordringt, wordt de fluxkoppeling van het circuit genoemd.

Als alle windingen hetzelfde zijn, dan is de totale magnetische flux, d.w.z. fluxkoppeling:

Waar
- magnetische flux door één winding; - aantal beurten. Daarom is de fluxkoppeling van de solenoïde bijvoorbeeld tijdens inductie IN=0,2 T, aantal windingen van de solenoïde
en gedeelte van het magneetvenster
dm 2 is Wb.

Absolute magnetische permeabiliteit gemeten in eenheden "henry per meter"
.

Magnetische permeabiliteit vacuüm in het SI-systeem van eenheden wordt gelijk gesteld aan
U/m

Houding
absolute magnetische permeabiliteit aan de magnetische permeabiliteit van vacuüm wordt de relatieve magnetische permeabiliteit genoemd .

Volgens de waarde  Alle materialen zijn onderverdeeld in drie groepen:

Als dia- en paramagnetische stoffen in een uniform magnetisch veld worden geplaatst, zal het veld in een diamagnetisch veld worden verzwakt en in een paramagnetisch veld worden versterkt. Dit wordt verklaard door het feit dat in een diamagnetische substantie de velden van elementaire stromen naar het externe veld zijn gericht, en in een paramagnetische substantie - dienovereenkomstig.

In tafel. 1 toont de waarden van de relatieve magnetische permeabiliteit van sommige materialen. Het is duidelijk dat de waarden van de relatieve magnetische permeabiliteit van diamagnetische en paramagnetische materialen zeer weinig verschillen van eenheid, daarom wordt in de praktijk aangenomen dat hun magnetische permeabiliteit eenheid is.

Afmeting veldsterkte H(Tafel 2):

.

1 auto - dit is de spanning magnetisch veld, waarvan de inductie in vacuüm gelijk is aan
Tl.

Tabel 1. Relatieve magnetische permeabiliteit van sommige materialen

Paramagnetisch		Diamagnetisch		ferromagnetisch
				Stalen Armco
				Permalloy
Aluminium
				elektrisch staal
Mangaan
Palladium

Soms wordt ook de veldsterkte gemeten

"Oerstedach" (E),

"ampère per centimeter" (A / cm),

"kiloampère per meter" (kA/m).

De relatie tussen deze waarden is als volgt:

1 A/cm = 100 A/m; 1 E = 0,796 A / cm; 1 kA/m = 10 A/cm;

1 A/cm = 0,1 kA/m; 1 E = 79,6 A / cm; 1 kA/m = 12,56 Oe;

1 A/cm = 1,256 Oe; 1 E = 0,0796 kA / cm; 1 kA/m = 1000 A/m.

Het is interessant om de sterkten van sommige magnetische velden te kennen.

De intensiteit van het aardveld in de regio Moskou is 0,358 A/cm.

De veldsterkte voor magnetisatie van structurele stalen onderdelen is 100...200 A/cm,

op de polen van een permanente magneet - 1000 ... 2000 A / cm.

Soms gebruiken ze de zogenaamde magnetisch moment
circuits met stroom . Het is gelijk aan het product van de stroom Naar het plein , begrensd door een contour
(Afb. 4).

Wanneer een magneet in delen wordt verdeeld, is elk ervan een magneet met twee polen. Dit is te zien uit afb. 5. Volgens de tabel. 2 kan worden bepaald dat één eenheid van magnetisch moment gelijk is aan 1
m2 \u003d 1
. Deze eenheid wordt "ampère-vierkante meter" genoemd. Een ampèremeter is het magnetische moment van een circuit waar een stroom van 1 A doorheen vloeit en dat een oppervlakte van 1 m² begrenst.

Rijst. 4. Circuit (1) met stroom ; Rijst. 5. Verdeling van een permanente magneet in delen.

2 - huidige bron:

- magnetisch moment;

- veldsterkte.

Tabel 2. Basis- en afgeleide meeteenheden van het SI-systeem dat wordt gebruikt niet-destructief onderzoek

Basis SI-eenheden
Waarde		Dimensie
				Naam		aanduiding
						Russisch		Internationale
				kilogram
De sterkte van de elektrische stroom
Hoeveelheid substantie
De kracht van licht
Van SI afgeleide eenheden met hun eigen naam
Waarde
	Naam		aanduiding				Afgeleide eenheidswaarde via SI-basiseenheden
					Internationale
Druk
Stroom
Flux van magnetische inductie
Magnetische inductie
Inductie
De hoeveelheid elektriciteit
elektrische spanning
Elektrische capaciteit
Elektrische weerstand
elektrische geleiding
Lichte stroom
Radionuclidenactiviteit	becquerel
Geabsorbeerde stralingsdosis
Equivalente stralingsdosis

Elektronenmagnetisch moment gelijk aan

, omdat
, A
,
.

Relatief recent werd de interactie van de polen van magneten verklaard door de aanwezigheid van een speciale substantie: magnetisme. Met de ontwikkeling van de wetenschap werd aangetoond dat er geen substantie bestaat. De bron van magnetische velden zijn elektrische stromen. Wanneer een permanente magneet in elk stuk wordt verdeeld, creëren elektronenstromen daarom een ​​magnetisch veld (Fig. 5). De magnetische lading wordt alleen beschouwd alseen wiskundige grootheid die geen fysieke grootheid heeftcal inhoud.

De eenheid van magnetische lading kan worden verkregen met de formule:

,
,

Waar - werk aan het omzeilen van de magnetische pool rond de geleider met stroom .

Eén conventionele eenheid van magnetische lading zal dat zijn
.

In het Gaussiaanse systeem wordt een eenheid van magnetische lading beschouwd als een waarde die inwerkt op een gelijke magnetische lading op een afstand van 1 cm in vacuüm met een kracht gelijk aan 1 dyne.

Het vermogen van materialen om te magnetiseren wordt verklaard door het bestaan ​​van stromen daarin:

de rotatie van een elektron rond de kern van een atoom,

rond zijn eigen assen (elektronenspin) en

rotatie van elektronenbanen (precessie van elektronenbanen) (Fig. 6).

Het ferromagnetische materiaal bestaat uit kleine gebieden (met lineaire afmetingen van ongeveer 0,001 mm) waarin elementaire stromen spontaan worden gericht. Deze gebieden met spontane magnetisatie worden domeinen genoemd. In elk domein wordt een resulterend veld van elementaire stromen gevormd.

In een gedemagnetiseerd materiaal zijn de magnetische velden van de domeinen chaotisch gericht en compenseren ze elkaar zodat het resulterende veld in het onderdeel vrijwel nul is.

Als resultaat van externe actie worden de velden van individuele gebieden (domeinen) in de richting van het externe veld geplaatst, en zo wordt een sterk veld van het gemagnetiseerde deel gevormd.

Vandaar, magnetisatie - is de graad vangeregen oriëntatie magnetische velden van domeinen in een metaal, of anderszins, dit is een inductie gecreëerd door elementaire stromen.

Omdat elementaire stromen magnetische momenten hebben, wordt magnetisatie ook gedefinieerd als de verhouding van het totale magnetische moment van het lichaam tot zijn volume, dat wil zeggen:

.

Magnetisatie gemeten in "ampère per meter" (A/m).

Tekenvariabele belasting van de metalen constructie, bijvoorbeeld in continu werkende turbinebladen, in bouten, enz. onderdelen leidt tot een bepaalde ordening van het interne magnetische veld in de laadzone, tot het verschijnen van sporen van dit veld op het oppervlak van het onderdeel. Dit fenomeen wordt gebruikt om de resterende levensduur te schatten en mechanische spanningen te bepalen.

Magnetisatie het te testen onderdeel is afhankelijk van de veldsterkte
, handelend op dit onderdeel. Ferro magnetische eigenschappen materialen zijn ook afhankelijk van de temperatuur. Voor elk ferromagnetisch materiaal is er een temperatuur waarbij gebieden met spontane magnetisatie worden vernietigd door thermische beweging en het ferromagnetische materiaal paramagnetisch wordt. Deze temperatuur wordt het Curiepunt genoemd. Het Curiepunt voor ijzer ligt op 753 0 C. Wanneer deze temperatuur onder dit punt daalt, herstellen de magnetische eigenschappen.

Rijst. 6. Soorten elementaire stromen:

a - de beweging van elektron 1 rond de kern 4;

b - rotatie van een elektron rond zijn as;

c - precessie van de elektronenbaan;

5 - elektronische baan;

6 - vlak van de elektronenbaan;

8 - traject van de precessiebeweging van de elektronenbaan.

Inductie het resulterende veld van het onderdeel kan worden bepaald met de bekende formule:

,

Waar - magnetisatie, d.w.z. inductie gecreëerd door moleculaire stromen;
is de kracht van het externe veld. Uit de bovenstaande formule blijkt dat de inductie in het deel de som is van twee componenten:
- bepaald door het externe veld
En - magnetisatie, waar ook van afhangt
.

Op afb. 7 toont afhankelijkheden
, En
ferromagnetisch materiaal door de sterkte van het externe veld.

Rijst. 7. Afhankelijkheid van magnetische inductie en magnetisatie uit het magnetiserende veld
.

Kromme
laat zien dat bij relatief zwakke velden de magnetisatie zeer snel groeit (sectie a-b) . Dan vertraagt ​​de groei (sectie b-c) . Verdere groei afnemend, curve
gaat in een rechte lijn , met een lichte helling ten opzichte van de horizontale as
. Tegelijkertijd de waarde
langzamerhand zijn grens nadert
. Onderdeel
varieert afhankelijk van de veldsterkte
. Op afb. 7 is deze afhankelijkheid weergegeven door een rechte lijn o-e .

Om de magnetische inductiecurve te verkrijgen op basis van het externe veld is het noodzakelijk om de overeenkomstige ordinaten van de curven toe te voegen
En
. Deze afhankelijkheid wordt weergegeven door de curve
, de initiële magnetisatiecurve genoemd. In tegenstelling tot magnetisatie, magnetische inductie groeit zolang de waarde stijgt
, aangezien nadat de groei van de magnetisatie stopt, de hoeveelheid
blijft proportioneel stijgen
.

De hermagnetisatie van het onderdeel vindt plaats door een wisselend of periodiek veranderend constant veld.

Op afb. Figuur 8 toont de volledige magnetische respons van het monster - de hystresislus. In de begintoestand wordt het monster gedemagnetiseerd. De stroom in de wikkeling wordt in een rechte lijn 0-8 verhoogd . De kracht van het veld dat door deze stroom wordt gecreëerd, verandert in een rechte lijn van 0-1. Tegelijkertijd de inductie en magnetisatie in het monster zal toenemen langs de curven van de initiële magnetisatie 16 en 17 naar punten 16 "en 17", overeenkomend met magnetische verzadiging, waarbij alle magnetische velden van domeinen langs het externe veld zijn gericht.

Met een afname van de stroom in een rechte lijn 8-9 de veldsterkte neemt af met 1-0 (Fig. 8, a). Tegelijkertijd de inductie en magnetisatie veranderen in waarde .

Naarmate de stroom in negatieve richting met 9-10 toeneemt, neemt de veldsterkte ook in negatieve richting toe met 0-2 , het opnieuw in kaart brengen van het monster.

Op punt 6 inductie
, omdat
, die.
. Veldsterkte overeenkomend met punt 6 , de dwangkracht genoemd
door inductie.

Bij het punt 4 magnetisatie
, A
.

De veldsterkte die overeenkomt met punt 4, de dwangkracht genoemd H si door magnetisatie. Bij magnetische controle wordt de coërcitiefkracht berekend
.

Met een verdere toename van de veldsterkte naar punt 2, de inductie en magnetisatie de grootste negatieve waarden bereiken
En
(punten 16" en 17") overeenkomend met magnetische verzadiging
steekproef. Met afnemende stroom in een rechte lijn 10-11 inductie en magnetisatie zal waarden aannemen die overeenkomen met
.

Dus als gevolg van het veranderen van het externe veld
langs 0-1, 1-0, 0-2, 2-0 (Fig. 8), en de magnetische toestand van het monster verandert langs een gesloten curve - een magnetische hysteresislus.

Rijst. 8. Inductieafhankelijkheid en magnetisatie uit spanning
(a), verandering in stroom in de magnetisatiewikkeling (b).

De magnetische hysteresislus bepaalt de volgende kenmerken die worden gebruikt bij magnetische tests:

H T - de maximale magnetische veldsterkte waarbij de verzadigingstoestand van het monster wordt bereikt;

IN R - restinductie in het monster na verwijdering van het veld;

H Met - coërcitiefkracht is de sterkte van het magnetische veld dat tegengesteld aan de magnetisatie van het monster moet worden aangelegd om het volledig te demagnetiseren;

IN T - technische verzadigingsinductie. Er wordt aangenomen dat dit het geval is IN T = 0,95 B maximaal, Waar B maximaal- theoretisch mogelijke verzadigingsinductie van de initiële magnetisatie.

Als een ferromagnetisch lichaam wordt blootgesteld aan velden met hetzelfde teken, wordt de hysteresislus, die in dit geval asymmetrisch is ten opzichte van de oorsprong, privé genoemd (figuur 9).

Er zijn statische en dynamische hysteresislussen.

Statische hysteresislus wordt een lus genoemd die wordt verkregen door langzaam te veranderen H, waarbij het effect van wervelstromen kan worden verwaarloosd.

Dynamische hysteresislus een lus genoemd die wordt verkregen door periodiek te veranderen H met een eindige snelheid waarbij de invloed van wervelstromen significant wordt. Dit resulteert in een dynamische lus met een veel grotere breedte dan een statische lus. Met een toename van de amplitude van de aangelegde spanning neemt de breedte van de dynamische hysteresislus toe.

Op afb. 10 toont de afhankelijkheid
. Bij H=0 de magnetische permeabiliteit is gelijk aan de initiële waarde.

Rijst. 9. Asymmetrische hysteresislussen 1-3 - tussenliggende lussen; 4 - limietlus; 5 - initiële magnetisatiecurve.

Langs de magnetisatiecurve H(H) absolute magnetische permeabiliteit in een bepaald veld H gedefinieerd als
, en relatief als
.

De differentiële magnetische permeabiliteit wordt vaak genoemd:

.

De eerste is gelijk aan de raaklijn van de helling van lijn 1, en de tweede is gelijk aan de raaklijn van de helling van lijn 2.

De magnetomotorische kracht (mfs) is gelijk aan F = Iw, huidig ​​product I in de wikkeling vanwege het aantal windingen.

De magnetische flux is:

Waar F - MDS, gemeten in ampère-turns; l wo- lengte midden lijn magnetisch circuit, m; S - dwarsdoorsnede van het magnetische circuit, m 2.

Waarde
bepaalt de magnetische weerstand R M .

Rijst. 10. Magnetische permeabiliteit , en inductie IN veldsterkte
:
,
;
.

De magnetische flux is recht evenredig met de stroom I en omgekeerd evenredig met de magnetische weerstand R M . Stel dat we de stroomsterkte moeten bepalen in een torusvormige wikkeling van 10 kabelwindingen om een ​​lagerring te magnetiseren met een inductie van 1 T.

Met behulp van de formule Ф = F/ R M , vinden:

Het veldpatroon rond de geleider is een concentrische cirkel, gecentreerd op de as van de geleider (Fig. 11).

Rijst. 11. Poederverdelingspatroon (a) en inductie rond een geleider met stroom (b)

De richting van het veld rond een geleider of een solenoïde, gecreëerd door kabelspoelen, kan worden bepaald door de boorregel.

Als u de kurkentrekker langs de as van de geleider plaatst en deze met de klok mee draait, zodat de translatiebeweging samenvalt met de richting van de stroom in de geleider, dan geeft de draairichting van de handgreep van de kurkentrekker de richting van het veld aan.

Verandering in veldsterkte H binnen- en buitengeleider 3 wanneer er van een afstand een gelijkstroom doorheen gaat van het meetpunt naar de as van de geleider met een straal getoond in afb. 12.

Afb.12. De verdeling van de veldsterkte H binnen (1) en buiten (2) van de stroomvoerende geleider.

Van waar te zien is dat het veld op de as van de geleider nul is, en binnen de geleider (bij > ) het verandert lineair:

,

en daarbuiten (met > ) door overdrijving
, Waar - afstand van de geleideras tot het meetpunt, m; - stroom in de geleider, A.

Als de veldsterkte wordt gegeven H op een punt op een afstand van de as van de draad, en om deze intensiteit te verkrijgen, wordt de stroomsterkte bepaald met behulp van de formule:

,

Waar H[Ben], [M].

Als het een stroomvoerende geleider is passeert een hol deel, bijvoorbeeld een lagerring, waarna, in tegenstelling tot het vorige geval, de inductie scherp toeneemt in de zone van het ferromagnetische deel (Fig. 13).

Rijst. 13- Inductie tijdens magnetisatie van het onderdeel wanneer stroom door de centrale geleider wordt geleid.

Het veld verandert in vlakken: 0-1 schoonfamilie H =0 ; 1-2 volgens de wet
; 2-3 volgens de wet
.

Magnetische inductie B wijzigingen: in artikel 0-2 volgens de wet
; in secties 2-3; 6-7 volgens de wet
.

Inductie sprongen IN in secties 3-4; 5-6 vanwege het ferromagnetisme van het onderdeel 8 (- geleiderradius; - afstand vanaf het midden van de geleider).

Laten we aannemen dat een cilindrisch hol deel wordt gemagnetiseerd door een centrale geleider. Bepaal de stroomsterkte in de geleider om inductie te verkrijgen IN= 12,56 mT per binnenoppervlak onderdelen met een diameter van 80 mm.

De sterkte van de stroom in de geleider wordt bepaald door de formule:

Veldverdeling binnen en buiten het holle deel 4, gemagnetiseerd door er een stroom doorheen te laten gaan, getoond in Fig. 14. Je kunt zien dat het veld binnen het onderdeel met een straal ligt R 1 gelijk aan nul. Veld in perceel 1-2 (binnen het materiaal van het onderdeel) varieert afhankelijk van de wet

en in sectie 2-3 - schoonfamilie
. Deze formule bepaalt de veldsterkte op het buitenoppervlak van het onderdeel of op enige afstand daarvan.

Rijst. 14. Veldverdeling H binnen en buiten het onderdeel.

Als er een stroom van 200,0 A door een cilindrisch onderdeel met een diameter van 50 mm wordt geleid en het noodzakelijk is om de veldsterkte te bepalen op punten op een afstand van 100 mm van het oppervlak van het onderdeel. De veldsterkte op een afstand van 100 mm van het oppervlak van het onderdeel wordt bepaald door de formule:

.

De veldsterkte op het oppervlak van het onderdeel zal zijn:

.

Op afb. 15 toont een diagram van het magnetische veld rond en binnen de solenoïde. De figuur laat ook zien dat de magnetische krachtlijnen binnen de solenoïde langs de lengteas ervan zijn gericht. Bij de uitgangsvensters van de solenoïde worden magnetische polen gevormd N En S.

De veldsterkte in het midden van de as aan de rand van de solenoïde wordt bepaald door de bovenstaande formules.

De veldsterkte in het midden van de spoel met straal R bepaald door de formule H = I/ R, A/m, waar I- stroom in de spoel van de geleider, A.

Als het nodig is om de veldsterkte in het midden van de aangesloten solenoïde te bepalen met een stroomsterkte van 200 A, en tegelijkertijd het aantal windingen w = = -6, lengte 210 mm, diameter 100 mm, dan wordt de veldsterkte:

.

Als de stroom in de solenoïde 200 A is en de lengte van de solenoïde 400 mm is, is de diameter 100 mm, het aantal windingen is 8,
,
(zie Afb. 15), dan is het mogelijk om de sterkte op individuele punten van de solenoïde te berekenen.

De verdeling van de veldsterkte binnen de solenoïde is:

A - in het midden van de solenoïde:

,

Waar H - veldsterkte in midden van de solenoïde, A/cm; l, Met- lengte en straal van de solenoïde, cm; w- aantal beurten;

B - op de as van de solenoïde:

,

Waar l- magneetlengte, cm;

V - aan de rand van de solenoïde:

,

Waar l , Met - lengte en straal van de solenoïde, cm; w- aantal beurten.

De veldsterkte gecreëerd door de stroom in de ringkernwikkeling:
, A/cm; I- stroom, A; l- lengte van de middelste lijn van de wikkeling, cm; w - aantal beurten. In dit voorbeeld:

a) spanning H 1, in het midden op de as van de solenoïde:

b) veldsterkte op een punt AH 2 :

c) veldsterkte aan de rand van de solenoïde - H 3:

Als de spoeldiameter 160 mm is met een totale stroomsterkte van 180,0 A, dan is de veldsterkte in het midden van de spoel:

Rijst. 15. Het magnetische veld van de solenoïde en de krachtverdeling in het midden (a), op de as (b) en aan de rand (c).

6. MAGNETISCHE MATERIALEN

Alle stoffen zijn magnetisch en worden gemagnetiseerd in een extern magnetisch veld.

Volgens hun magnetische eigenschappen zijn materialen onderverdeeld in zwakmagnetische ( diamagneten En paramagneten) en sterk magnetisch ( ferromagneten En ferrimagneten).

Diamagnetenμr < 1, значение которой не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Диамагнетиками являются вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие намагничивающего поля имеют магнитный момент равный нулю: водород, инертные газы, большинство organische bestanddelen en sommige metalen Cu, Zn, Ag, Au, Hg) en ook IN i, Ga, Sb.

Paramagneten- stoffen met magnetische permeabiliteitμr> 1, wat bij zwakke velden niet afhankelijk is van de sterkte van het externe magnetische veld. Paramagneten omvatten stoffen waarvan de atomen (moleculen) bij afwezigheid van een magnetiserend veld een ander magnetisch moment dan nul hebben: zuurstof, stikstofmonoxide, zouten van ijzer, kobalt, nikkel en zeldzame aardelementen, alkalimetalen, aluminium, platina.

Voor diamagneten en paramagneten de magnetische permeabiliteitμrdicht bij eenheid. Toepassing in de techniek als magnetische materialen is beperkt.

In sterk magnetische materialen is de magnetische permeabiliteit veel groter dan één (μr >> 1) en is afhankelijk van de sterkte van het magnetische veld. Deze omvatten: ijzer, nikkel, kobalt en hun legeringen, evenals chroom- en mangaanlegeringen, gadolinium, ferrieten met verschillende samenstellingen.

6.1. Magnetische eigenschappen van materialen

De magnetische eigenschappen van materialen worden geëvalueerd aan de hand van fysieke grootheden die magnetische eigenschappen worden genoemd.

Magnetische permeabiliteit

Onderscheiden familielid En absoluut magnetische permeabiliteit stoffen (materiaal) die door de verhouding met elkaar verbonden zijn

μ een = μ o μ, H/m

μois de magnetische constante,μo = 4π 10-7 Gn/m;

μ – relatieve magnetische permeabiliteit (dimensieloze waarde).

Om de eigenschappen van magnetische materialen te beschrijven, wordt relatieve magnetische permeabiliteit gebruiktμ (beter bekend als magnetische permeabiliteit), en gebruik voor praktische berekeningen de absolute magnetische permeabiliteitμ een, berekend door de vergelijking

μ een = IN /H,U/m

H– sterkte van het magnetiserende (externe) magnetische veld, A/m

IN – magnetische veldinductie in een magneet.

Grote waardeμ laat zien dat het materiaal gemakkelijk gemagnetiseerd wordt in zwakke en sterke magnetische velden. De magnetische permeabiliteit van de meeste magneten hangt af van de sterkte van het magnetiserende magnetische veld.

Om de magnetische eigenschappen te karakteriseren wordt veel gebruik gemaakt van een dimensieloze grootheid, genaamd magnetische gevoeligheid χ .

μ = 1 + χ

Temperatuurcoëfficiënt van magnetische permeabiliteit

De magnetische eigenschappen van materie zijn afhankelijk van de temperatuurμ = μ (T) .

Om de aard van de verandering te beschrijvenmagnetische eigenschappen met temperatuurgebruik de temperatuurcoëfficiënt van magnetische permeabiliteit.

Afhankelijkheid van de magnetische gevoeligheid van paramagneten van temperatuurTbeschreven door de wet van Curie

Waar C - Curie-constante .

Magnetische eigenschappen van ferromagneten

De afhankelijkheid van de magnetische eigenschappen van ferromagneten heeft een complexer karakter, weergegeven in de figuur, en bereikt een maximum bij een temperatuur dichtbijQ Naar.

De temperatuur waarbij de magnetische gevoeligheid scherp afneemt, bijna tot nul, wordt de Curietemperatuur genoemd -Q Naar. Bij temperaturen bovenQ Naar het magnetisatieproces van een ferromagneet wordt verstoord door de intense thermische beweging van atomen en moleculen, en het materiaal is niet langer ferromagnetisch en wordt een paramagneet.

Voor ijzer Q k = 768 ° C, voor nikkel Q k = 358 ° C, voor kobalt Q k = 1131 ° C.

Boven de Curietemperatuur de afhankelijkheid van de magnetische gevoeligheid van een ferromagneet van de temperatuurTbeschreven door de wet van Curie-Weiss

Het proces van magnetisatie van sterk magnetische materialen (ferromagneten) heeft hysteresis. Als een gedemagnetiseerde ferromagneet in een extern veld wordt gemagnetiseerd, wordt hij meegemagnetiseerd magnetisatie curve B = B(H) . Als dat zo is, begin dan met een bepaalde waardeHBegin met het verminderen van de veldsterkte en vervolgens met inductieBzal met enige vertraging afnemen ( hysteresis) ten opzichte van de magnetisatiecurve. Met een toename van het veld in de tegenovergestelde richting wordt de ferromagneet dan gedemagnetiseerd remagnetiseert, en met een nieuwe verandering in de richting van het magnetische veld kan het terugkeren naar het startpunt, waar het demagnetisatieproces begon. De resulterende lus, weergegeven in de figuur, wordt genoemd hysterese lus.

Op een bepaalde maximale spanningH M magnetiserend veld, de substantie wordt gemagnetiseerd tot een verzadigingstoestand, waarin de inductie de waarde bereiktIN H , Wat genoemd wordt alsverzadiging inductie.

Resterende magnetische inductie IN OVER – waargenomen in een ferromagnetisch materiaal, gemagnetiseerd tot verzadiging, wanneer het wordt gedemagnetiseerd, wanneer de magnetische veldsterkte nul is. Om een ​​materiaalmonster te demagnetiseren is het noodzakelijk dat de magnetische veldsterkte van richting verandert (-H). VeldsterkteH NAAR , waarvoor de inductie nul is, wordt genoemd dwingende kracht(houdkracht) .

De magnetisatie-omkering van een ferromagneet in wisselende magnetische velden gaat altijd gepaard met thermische energieverliezen, die te wijten zijn aan hysterese verlies En dynamische verliezen. Dynamische verliezen houden verband met de wervelstromen die in het volume van het materiaal worden geïnduceerd en zijn hiervan afhankelijk elektrische weerstand materiaal, afnemend bij toenemende weerstand. Hysterese verliesW in één cyclus van magnetisatie-omkering bepaald door het gebied van de hysteresislus

en kan worden berekend voor een eenheidsvolume van een stof met behulp van de empirische formule

J/m3

Waar η - coëfficiënt afhankelijk van het materiaal,B H is de maximale inductie die tijdens de cyclus wordt bereikt,N- exponent gelijk aan 1,6, afhankelijk van het materiaal¸ 2.

Specifieke energieverliezen als gevolg van hysteresis R G – verliezen besteed aan de magnetisatie-omkering van een eenheidsmassa in een eenheidsvolume materiaal per seconde.

Waar F – AC-frequentie,Tis de periode van oscillatie.

Magnetostrictie

Magnetostrictie - fenomeen van verandering geometrische afmetingen en de vorm van een ferromagneet met een verandering in de grootte van het magnetische veld, d.w.z. tijdens magnetisatie. Relatieve verandering in materiaalafmetingenΔ l/ lkan positief en negatief zijn. Voor nikkel is de magnetostrictie minder dan nul en bereikt een waarde van 0,004%.

In overeenstemming met het principe van Le Chatelier over de weerstand van het systeem tegen de invloed van externe factoren die de neiging hebben deze toestand te veranderen, zou de mechanische vervorming van een ferromagneet, leidend tot een verandering in de grootte ervan, de magnetisatie van deze materialen moeten beïnvloeden.

Als het lichaam tijdens magnetisatie een verkleining in een bepaalde richting ervaart, draagt ​​de toepassing van mechanische drukspanning in deze richting bij aan de magnetisatie, en maakt spanning het moeilijk om te magnetiseren.

6.2. Classificatie van ferromagnetische materialen

Alle ferromagnetische materialen kunnen in twee groepen worden verdeeld op basis van hun gedrag in een magnetisch veld.

Zacht magnetisch – met hoge magnetische permeabiliteitμ en kleine dwangkrachtH NAAR< 10Ben. Ze zijn gemakkelijk te magnetiseren en te demagnetiseren. Ze hebben lage hysteresisverliezen, d.w.z. smalle hysteresislus.

De magnetische eigenschappen zijn afhankelijk van de chemische zuiverheid en de mate van vervorming van de kristalstructuur. Hoe minder onzuiverheden(MET, R, S, O, N ) Hoe hoger het niveau van de eigenschappen van het materiaal, daarom is het noodzakelijk om ze en oxiden te verwijderen bij de productie van een ferromagneet, en te proberen de kristalstructuur van het materiaal niet te vervormen.

Hardmagnetische materialen - hebben geweldigH K > 0,5 MA/m en residuele inductie (IN OVER ≥ 0,1T). Ze komen overeen met een brede hysteresislus. Ze zijn met grote moeite gemagnetiseerd, maar ze kunnen magnetische energie meerdere jaren opslaan, d.w.z. dienen als bron van een constant magnetisch veld. Daarom worden er permanente magneten van gemaakt.

Door samenstelling zijn alle magnetische materialen onderverdeeld in:

· metaal;

· niet-metalen;

· magnetodielektriciteit.

Metalen magnetische materialen - dit zijn pure metalen (ijzer, kobalt, nikkel) en magnetische legeringen van sommige metalen.

tot niet-metaalachtig materialen omvatten ferrieten, verkregen uit poeders van ijzeroxiden en andere metalen. Ze worden geperst en gebakken bij 1300 - 1500 ° C en veranderen in massieve monolithische magnetische onderdelen. Ferrieten kunnen, net als metallische magnetische materialen, magnetisch zacht en magnetisch hard zijn.

Magnetodilektriciteit – dit zijn composietmaterialen van 60 - 80% magnetisch materiaalpoeder en 40 - 20% organisch diëlektricum. Ferrieten en magnetodielektriciteit hebben een grote waarde aan elektrische weerstand (ρ = 10 ÷ 10 8 Ohm m), De hoge weerstand van deze materialen zorgt voor lage dynamische energieverliezen in de variabele elektromagnetische velden en zorgt ervoor dat ze op grote schaal kunnen worden gebruikt in hoogfrequente technologie.

6.3. Metalen magnetische materialen

6.3.1. metaal zacht magnetisch materialen

Metallische zachte magnetische materialen omvatten carbonylijzer, permalloys, alsifers en siliciumstaal met een laag koolstofgehalte.

carbonyl ijzer – verkregen door thermische ontleding van vloeibaar ijzerpentacarbonylF e( CO) 5 om deeltjes puur ijzerpoeder te verkrijgen:

F e( CO ) 5 → Fe+ 5CO,

bij een temperatuur van ongeveer 200°Cen een druk van 15 MPa. IJzerdeeltjes zijn bolvormig, 1–10 µm groot. Om koolstofdeeltjes kwijt te raken, wordt ijzerpoeder in een omgeving aan een warmtebehandeling onderworpen H 2 .

De magnetische permeabiliteit van carbonylijzer bereikt 20.000, de dwangkracht is 4,5¸ 6,2Ben. IJzerpoeder wordt gebruikt om hoge frequentie te maken magnetodielektrisch kernen, als vulmiddel in magneetbanden.

Permalloys -nodulair gietijzer-nikkellegeringen. Voer in om de eigenschappen te verbeteren ma, MET R, Cu, het verkrijgen van gedoteerde permalloys. Ze hebben een hoge plasticiteit en kunnen gemakkelijk tot platen en strips tot 1 micron worden gerold.

Als het nikkelgehalte in permalloy 40 - 50% bedraagt, wordt het nikkelarm genoemd, als het 60 - 80% is - hoog nikkel.

Permalloys hebben dat wel hoog niveau magnetische eigenschappen, die niet alleen worden gegarandeerd door de samenstelling en hoge chemische zuiverheid van de legering, maar ook door een speciale thermische vacuümbehandeling. Permalloys hebben een zeer hoog niveau van initiële magnetische permeabiliteit van 2000 tot 30.000 (afhankelijk van de samenstelling) in het gebied van zwakke velden, wat te wijten is aan de lage waarde van magnetostrictie en de isotropie van magnetische eigenschappen. Speciaal hoge performantie heeft een supermalloy, waarvan de initiële magnetische permeabiliteit 100.000 is en het maximum 1,5 bereikt 10 6 bij B= 0,3 T

Permalloys worden geleverd in de vorm van strips, platen en staven. Permalloys met een laag nikkelgehalte worden gebruikt voor de vervaardiging van inductorkernen, kleine transformatoren en magnetische versterkers, hoog nikkel permalloys – voor onderdelen van apparatuur die werken op sonische en supersonische frequenties. De magnetische eigenschappen van permalloys zijn stabiel bij –60 +60°С.

alsifera – niet kneedbaar, bros legeringen met samenstelling Al – Si– Fe , bestaande uit 5,5 - 13%Al, 9 – 10 % Si, de rest is ijzer. Alsifer ligt qua eigenschappen dicht bij permalloy, maar goedkoper. Er worden gegoten kernen van gemaakt, magnetische schermen en andere holle delen met een wanddikte van minimaal 2-3 mm worden gegoten. De kwetsbaarheid van alsifer beperkt de reikwijdte van de toepassing ervan. Met behulp van de brosheid van alsifer wordt het vermalen tot poeder, dat wordt gebruikt als ferromagnetisch vulmiddel in geperste hoogfrequente magnetodielektriciteit(kernen, ringen).

Silicium-laag koolstofstaal (elektrisch staal) – legering van ijzer en silicium (0,8 - 4,8%Si). Het belangrijkste magnetisch zachte materiaal voor massatoepassing. Het laat zich gemakkelijk oprollen tot platen en stroken van 0,05 - 1 mm en is een goedkoop materiaal. Silicium, dat zich in opgeloste toestand in het staal bevindt, vervult twee functies.

· Door de soortelijke weerstand van staal te vergroten, veroorzaakt silicium een ​​afname van de dynamische verliezen die gepaard gaan met wervelstromen. De weerstand wordt vergroot met vorming van silica SiO 2 als gevolg van de reactie

2 FeO + Si→ 2Fe+ SiO 2 .

· De aanwezigheid van silicium opgelost in staal draagt ​​bij aan de afbraak van cementiet Fe 3 C - een schadelijke onzuiverheid die de magnetische eigenschappen vermindert, en het vrijkomen van koolstof in de vorm van grafiet. In dit geval wordt puur ijzer gevormd, waarvan de groei van kristallen plaatsvindt verhoogt het niveau van magnetische eigenschappen van staal.

De introductie van silicium in staal in een hoeveelheid van meer dan 4,8% wordt niet aanbevolen, omdat silicium, wat bijdraagt ​​aan de verbetering van de magnetische eigenschappen, de brosheid van staal sterk verhoogt en vermindert. mechanische eigenschappen.

6.3.2. Metaalharde magnetische materialen

Harde magnetische materialen - dit zijn ferromagneten met een hoge coërcitiefkracht (meer dan 1 kA/m) en een grote waarde aan resterende magnetische inductieIN OVER. Gebruikt voor het maken permanente magneten.

Ze zijn afhankelijk van de samenstelling, staat en wijze van verkrijgen onderverdeeld in:

· gelegeerd martensitisch staal;

· gegoten harde magnetische legeringen.

Gelegeerde martensitische staalsoorten – het gaat hier om koolstofstaal en gelegeerd staalCr, W, Co, Mo . koolstofhoudend snel verouderen en veranderen hun eigenschappen, zodat ze zelden worden gebruikt voor de vervaardiging van permanente magneten. Voor de vervaardiging van permanente magneten worden gelegeerde staalsoorten gebruikt - wolfraam en chroom (HС ≈ 4800 Ben,IN Ongeveer ≈ 1 T), die zijn gemaakt in de vorm van staven met verschillende vorm secties. Kobaltstaal heeft een hogere coërcitiekracht (HС ≈ 12000 Ben,IN Ongeveer ≈ 1 T) vergeleken met wolfraam en chroom. Dwingende kracht H MET kobaltstaal neemt toe met toenemend gehalte MET O.

Gegoten harde magnetische legeringen. De verbeterde magnetische eigenschappen van de legeringen zijn te danken aan een speciaal geselecteerde samenstelling en speciale verwerking - het afkoelen van de magneten na het gieten in een sterk magnetisch veld, evenals een speciale meertraps warmtebehandeling in de vorm van afschrikken en temperen in combinatie met magnetische behandeling, genaamd precipitatieverharding.

Voor de vervaardiging van permanente magneten worden drie hoofdgroepen legeringen gebruikt:

· IJzer-kobalt-molybdeenlegering type remalloy met dwangH K \u003d 12 - 18 kA / m.

· Legeringsgroep:

§ koper - nikkel - ijzer;

§ koper - nikkel - kobalt;

§ ijzer - mangaan, gedoteerdaluminium of titanium;

§ ijzer - kobalt - vanadium (F e-Co-V).

Een legering van koper-nikkel-ijzer wordt genoemd kunife (MET u– Ni - Fe). Legering F e– Co – V (ijzer - kobalt - vanadium) wordt genoemd wicala . De legeringen van deze groep hebben een dwangkracht H NAAR = 24 – 40 kA/m. Worden uitgegeven in de vorm van een draad en in vellen.

· Systeemlegeringen ijzer - nikkel - aluminium(F e – Ni– Al), voorheen bekend als legering alni. De legering bevat 20 - 33% Ni + 11 - 17% Al, de rest is ijzer. De toevoeging van kobalt, koper, titanium, silicium en niobium aan legeringen verbetert hun magnetische eigenschappen, vergemakkelijkt de productietechnologie, zorgt voor de herhaalbaarheid van parameters en verbetert de mechanische eigenschappen. De moderne markering van het merk bevat letters die de toegevoegde metalen aangeven (Yu - aluminium, N - nikkel, D - koper, K - kobalt, T - titanium, B - niobium, C - silicium), cijfers - de inhoud van het element, waarvan de letter vóór het cijfer komt, bijvoorbeeld UNDK15.

Legeringen hebben een hoge waarde van dwangkracht H NAAR = 40 - 140 kA/m en een grote opgeslagen magnetische energie.

6.4. Niet-metalen magnetische materialen. Ferrieten

Ferrieten zijn keramische ferromagnetische materialen met een lage elektronische elektrische geleidbaarheid. Een lage elektrische geleidbaarheid gecombineerd met hoge magnetische eigenschappen maakt het mogelijk dat ferrieten op grote schaal worden gebruikt bij hoge frequenties.

Ferrieten worden gemaakt uit een poedermengsel bestaande uit ijzeroxide en speciaal geselecteerde oxiden van andere metalen. Ze worden geperst en vervolgens gesinterd hoge temperaturen. Algemeen chemische formule lijkt op:

Meo Fe 2 O 3 of MeFe 2 O 4,

Waar Mijtweewaardig metalen symbool.

Bijvoorbeeld,

ZnO Fe 2 O 3 of

NiO Fe 2 O 3 of NiFe 2O4

Ferrieten hebben een kubisch spinel-type roosterMgOAl 2O3 - magnesiumaluminaat.Niet alle ferrieten zijn magnetisch. De aanwezigheid van magnetische eigenschappen houdt verband met de rangschikking van metaalionen in het kubieke spinelrooster. Systeem dusZnFe 2O4 heeft geen ferromagnetische eigenschappen.

Ferrieten worden gemaakt volgens keramische technologie. De aanvankelijke poedervormige metaaloxiden worden vermalen in kogelmolens, geperst en gebakken in ovens. De gesinterde briketten worden vermalen tot een fijn poeder, er wordt een weekmaker aan toegevoegd, bijvoorbeeld een oplossing van polyvinylalcohol. Uit de resulterende massa worden ferrietproducten geperst - kernen, ringen, die in de lucht worden geschoten bij 1000 - 1400 ° C. De resulterende harde, brosse producten, meestal zwart, kunnen alleen worden verwerkt door slijpen en polijsten.

Zacht magnetisch ferrieten

Zacht magnetischFerrieten worden veel gebruikt op het gebied van hoge frequenties van de elektronische techniek en instrumentatie voor de vervaardiging van filters, transformatoren voor laag- en hoogfrequente versterkers, antennes voor radiozend- en radio-ontvangstapparatuur, pulstransformatoren en magnetische modulators. De industrie produceert de volgende soorten zachtmagnetische ferrieten met een breed scala aan magnetische en elektrische eigenschappen: nikkel-zink, mangaan-zink en lithium-zink. De bovenste grensfrequentie van het gebruik van ferriet hangt af van hun samenstelling en varieert voor verschillende soorten ferrieten van 100 kHz tot 600 MHz, de coërcitiefkracht is ongeveer 16 A / m.

Het voordeel van ferrieten is de stabiliteit van magnetische eigenschappen, het relatieve gemak van vervaardiging van radiocomponenten. Zoals alle ferromagnetische materialen behouden ferrieten hun magnetische eigenschappen slechts tot de Curietemperatuur, die afhangt van de samenstelling van de ferrieten en varieert van 45° tot 950°C.

Hardmagnetische ferrieten

Voor de vervaardiging van permanente magneten worden harde magnetische ferrieten gebruikt; bariumferrieten (VAO 6Fe2O3 ). Ze hebben een zeshoekige kristalstructuur met een groteH NAAR . Bariumferrieten zijn een polykristallijn materiaal. Ze kunnen isotroop zijn - de gelijkenis van de eigenschappen van ferriet in alle richtingen is te wijten aan het feit dat de kristallijne deeltjes willekeurig georiënteerd zijn. Als tijdens het persen van magneten de poederachtige massa wordt blootgesteld aan een extern magnetisch veld met hoge intensiteit, zullen de kristallijne ferrietdeeltjes in één richting worden georiënteerd en zal de magneet anisotroop zijn.

Bariumferrieten onderscheiden zich door een goede stabiliteit van hun eigenschappen, maar zijn gevoelig voor temperatuurveranderingen en mechanische belasting. Bariumferrietmagneten zijn goedkoop.

6.5. Magnetodilektriciteit

Magnetodilektriciteit - dit zijn composietmaterialen die bestaan ​​uit fijn verspreide deeltjes van een magnetisch zacht materiaal die met elkaar zijn verbonden door een organisch of anorganisch diëlektricum. Carbonylijzer, alsifer en sommige soorten permalloy, vermalen tot poeder, worden gebruikt als zachtmagnetisch materiaal.

Polystyreen, bakelietharsen, vloeibaar glas, enz. Worden gebruikt als diëlektrica.

Het doel van het diëlektricum is niet alleen om de deeltjes van het magnetische materiaal met elkaar te verbinden, maar ook om ze van elkaar te isoleren en bijgevolg de elektrische weerstand sterk te vergroten. magnetodielektrisch. Specifieke elektrische weerstandRmagnetodielektriciteitbedraagt ​​10 3 – 10 4 ohm× M

Magnetodilektriciteitgebruikt voor de vervaardiging van kernen van hoogfrequente componenten van radioapparatuur. Het productieproces van producten is eenvoudiger dan van ferrieten, omdat. ze vereisen geen warmtebehandeling bij hoge temperatuur. Producten van magnetodielektriciteit worden gekenmerkt door een hoge stabiliteit van de magnetische eigenschappen, een hoogwaardige oppervlakteafwerking en maatnauwkeurigheid.

De hoogste magnetische eigenschappen bezitten magnetodielektrische materialen gevuld met molybdeenpermalloy of carbonylijzer.

Talrijke experimenten geven aan dat alle stoffen die in een magnetisch veld worden geplaatst, worden gemagnetiseerd en hun eigen magnetisch veld creëren, waarvan de werking wordt toegevoegd aan de werking van een extern magnetisch veld:

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

waarbij $\boldsymbol(\vec(B))$ de magnetische veldinductie in de substantie is; $\boldsymbol((\vec(B))_(0))$ - magnetische veldinductie in vacuüm, $\boldsymbol((\vec(B))_(1))$ - magnetische veldinductie als gevolg van magnetisatie van materie . In dit geval kan de stof het magnetische veld versterken of verzwakken. De werking van een stof op een extern magnetisch veld wordt gekenmerkt door de hoeveelheid μ , Wat genoemd wordt als de magnetische permeabiliteit van een stof

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

• Magnetische permeabiliteit - is fysiek scalair, waaruit blijkt hoe vaak de magnetische veldinductie in een bepaalde stof verschilt van de magnetische veldinductie in vacuüm.

Alle stoffen bestaan ​​uit moleculen, moleculen bestaan ​​uit atomen. De elektronenschillen van atomen kunnen voorwaardelijk worden beschouwd als bestaande uit cirkelvormige elektrische stromen gevormd door bewegende elektronen. Circulaire elektrische stromen in atomen moeten hun eigen magnetische velden creëren. Elektrische stromen moeten worden beïnvloed door een extern magnetisch veld, waardoor men ofwel een toename van het magnetische veld kan verwachten wanneer de atomaire magnetische velden in dezelfde richting zijn als het externe magnetische veld, ofwel een verzwakking ervan als ze tegengesteld gericht zijn.
Hypothese over het bestaan ​​van magnetische velden in atomen en de mogelijkheid om het magnetische veld in de substantie te veranderen komt volledig overeen met de werkelijkheid. Alle stoffen door de werking van een extern magnetisch veld daarop kunnen in drie hoofdgroepen worden verdeeld: diamagneten, paramagneten en ferromagneten.

diamagneten zijn stoffen waarin het externe magnetische veld verzwakt is. Dit betekent dat de magnetische velden van atomen van dergelijke stoffen in een extern magnetisch veld tegengesteld gericht zijn aan het externe magnetische veld (μ< 1). Изменение магнитного поля даже в самых сильных диамагнетиках составляет лишь сотые доли процента. Например, висмут обладает magnetische permeabiliteit µ = 0,999826.

De aard van diamagnetisme begrijpen Beschouw de beweging van een elektron dat met een snelheid naar binnen vliegt v in een uniform magnetisch veld loodrecht op de vector IN magnetisch veld.

Onder invloed Lorentz-krachten het elektron zal in een cirkel bewegen, de richting van zijn rotatie wordt bepaald door de richting van de Lorentz-krachtvector. De resulterende cirkelvormige stroom creëert zijn eigen magnetisch veld IN" . Dit is een magnetisch veld IN" gericht tegengesteld aan het magnetische veld IN. Daarom moet elke stof die vrij bewegende geladen deeltjes bevat, diamagnetische eigenschappen hebben.
Hoewel de elektronen in de atomen van de materie niet vrij zijn, blijkt de verandering in hun beweging binnen de atomen onder invloed van een extern magnetisch veld equivalent te zijn aan de cirkelvormige beweging van vrije elektronen. Daarom heeft elke stof in een magnetisch veld noodzakelijkerwijs diamagnetische eigenschappen.
Diamagnetische effecten zijn echter erg zwak en worden alleen aangetroffen in stoffen waarvan de atomen of moleculen geen eigen magnetisch veld hebben. Voorbeelden van diamagneten zijn lood, zink, bismut (μ = 0,9998).

Henri Ampère (1820) was de eerste die de redenen uitlegde waarom lichamen magnetische eigenschappen hebben. Volgens zijn hypothese circuleren elementaire elektrische stromen in moleculen en atomen, die de magnetische eigenschappen van elke stof bepalen.

Beschouw de oorzaken van atomair magnetisme in meer detail:

Neem wat vaste materie. De magnetisatie ervan houdt verband met de magnetische eigenschappen van de deeltjes (moleculen en atomen) waaruit het is samengesteld. Bedenk welke circuits met stroom mogelijk zijn op microniveau. Het magnetisme van atomen is te wijten aan twee belangrijke redenen:

1) de beweging van elektronen rond de kern in gesloten banen ( orbitaal magnetisch moment) (Figuur 1);

Rijst. 2

2) eigen rotatie (spin) van elektronen ( magnetisch moment draaien) (Fig. 2).

Voor de nieuwsgierigen. Het magnetische moment van het circuit is gelijk aan het product van de stroomsterkte in het circuit en het gebied dat door het circuit wordt bedekt. De richting ervan valt samen met de richting van de magnetische veldinductievector in het midden van de stroomlus.

Omdat de banen van verschillende elektronen in het atoomvlak niet samenvallen, zijn de door hen gecreëerde magnetische veldinductievectoren (orbitale en spin-magnetische momenten) onder verschillende hoeken ten opzichte van elkaar gericht. De resulterende inductievector van een multi-elektronenatoom is gelijk aan de vectorsom van de veldinductievectoren gecreëerd door individuele elektronen. Atomen met gedeeltelijk gevulde elektronenschillen hebben niet-gecompenseerde velden. In atomen met gevulde elektronenschillen is de resulterende inductievector 0.

In alle gevallen is de verandering in het magnetische veld te wijten aan het optreden van magnetisatiestromen (er is een fenomeen elektromagnetische inductie). Met andere woorden, het superpositieprincipe voor het magnetische veld blijft geldig: het veld binnen de magneet is de superpositie van het externe veld $\boldsymbol((\vec(B))_(0))$ en het veld $\boldsymbol( \vec(B"))$ van de magnetisatiestromen i" , die ontstaan ​​onder de werking van een extern veld. Als het veld van magnetisatiestromen op dezelfde manier is gericht als het externe veld, zal de inductie van het totale veld groter zijn dan het externe veld (Fig. 3, a) - in dit geval zeggen we dat de substantie de veld; als het veld van magnetisatiestromen tegengesteld gericht is aan het externe veld, dan zal het totale veld kleiner zijn dan het externe veld (Fig. 3, b) - in deze zin zeggen we dat de substantie het magnetische veld verzwakt.

Rijst. 3

IN diamagneten Moleculen hebben geen eigen magnetisch veld. Onder invloed van een extern magnetisch veld in atomen en moleculen is het veld van de magnetisatiestromen tegengesteld gericht aan het externe veld, dus de modulus van de magnetische inductievector $ \boldsymbol(\vec(B))$ van het resulterende veld zal kleiner zijn dan de modulus van de magnetische inductievector $ \boldsymbol((\vec(B ))_(0)) $ extern veld.

Stoffen waarin het externe magnetische veld wordt versterkt als gevolg van de toevoeging van de magnetische velden van de elektronenschillen van de atomen van de substantie als gevolg van de oriëntatie van de atomaire magnetische velden in de richting van het externe magnetische veld worden genoemd paramagneten(µ > 1).

Paramagneten versterken het externe magnetische veld zeer zwak. De magnetische permeabiliteit van paramagneten verschilt slechts een fractie van een procent van eenheid. De magnetische permeabiliteit van platina is bijvoorbeeld 1,00036. Vanwege de zeer kleine waarden van de magnetische permeabiliteit van paramagnetische en diamagnetische materialen is hun invloed op een extern veld of de invloed van een extern veld op paramagnetische of diamagnetische lichamen zeer moeilijk te detecteren. Daarom worden paramagnetische en diamagnetische stoffen in de gewone dagelijkse praktijk in de technologie als niet-magnetisch beschouwd, dat wil zeggen stoffen die het magnetische veld niet veranderen en niet worden beïnvloed door het magnetische veld. Voorbeelden van paramagneten zijn natrium, zuurstof, aluminium (μ = 1,00023).

IN paramagneten moleculen hebben hun eigen magnetisch veld. Bij afwezigheid van een extern magnetisch veld zijn, als gevolg van thermische beweging, de inductievectoren van de magnetische velden van atomen en moleculen willekeurig georiënteerd, zodat hun gemiddelde magnetisatie nul is (Fig. 4, a). Wanneer een extern magnetisch veld wordt aangelegd op atomen en moleculen, begint er een moment van krachten te werken, waardoor ze de neiging hebben om ze zo te draaien dat hun velden parallel aan het externe veld worden georiënteerd. De oriëntatie van paramagnetische moleculen leidt ertoe dat de substantie gemagnetiseerd is (Fig. 4b).

Rijst. 4

De volledige oriëntatie van moleculen in een magnetisch veld wordt verhinderd door hun thermische beweging, dus de magnetische permeabiliteit van paramagneten hangt af van de temperatuur. Het is duidelijk dat bij toenemende temperatuur de magnetische permeabiliteit van paramagneten afneemt.

ferromagneten

Stoffen die het externe magnetische veld aanzienlijk vergroten, worden genoemd ferromagneten(nikkel, ijzer, kobalt, enz.). Voorbeelden van ferromagneten zijn kobalt, nikkel, ijzer (μ bereikt een waarde van 8 10 3).

De naam zelf van deze klasse magnetische materialen komt van de Latijnse naam voor ijzer: Ferrum. belangrijkste kenmerk van deze stoffen ligt in het vermogen om de magnetisatie in stand te houden bij afwezigheid van een extern magnetisch veld; alle permanente magneten behoren tot de klasse van ferromagneten. Naast ijzer hebben de "buren" volgens het periodiek systeem, kobalt en nikkel, ferromagnetische eigenschappen. Ferromagneten vinden breed praktisch gebruik in wetenschap en technologie is daarom een ​​aanzienlijk aantal legeringen met verschillende ferromagnetische eigenschappen ontwikkeld.

Alle gegeven voorbeelden van ferromagneten verwijzen naar metalen van de overgangsgroep, waarvan de elektronenschil verschillende ongepaarde elektronen bevat, wat ertoe leidt dat deze atomen een aanzienlijk intrinsiek magnetisch veld hebben. In de kristallijne toestand ontstaan, als gevolg van de interactie tussen atomen in kristallen, gebieden van spontane (spontane) magnetisatie - domeinen. De afmetingen van deze domeinen zijn tienden en honderdsten van een millimeter (10 -4 − 10 -5 m), wat aanzienlijk groter is dan de grootte van een enkel atoom (10 -9 m). Binnen één domein zijn de magnetische velden van atomen strikt parallel georiënteerd; de oriëntatie van de magnetische velden van andere domeinen verandert bij afwezigheid van een extern magnetisch veld willekeurig (Fig. 5).

Rijst. 5

Zelfs in de niet-gemagnetiseerde toestand zijn er dus sterke magnetische velden in de ferromagneet, waarvan de oriëntatie op een willekeurige chaotische manier verandert tijdens de overgang van het ene domein naar het andere. Als de afmetingen van een lichaam de afmetingen van individuele domeinen aanzienlijk overschrijden, is het gemiddelde magnetische veld dat door de domeinen van dit lichaam wordt gecreëerd vrijwel afwezig.

Als we een ferromagneet in een extern magnetisch veld plaatsen B0 , dan beginnen de magnetische momenten van de domeinen te herschikken. Er is echter geen mechanische ruimtelijke rotatie van delen van de materie. Het omkeringsproces van de magnetisatie gaat gepaard met een verandering in de beweging van elektronen, maar niet met een verandering in de positie van atomen in de knooppunten kristal rooster. Domeinen die de gunstigste oriëntatie hebben ten opzichte van de veldrichting, vergroten hun omvang ten koste van aangrenzende "verkeerd georiënteerde" domeinen, waardoor ze worden geabsorbeerd. In dit geval neemt het veld in de stof zeer aanzienlijk toe.

Eigenschappen van ferromagneten

1) de ferromagnetische eigenschappen van een stof verschijnen alleen als de overeenkomstige stof dat ook is V kristallijne staat ;

2) de magnetische eigenschappen van ferromagneten zijn sterk afhankelijk van de temperatuur, omdat de oriëntatie van de magnetische velden van de domeinen wordt belemmerd door thermische beweging. Voor elke ferromagneet is er een bepaalde temperatuur waarbij de domeinstructuur volledig wordt vernietigd en de ferromagneet verandert in een paramagneet. Deze temperatuurwaarde wordt genoemd Curie-punt . Voor puur ijzer bedraagt ​​de Curietemperatuur dus ongeveer 900°C;

3) ferromagneten zijn gemagnetiseerd tot verzadiging in zwakke magnetische velden. Figuur 6 laat zien hoe de inductiemodulus van het magnetische veld verandert B in staal met wisselend extern veld B0 :

Rijst. 6

4) de magnetische permeabiliteit van een ferromagneet hangt af van het externe magnetische veld (Fig. 7).

Rijst. 7

Dit komt door het feit dat aanvankelijk met toenemende B0 magnetische inductie B wordt sterker en daardoor μ zal toenemen. Dan, op de waarde van magnetische inductie B" 0 Er treedt verzadiging op (μ is op dit moment maximaal) en met een verdere toename B0 magnetische inductie B1 in de substantie houdt op te veranderen en de magnetische permeabiliteit neemt af (neigt naar 1):

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

5) in ferromagneten wordt restmagnetisatie waargenomen. Als bijvoorbeeld een ferromagnetische staaf in een solenoïde wordt geplaatst waar stroom doorheen gaat, en wordt gemagnetiseerd tot verzadiging (punt A) (Fig. 8), en verminder vervolgens de stroom in de solenoïde, en daarmee B0 Het is duidelijk dat de veldinductie in de staaf tijdens het demagnetisatieproces altijd groter blijft dan tijdens het magnetisatieproces. Wanneer B0 = 0 (de stroom in de solenoïde is uitgeschakeld), de inductie zal gelijk zijn aan B r (restinductie). De staaf kan van de solenoïde worden verwijderd en als permanente magneet worden gebruikt. Om de staaf uiteindelijk te demagnetiseren, is het noodzakelijk om een ​​stroom in de tegenovergestelde richting door de solenoïde te sturen, d.w.z. breng een extern magnetisch veld aan met de tegenovergestelde richting van de inductievector. Vergroot nu de modulus van de inductie van dit veld naar Boc , demagnetiseer de staaf ( B = 0).

• Module Boc inductie van een magnetisch veld dat een gemagnetiseerde ferromagneet demagnetiseert, wordt genoemd dwingende kracht .

Rijst. 8

Met verdere stijging B0 het is mogelijk om de staaf te magnetiseren tot verzadiging (punt A" ).

Nu aan het krimpen B0 tot nul krijgen ze opnieuw een permanente magneet, maar dan met inductie –B r (tegengestelde richting). Om de staaf weer te demagnetiseren, moet de stroom van de oorspronkelijke richting opnieuw worden ingeschakeld in de solenoïde, en de staaf zal demagnetiseren wanneer de inductie B0 wordt gelijk Boc . Ik blijf stijgen B0 , magnetiseer de staaf opnieuw tot verzadiging (punt A ).

Dus tijdens magnetisatie en demagnetisatie van een ferromagneet, de inductie B achter B 0. Deze vertraging wordt genoemd hysteresis fenomeen . De curve uit Figuur 8 wordt genoemd hysterese lus .

Hysterese (Grieks ὑστέρησις - “achterblijven”) - een eigenschap van systemen die de uitgeoefende krachten niet onmiddellijk volgen.

De vorm van de magnetisatiecurve (hysteresislus) verschilt aanzienlijk voor verschillende ferromagnetische materialen, die veel worden gebruikt in wetenschappelijke en technische toepassingen. Sommige magnetische materialen hebben een brede lus hoge waarden remanente magnetisatie en coërcitiekracht worden ze genoemd magnetisch hard en worden gebruikt om permanente magneten te maken. Andere ferromagnetische legeringen worden gekenmerkt door lage waarden van de coërcitiefkracht; dergelijke materialen worden gemakkelijk gemagnetiseerd en opnieuw gemagnetiseerd, zelfs in zwakke velden. Dergelijke materialen worden genoemd magnetisch zacht en worden gebruikt in verschillende elektrische apparaten - relais, transformatoren, magnetische circuits, enz.

Literatuur

1. Aksenovich L.A. Natuurkunde in middelbare school: Theorie. Taken. Testen: Proc. tegemoetkoming voor instellingen die algemeen verstrekken. omgevingen, onderwijs / L.A. Aksenovich, N.N. Rakina, K.S. Farino; Ed. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C.330-335.
2. Zhilko, V. V. Natuurkunde: leerboek. toelage voor het 11e leerjaar. algemene educatie school uit het Russisch lang. training / V.V. Zhilko, A.V. Lavrinenko, L.G. Markovich. - Mn.: Nar. asveta, 2002. - S. 291-297.
3. Slobodyanyuk AI Natuurkunde 10. §13 Interactie van een magnetisch veld met materie

Opmerkingen

1. We beschouwen de richting van de magnetische veldinductievector alleen in het midden van het circuit.

Het magnetische veld van de spoel wordt bepaald door de stroom en de intensiteit van dit veld, en de veldinductie. Die. de veldinductie in vacuüm is evenredig met de grootte van de stroom. Als er in een bepaald medium of een bepaalde stof een magnetisch veld wordt gecreëerd, werkt het veld in op de stof en verandert het op zijn beurt het magnetische veld op een bepaalde manier.

Een stof in een extern magnetisch veld wordt gemagnetiseerd en daarin ontstaat een extra intern magnetisch veld. Het wordt geassocieerd met de beweging van elektronen langs intra-atomaire banen, maar ook rond hun eigen as. De beweging van elektronen en atoomkernen kan worden beschouwd als elementaire cirkelvormige stromen.

De magnetische eigenschappen van een elementaire cirkelstroom worden gekenmerkt door een magnetisch moment.

Bij afwezigheid van een extern magnetisch veld zijn de elementaire stromen in de substantie willekeurig (chaotisch) georiënteerd en daarom is het totale of totale magnetische moment nul en wordt het magnetische veld van elementaire interne stromen niet gedetecteerd in de omringende ruimte.

Het effect van een extern magnetisch veld op elementaire stromen in de materie is dat de oriëntatie van de rotatie-assen van geladen deeltjes verandert, zodat hun magnetische momenten in één richting blijken te zijn gericht. (naar het externe magnetische veld). De intensiteit en aard van magnetisatie in verschillende stoffen in hetzelfde externe magnetische veld verschillen aanzienlijk. De waarde die de eigenschappen van het medium en de invloed van het medium op de magnetische velddichtheid karakteriseert, wordt absoluut genoemd magnetische permeabiliteit of magnetische permeabiliteit van het medium (μ Met ) . Dit is de relatie = . Gemeten [ μ Met ]=U/m.

De absolute magnetische permeabiliteit van vacuüm wordt de magnetische constante genoemd μ O \u003d 4π 10 -7 Gn / m.

De verhouding tussen de absolute magnetische permeabiliteit en de magnetische constante wordt genoemd relatieve magnetische permeabiliteitμc /μ 0 \u003d μ. Die. relatieve magnetische permeabiliteit is een waarde die aangeeft hoe vaak de absolute magnetische permeabiliteit van een medium groter of kleiner is dan de absolute permeabiliteit van vacuüm. μ is een dimensieloze grootheid die over een groot bereik varieert. Deze waarde vormt de basis voor het indelen van alle materialen en media in drie groepen.

Diamagneten . Deze stoffen hebben 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.

Paramagneten . Deze stoffen hebben μ > 1. Deze omvatten aluminium, magnesium, tin, platina, mangaan, zuurstof, lucht, enz. Lucht heeft = 1,0000031. . Deze stoffen, evenals diamagneten, hebben een zwakke wisselwerking met een magneet.

Voor technische berekeningen wordt aangenomen dat μ van diamagnetische en paramagnetische lichamen gelijk is aan één.

ferromagneten . Dit is een bijzondere groep stoffen die een grote rol spelen in de elektrotechniek. Deze stoffen hebben μ >> 1. Hiertoe behoren ijzer, staal, gietijzer, nikkel, kobalt, gadolinium en metaallegeringen. Deze stoffen worden sterk aangetrokken door een magneet. Deze stoffen hebben μ = 600-10.000. Voor sommige legeringen bereikt μ recordwaarden tot 100.000. Opgemerkt moet worden dat μ voor ferromagnetische materialen niet constant is en afhankelijk is van de magnetische veldsterkte, het type materiaal en de temperatuur.

De grote waarde van µ in ferromagneten wordt verklaard door het feit dat ze gebieden van spontane magnetisatie (domeinen) hebben, waarbinnen de elementaire magnetische momenten op dezelfde manier gericht zijn. Bij elkaar opgeteld vormen ze de gemeenschappelijke magnetische momenten van de domeinen.

Bij afwezigheid van een magnetisch veld zijn de magnetische momenten van de domeinen willekeurig georiënteerd en is het totale magnetische moment van het lichaam of de substantie nul. Onder invloed van een extern veld zijn de magnetische momenten van de domeinen in één richting georiënteerd en vormen ze het totale magnetische moment van het lichaam, gericht in dezelfde richting als het externe magnetische veld.

Dit belangrijk kenmerk in de praktijk gebruikt, met behulp van ferromagnetische kernen in spoelen, wat het mogelijk maakt om de magnetische inductie en magnetische flux scherp te vergroten bij dezelfde waarden van stromen en het aantal windingen, of, met andere woorden, om het magnetische veld te concentreren in een relatief klein volume.

Het magnetische moment is het belangrijkste vectorgrootheid karakteriseren van de magnetische eigenschappen van een stof. Omdat de bron van magnetisme een gesloten stroom is, is dit de waarde van het magnetische moment M gedefinieerd als het product van de huidige sterkte I naar het gebied dat door het stroomcircuit wordt gedekt S:

M = I×S A×m2 .

De elektronenschillen van atomen en moleculen hebben magnetische momenten. Elektronen en andere elementaire deeltjes hebben een spin-magnetisch moment dat wordt bepaald door het bestaan ​​van hun eigen mechanische moment: spin. Het spin-magnetische moment van een elektron kan in een extern magnetisch veld zodanig worden georiënteerd dat slechts twee gelijke en tegengesteld gerichte projecties van het moment op de richting van de magnetische veldvector mogelijk zijn, gelijk aan Bohr-magneton- 9,274×10-24A×m2.

1. Definieer het concept van "magnetisatie" van een stof.

Magnetisatie - J- is het totale magnetische moment per volume-eenheid van de stof:

1. Definieer de term "magnetische gevoeligheid".

Magnetische gevoeligheid van een stof, א v- de verhouding van de magnetisatie van een stof tot de sterkte van het magnetische veld, per volume-eenheid:

אv = , dimensieloze hoeveelheid.

Specifieke magnetische gevoeligheid, א – de verhouding tussen magnetische gevoeligheid en de dichtheid van een stof, d.w.z. magnetische gevoeligheid per massa-eenheid, gemeten in m 3 /kg.

1. Definieer de term "magnetische permeabiliteit".

Magnetische permeabiliteit, μ – Dit fysieke hoeveelheid karakteriseren van de verandering in magnetische inductie onder invloed van een magnetisch veld . Voor isotrope media is de magnetische permeabiliteit gelijk aan de inductieverhouding in het medium IN afhankelijk van de sterkte van het externe magnetische veld H en naar de magnetische constante μ 0 :

Magnetische permeabiliteit is een dimensieloze grootheid. De waarde ervan voor een bepaald medium is 1 meer dan de magnetische gevoeligheid van hetzelfde medium:

μ = אv+1, sinds B \u003d μ 0 (H + J).

1. Geef een classificatie van materialen op basis van hun magnetische eigenschappen.

Volgens de magnetische structuur en de waarde van magnetische permeabiliteit (gevoeligheid) zijn materialen onderverdeeld in:

Diamagneten μ< 1 (het materiaal "weerstaat" het magnetische veld);

Paramagneten µ > 1(het materiaal neemt het magnetische veld zwak waar);

ferromagneten µ >> 1(het magnetische veld in het materiaal wordt versterkt);

Ferrimagneten µ >> 1(het magnetische veld in het materiaal neemt toe, maar de magnetische structuur van het materiaal verschilt van de structuur van ferromagneten);

Antiferromagneten μ ≈ 1(het materiaal reageert zwak op een magnetisch veld, hoewel de magnetische structuur vergelijkbaar is met die van ferrimagneten).

1. Beschrijf de aard van diamagnetisme.

Diamagnetisme is de eigenschap van een stof die moet worden gemagnetiseerd in de richting van een extern magnetisch veld dat erop inwerkt (in overeenstemming met de wet van elektromagnetische inductie en de regel van Lenz). Diamagnetisme is kenmerkend voor alle stoffen, maar in zijn ‘pure vorm’ manifesteert het zich in diamagneten. Diamagneten zijn stoffen waarvan de moleculen geen eigen magnetische momenten hebben (hun totale magnetische moment is nul), dus ze hebben geen andere eigenschappen dan diamagnetisme. Voorbeelden van diamagneten:

Waterstof, א = - 2×10 -9m3/kg.

Water, א = - 0,7×10 -9 m3/kg.

Diamant, א = - 0,5×10 -9 m3/kg.

Grafiet, א = - 3×10 -9m3/kg.

Koper = - 0,09×10 -9 m3/kg.

Zink, א = - 0,17×10 -9 m3/kg.

Zilver = - 0,18×10 -9 m3/kg.

Goud, א = - 0,14×10 -9 m3/kg.

43. Beschrijf de aard van paramagnetisme.

Paramagnetisme is een eigenschap van stoffen die paramagneten worden genoemd en die, wanneer ze in een extern magnetisch veld worden geplaatst, een magnetisch moment verwerven dat samenvalt met de richting van dit veld. Atomen en moleculen van paramagneten hebben, in tegenstelling tot diamagneten, hun eigen magnetische momenten. Bij afwezigheid van een veld is de oriëntatie van deze momenten chaotisch (als gevolg van thermische beweging) en is het totale magnetische moment van de substantie nul. Wanneer een extern veld wordt aangelegd, vindt de gedeeltelijke oriëntatie van de magnetische momenten van de deeltjes in de richting van het veld plaats en wordt de magnetisatie J opgeteld bij de sterkte van het externe veld H: B = μ 0 (H + J). De inductie in de stof wordt verbeterd. Voorbeelden van paramagneten:

Zuurstof, א = 108×10 -9m3/kg.

Titanium = 3×10 -9m3/kg.

Aluminium, א = 0,6×10 -9 m3/kg.

Platina, א = 0,97×10 -9 m3/kg.

44. Beschrijf de aard van ferromagnetisme.

Ferromagnetisme is een magnetisch geordende toestand van materie, waarbij alle magnetische momenten van atomen in een bepaald volume materie (domein) parallel zijn, wat de spontane magnetisatie van het domein veroorzaakt. Het verschijnen van magnetische orde houdt verband met de uitwisselingsinteractie van elektronen, die van elektrostatische aard is (de wet van Coulomb). Bij afwezigheid van een extern magnetisch veld kan de oriëntatie van de magnetische momenten van verschillende domeinen willekeurig zijn, en kan het volume van de materie in kwestie over het algemeen een zwakke of nulmagnetisatie hebben. Wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd, zijn de magnetische momenten van de domeinen des te meer langs het veld georiënteerd, des te hoger de veldsterkte. In dit geval verandert de waarde van de magnetische permeabiliteit van de ferromagneet en neemt de inductie in de substantie toe. Voorbeelden van ferromagneten:

IJzer, nikkel, kobalt, gadolinium

en legeringen van deze metalen onderling en andere metalen (Al, Au, Cr, Si, enz.). μ ≈ 100…100000.

45. Beschrijf de aard van ferrimagnetisme.

Ferrimagnetisme is een magnetisch geordende toestand van materie, waarin de magnetische momenten van atomen of ionen in een bepaald volume materie (domein) magnetische subroosters van atomen of ionen vormen met totale magnetische momenten die niet gelijk aan elkaar zijn en antiparallel gericht zijn. Ferrimagnetisme kan worden beschouwd als het meest algemene geval van een magnetisch geordende toestand, en ferromagnetisme als een geval met één subrooster. De samenstelling van ferrimagneten omvat noodzakelijkerwijs atomen van ferromagneten. Voorbeelden van ferrimagneten:

Fe3O4; MgFe2O4; CuFe204; MnFe204; NiFe204; CoFe2O4 …

De magnetische permeabiliteit van ferrimagneten is van dezelfde orde als die van ferromagneten: μ ≈ 100…100000.

46. ​​Beschrijf de aard van antiferromagnetisme.

Antiferromagnetisme is een magnetisch geordende toestand van een substantie, gekenmerkt door het feit dat de magnetische momenten van aangrenzende deeltjes van de substantie antiparallel zijn georiënteerd, en bij afwezigheid van een extern magnetisch veld is de totale magnetisatie van de substantie nul. Een antiferromagneet in relatie tot de magnetische structuur kan worden beschouwd als speciaal geval een ferrimagneet waarin de magnetische momenten van de subroosters gelijk zijn in absolute waarde en antiparallel. De magnetische permeabiliteit van antiferromagneten ligt dicht bij 1. Voorbeelden van antiferromagneten:

Cr2O3; mangaan; FeSi; Fe203; NIO……… μ ≈ 1.

47. Wat is de waarde van de magnetische permeabiliteit van materialen in supergeleidende toestand?

Supergeleiders onder de supertransitietemperatuur zijn ideale diamagneten:

א= - 1; μ = 0.