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. flux koppeling:

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

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

Magnetische permeabiliteit vacuüm in het SI-systeem van eenheden wordt gelijkgesteld aan
H/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, dan wordt in een diamagnetisch veld het veld verzwakt en in een paramagnetisch veld 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 - overeenkomstig.

In tafel. 1 toont de waarden van de relatieve magnetische permeabiliteit van sommige materialen. Het is te zien 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.

Dimensie 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 de veldsterkte ook gemeten in

"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 \u003d 0,796 A / cm; 1 kA/m = 10 A/cm;

1 A/cm = 0,1 kA/m; 1 E \u003d 79,6 A / cm; 1 kA/m = 12,56 Oe;

1 A/cm = 1,256 Oe; 1 E \u003d 0,0796 kA / cm; 1 kA/m = 1000 A/m.

Het is interessant om de sterke punten 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 stalen constructiedelen 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 is verdeeld, is elk van hen een magneet met twee polen. Dit is te zien aan afb. 5. Volgens de tabel. 2 kan worden bepaald dat één eenheid van magnetisch moment gelijk is aan 1
m 2 \u003d 1
. Deze eenheid wordt "ampère-vierkante meter" genoemd. Een amper vierkante meter is het magnetische moment van een circuit waar een stroom van 1 A doorheen loopt en dat een oppervlakte gelijk aan 1 m 2 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 in 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
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
Lichtstroom
Radionuclide activiteit	becquerel
Geabsorbeerde stralingsdosis
Equivalente stralingsdosis

Elektron magnetisch moment gelijk aan

, omdat
, a
,
.

Relatief recentelijk 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 stof bestaat. De bron van magnetische velden zijn elektrische stromen. Daarom, wanneer een permanente magneet in elk stuk wordt verdeeld, creëren elektronenstromen een magnetisch veld (Fig. 5). De magnetische lading wordt alleen beschouwd als:een of andere wiskundige grootheid die geen fysieke heeftcal inhoud.

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

,
,

waar - werken aan het omzeilen van de magnetische pool rond de geleider met stroom .

Een conventionele eenheid van magnetische lading is:
.

In het Gauss-systeem wordt een eenheid van magnetische lading aangenomen 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 worden gemagnetiseerd wordt verklaard door het bestaan ​​​​van stromen erin:

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

om 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 spontaan elementaire stromen worden geleid. Deze gebieden van 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 bijna nul is.

Als gevolg van externe actie worden de velden van individuele regio's (domeinen) in de richting van het externe veld geplaatst en wordt zo een sterk veld van het gemagnetiseerde deel gevormd.

Vervolgens, magnetisatie - is de graad vangeregen oriëntatie magnetische velden van domeinen in een metaal, of anderszins, dit is een inductie die wordt 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, d.w.z.:

.

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

Tekenvariabele belasting van de metalen structuur, bijvoorbeeld in continu werkende turbinebladen, in bouten, enz. onderdelen leidt tot een zekere 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, om mechanische spanningen te bepalen.

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

Rijst. 6. Soorten elementaire stromen:

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

b - rotatie van een elektron om 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 door de bekende formule:

,

waar - magnetisatie, d.w.z. inductie gecreëerd door moleculaire stromen;
is de sterkte 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, die ook afhankelijk is van
.

Op afb. 7 toont afhankelijkheden
, en
ferromagnetisch materiaal uit 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 (paragraaf a-b) . Dan vertraagt ​​de groei (paragraaf b-c) . Verdere groei afnemend, curve
gaat in een rechte lijn , met een lichte neiging tot de horizontale as
. Tegelijkertijd is de waarde
nadert langzaam zijn limiet
. onderdeel
varieert in verhouding tot de veldsterkte
. Op afb. 7 deze afhankelijkheid wordt weergegeven door een rechte lijn o-e .

Om de magnetische inductiecurve te krijgen: op basis van de sterkte van het externe veld is het noodzakelijk om de corresponderende ordinaat van de curven toe te voegen
en
. Deze afhankelijkheid wordt weergegeven door een curve
, de initiële magnetisatiecurve genoemd. In tegenstelling tot magnetisatie, magnetische inductie groeit zolang de waarde
, omdat nadat de groei van de magnetisatie stopt, de hoeveelheid
blijft evenredig toenemen
.

De hermagnetisering van het onderdeel vindt plaats door een wisselend of periodiek veranderend in richting constant veld.

Op afb. 8 toont de volledige magnetische respons van het monster - de hystresislus. In de begintoestand wordt het monster gedemagnetiseerd. De stroom in de wikkeling wordt verhoogd in een rechte lijn 0-8 . De sterkte van het veld gecreëerd door deze stroom verandert in een rechte lijn 0-1. Tegelijkertijd is de inductie en magnetisatie in het monster zal toenemen langs de krommen van de initiële magnetisatie 16 en 17 tot 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 met 1-0 af (afb. 8, a). Tegelijkertijd is de inductie en magnetisatie wijzigen in waarde .

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

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. Met magnetische besturing wordt de dwangkracht berekend
.

Met een verdere toename van de veldsterkte tot punt 2, wordt 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 van 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;

BIJ r - restinductie in het monster na verwijdering van het veld;

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

BIJ t - technische verzadigingsinductie. Het wordt beschouwd als BIJ t = 0,95 B max, waar B max- theoretisch mogelijke verzadigingsinductie van de initiële magnetisatie.

Als een ferromagnetisch lichaam wordt blootgesteld aan velden van hetzelfde teken, wordt de hysteresislus, die in dit geval asymmetrisch is ten opzichte van de oorsprong, privé genoemd (Fig. 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 waarmee 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 beginwaarde.

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 tangens van de helling van lijn 1, en de tweede is gelijk aan de tangens van de helling van de tangens 2.

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

De magnetische flux is:

waar F - MDS, gemeten in ampère-windingen; ik wo- lengte midden lijn magnetisch circuit, m; S - doorsnede van het magnetische circuit, m 2.

Waarde
bepaalt de magnetische weerstand R m .

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

Magnetische flux is recht evenredig met stroom l en omgekeerd evenredig met de magnetische weerstand R m . Stel dat we de stroomsterkte moeten bepalen in een ringkernwikkeling van 10 kabelwindingen om een ​​lagerring te magnetiseren met een inductie van 1 T.

Met behulp van de formule Ф = F/ R m , vind:

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 gimlet-regel.

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 kurkentrekkerhandgreep de richting van het veld aan.

Verandering in veldsterkte H binnen- en buitengeleider 3 wanneer een gelijkstroom er van een afstand 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 waaruit kan worden gezien dat het veld op de as van de geleider nul is, en binnen de geleider (at > ) het verandert lineair:

,

en daarbuiten (met > ) door hyperbool
, 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, om deze intensiteit te verkrijgen, wordt de stroomsterkte bepaald met behulp van de formule:

,

waar H[Ben], [m].

Als een stroomvoerende geleider gaat door een hol deel, bijvoorbeeld een lagerring, en dan, in tegenstelling tot het vorige geval, neemt de inductie sterk toe 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 gebieden: 0-1 schoonfamilie H =0 ; 1-2 door de wet
; 2-3 volgens de wet
.

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

Inductiesprongen BIJ in secties 3-4; 5-6 vanwege het ferromagnetisme van het onderdeel 8 (- geleiderstraal; - afstand van 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 BIJ= 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 leiden, zoals getoond in Fig. 14. Het is te zien dat het veld binnen het deel met een straal R 1 gelijk is aan nul. Veld in perceel 1-2 (binnen het onderdeel materiaal) varieert volgens 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 een stroom van 200,0 A door een cilindrisch onderdeel met een diameter van 50 mm wordt geleid en het is noodzakelijk om de veldsterkte te bepalen op punten die zich op een afstand van 100 mm van het oppervlak van het onderdeel bevinden. 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 zijn lengteas zijn gericht. Bij de uitgangsvensters van de solenoïde worden magnetische polen gevormd N en S.

De veldsterkte in het centrum op de as aan de rand van de spoel wordt bepaald door bovenstaande formules.

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

Als het nodig is om de veldsterkte in het midden van de bevestigde solenoïde te bepalen met een stroom van 200 A, en tegelijkertijd het aantal windingen met wie = = -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, is het aantal windingen 8,
,
(zie Fig. 15), dan is het mogelijk om de sterkte op individuele punten van de solenoïde te berekenen.

De veldsterkteverdeling binnen de solenoïde is:

a - in het midden van de solenoïde:

,

waar H - veldsterkte in midden van de solenoïde, A/cm; ik, Met- lengte en straal van de solenoïde, cm; met wie- aantal beurten;

b - op de as van de solenoïde:

,

waar ik- lengte solenoïde, cm;

in - aan de rand van de solenoïde:

,

waar ik , Met - lengte en straal van de solenoïde, cm; met wie- aantal beurten.

De veldsterkte gecreëerd door de stroom in de ringkernwikkeling:
, A/cm; l- stroom, A; ik- lengte van de middelste lijn van de wikkeling, cm; met wie - 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 stroom 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 worden materialen onderverdeeld in zwak magnetische ( diamanten en paramagneten) en sterk magnetische ( ferromagneten en ferrimagneten).

Diamagnetenr < 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 BIJ i, Ga, Sb.

Paramagneten- stoffen met magnetische permeabiliteitr> 1, die in zwakke velden niet afhankelijk is van de sterkte van het externe magnetische veld. Paramagneten omvatten stoffen waarvan de atomen (moleculen) bij afwezigheid van een magnetisch 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 permeabiliteitrdicht bij de eenheid. Toepassing in de techniek als magnetische materialen is beperkt.

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

6.1. Magnetische eigenschappen van materialen

De magnetische eigenschappen van materialen worden geëvalueerd door fysieke grootheden die magnetische eigenschappen worden genoemd.

Magnetische permeabiliteit

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

a = o, H/m

ois de magnetische constante,o = 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 aangeduid als magnetische permeabiliteit), en gebruik voor praktische berekeningen de absolute magnetische permeabiliteita, berekend door de vergelijking

a = BIJ /H,H/m

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

BIJ – magnetische veldinductie in een magneet.

Grote waardeμ laat zien dat het materiaal gemakkelijk wordt gemagnetiseerd 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 op temperatuurTbeschreven door de wet van Curie

waar C - Curieconstante .

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 tot.

De temperatuur waarbij de magnetische gevoeligheid sterk afneemt, bijna tot nul, wordt de Curie-temperatuur genoemd -Q tot. Bij temperaturen bovenQ tot het proces van magnetisatie van een ferromagneet wordt verstoord door de intense thermische beweging van atomen en moleculen, en het materiaal houdt op ferromagnetisch te zijn en wordt een paramagneet.

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

Boven de Curie-temperatuur, de afhankelijkheid van de magnetische gevoeligheid van een ferromagneet op temperatuurTbeschreven door de wet van Curie-Weiss

Het proces van magnetisatie van sterk magnetische materialen (ferromagneten) heeft: hysterese. Als een gedemagnetiseerde ferromagneet wordt gemagnetiseerd in een extern veld, wordt deze meegemagnetiseerd magnetisatiecurve B = B(H) . Als dan, vanaf een bepaalde waardeHbegin de veldsterkte te verminderen, dan inductieBzal met enige vertraging afnemen ( hysterese) met betrekking tot de magnetisatiecurve. Met een toename in het veld van de tegenovergestelde richting, wordt de ferromagneet gedemagnetiseerd, dan hermagnetiseert, en met een nieuwe verandering in de richting van het magnetische veld, kan het terugkeren naar het startpunt, van waaruit het demagnetisatieproces begon. De resulterende lus die in de figuur wordt getoond, heet hysterese lus.

Bij een maximale spanningH m magnetiserend veld, wordt de substantie gemagnetiseerd tot een staat van verzadiging, waarin de inductie de waarde bereiktBIJ H , Wat genoemd wordt alsverzadiging inductie.

Resterende magnetische inductie BIJ O – 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 Tot , waarvoor de inductie nul is, heet dwangkracht(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 zijn gerelateerd aan de wervelstromen die in het volume van het materiaal worden geïnduceerd en zijn afhankelijk van: elektrische weerstand materiaal, afnemend met 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 door de empirische formule

J / m 3

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

Specifieke energieverliezen door hysterese 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 ik/ ikkan positief en negatief zijn. Voor nikkel is de magnetostrictie kleiner 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 om deze toestand te veranderen, zou de mechanische vervorming van een ferromagneet, die leidt tot een verandering in zijn grootte, de magnetisatie van deze materialen moeten beïnvloeden.

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

6.2. Classificatie van ferromagnetische materialen

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

Zacht magnetisch – met hoge magnetische permeabiliteitμ en kleine dwangkrachtH Tot< 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(VAN, R, S, O, N ) , hoe hoger het niveau van 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 verstoren.

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

Door samenstelling zijn alle magnetische materialen onderverdeeld in:

· metaal;

· niet-metalen;

· magnetodielelektriciteit.

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

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

Magneto-diëlektrica – dit zijn composietmaterialen van 60 - 80% magnetisch materiaalpoeder en 40 - 20% organisch diëlektricum. Ferrieten en magnetodielelektriciteit hebben een grote waarde van 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 maakt het mogelijk ze op grote schaal te gebruiken in hoogfrequente technologie.

6.3. Metalen magnetische materialen

6.3.1. metaal zacht magnetisch materialen

Metallische zachte magnetische materialen omvatten carbonylijzer, permalloys, alsiferen en koolstofarme siliciumstaalsoorten.

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

F e( CO ) 5 → Fe+ 5 CO,

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

De magnetische permeabiliteit van carbonylijzer bereikt 20000, de dwangkracht is 4,5¸ 6,2Ben. IJzerpoeder wordt gebruikt om hoge frequenties te maken magneto-diëlektrisch kernen, als vulmiddel in magneetbanden.

permalloys -nodulair gietijzer-nikkel legeringen. Voer . in om de eigenschappen te verbeteren ma, VAN r, Cu, het verkrijgen van gedoteerde permalloys. Ze hebben een hoge plasticiteit, ze zijn gemakkelijk op te rollen tot vellen en strips tot 1 micron.

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

Permalloys hebben 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 hoge initiële magnetische permeabiliteit van 2000 tot 30000 (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. Vooral hoge performantie heeft een supermalloy, waarvan de initiële magnetische permeabiliteit 100.000 is, en het maximum bereikt 1,5 10 6 om 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°C.

alsifera – niet kneedbaar bros legeringen van samenstelling Al – Si– Fe , bestaande uit 5,5 - 13%Al, 9 – 10 % Si, de rest is ijzer. Alsifer ligt qua eigenschappen in de buurt van permalloy, maar is goedkoper. Hiervan worden gietkernen gemaakt, magneetschermen en andere holle delen met een wanddikte van minimaal 2-3 mm gegoten. De kwetsbaarheid van alsifer beperkt het toepassingsgebied ervan. Met behulp van de broosheid van alsifer wordt het vermalen tot poeder, dat wordt gebruikt als een ferromagnetische vulstof in geperste hoogfrequente magnetodielelektriciteit(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 is gemakkelijk op te rollen tot vellen en stroken van 0,05 - 1 mm en is een goedkoop materiaal. Silicium, dat zich in opgeloste toestand in het staal bevindt, heeft twee functies.

· Door de soortelijke weerstand van staal te vergroten, veroorzaakt silicium een ​​afname van dynamische verliezen die gepaard gaan met wervelstromen. De weerstand wordt verhoogd 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 zuiver ijzer gevormd, waarvan de groei van kristallen 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, bij te dragen aan de verbetering van de magnetische eigenschappen, de broosheid van staal sterk verhoogt en vermindert. mechanische eigenschappen.

6.3.2. Metalen harde magnetische materialen

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

Ze zijn onderverdeeld afhankelijk van de samenstelling, toestand en methode van verkrijgen in:

· gelegeerde martensitische staalsoorten;

· gegoten harde magnetische legeringen.

Gelegeerd martensitisch staal – dit gaat over koolstofstaal en staal, gelegeerdCr, 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 (H≈ 4800 Ben,BIJ Over 1 T), die zijn gemaakt in de vorm van staven met verschillende vormen secties. Kobaltstaal heeft een hogere dwangkracht (H≈ 12000 Ben,BIJ Over 1 T) vergeleken met wolfraam en chroom. dwangkracht H VAN kobaltstaal neemt toe met toenemende inhoud VAN over .

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

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

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

· Legering groep:

§ koper - nikkel - ijzer;

§ koper - nikkel - kobalt;

§ ijzer - mangaan, gedoteerdaluminium of titanium;

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

Een legering van koper-nikkel-ijzer heet kunife (VAN jij– Ni - Fe). Legering F e– Co – V (ijzer - kobalt - vanadium) heet wicala . De legeringen van deze groep hebben een dwingende kracht H Tot = 24 – 40 kA/m. Worden uitgegeven in de vorm van een draad en in vellen.

· Systeem legeringen 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 fabricagetechnologie, 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 voor het nummer komt, bijvoorbeeld UNDK15.

Legeringen hebben een hoge dwangkracht H Tot = 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. Dankzij de lage elektrische geleidbaarheid in combinatie met de hoge magnetische eigenschappen kunnen ferrieten op grote schaal worden gebruikt bij hoge frequenties.

Ferrieten zijn gemaakt van een poedermengsel bestaande uit ijzeroxide en speciaal geselecteerde oxiden van andere metalen. Ze worden geperst en vervolgens gesinterd bij 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 2 O 4

Ferrieten hebben een kubisch spinelachtig roosterMgOAl 2O3 - magnesiumaluminaat.Niet alle ferrieten zijn magnetisch. De aanwezigheid van magnetische eigenschappen hangt samen met de rangschikking van metaalionen in het kubische spinelrooster. Dus systeemZnFe 2 O 4 heeft geen ferromagnetische eigenschappen.

Ferrieten zijn gemaakt volgens: keramische technologie. De aanvankelijke metaaloxiden in poedervorm worden in kogelmolens gebroken, geperst en in ovens gebakken. De gesinterde briketten worden vermalen tot een fijn poeder, een weekmaker wordt toegevoegd, bijvoorbeeld een oplossing van polyvinylalcohol. Uit de resulterende massa worden ferrietproducten geperst - kernen, ringen, die in de lucht worden gebakken bij 1000 - 1400 ° C. De resulterende harde, broze 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 elektronische techniek en instrumentatie voor de vervaardiging van filters, transformatoren voor laag- en hoogfrequente versterkers, antennes voor radiozend- en radio-ontvangstapparatuur, pulstransformatoren en magnetische modulatoren. 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 dwangkracht is ongeveer 16 A/m.

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

Harde magnetische ferrieten

Voor de vervaardiging van permanente magneten worden harde magnetische ferrieten gebruikt; bariumferrieten (VAO 6 Fe 2 O 3 ). Ze hebben een hexagonale kristalstructuur met een groteH Tot . 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 poedervormige massa wordt blootgesteld aan een extern magnetisch veld van hoge intensiteit, dan 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. Magneto-diëlektrica

Magneto-diëlektrica - dit zijn composietmaterialen bestaande uit fijn verdeelde 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 zachte magnetische materialen.

Als diëlektrica worden polystyreen, bakelietharsen, vloeibaar glas, enz. gebruikt.

Het doel van het diëlektricum is niet alleen om de deeltjes van het magnetische materiaal te verbinden, maar ook om ze van elkaar te isoleren, en bijgevolg om de elektrische weerstand sterk te verhogen magneto-diëlektrisch. Specifieke elektrische weerstand:rmagnetodielelektriciteitis 10 3 – 10 4 ohm× m

Magneto-diëlektricagebruikt voor de vervaardiging van kernen van hoogfrequente componenten van radioapparatuur. Het productieproces van producten is eenvoudiger dan van ferrieten, want. ze vereisen geen warmtebehandeling bij hoge temperaturen. Producten van magnetodielelektriciteit worden gekenmerkt door hoge stabiliteit van magnetische eigenschappen, hoogwaardige oppervlakteafwerking en maatnauwkeurigheid.

De hoogste magnetische eigenschappen hebben magneto-diëlektrica gevuld met molybdeenpermalloy of carbonylijzer.

Talrijke experimenten geven aan dat alle stoffen die in een magnetisch veld worden geplaatst, gemagnetiseerd zijn en hun eigen magnetisch veld creëren, waarvan de actie wordt toegevoegd aan de actie 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. Het effect van een stof op een extern magnetisch veld wordt gekenmerkt door de hoeveelheid μ , Wat genoemd wordt als de magnetische permeabiliteit van een stof

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

• 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 zijn opgebouwd uit moleculen, moleculen zijn opgebouwd 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 co-directioneel zijn met het externe magnetische veld, of hun verzwakking als ze tegengesteld gericht zijn.
Hypothese over het bestaan ​​van magnetische velden in atomen en de mogelijkheid om het magnetische veld in de stof te veranderen is volledig in overeenstemming met de werkelijkheid. Allemaal stoffen door de inwerking van een extern magnetisch veld erop kan worden onderverdeeld in drie hoofdgroepen: diamagneten, paramagneten en ferromagneten.

diamanten zijn stoffen waarin het externe magnetische veld wordt verzwakt. Dit betekent dat de magnetische velden van atomen van dergelijke stoffen in een extern magnetisch veld tegengesteld zijn gericht 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 BIJ 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 cirkelstroom creëert zijn eigen magnetisch veld BIJ" . Dit is een magnetisch veld BIJ" tegengesteld aan het magnetische veld gericht BIJ. Daarom moet elke stof die vrij bewegende geladen deeltjes bevat diamagnetische eigenschappen hebben.
Hoewel de elektronen in de atomen van 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 zeer 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.

Overweeg de oorzaken van atomair magnetisme in meer detail:

Neem wat vaste stof. De magnetisatie is gerelateerd aan de magnetische eigenschappen van de deeltjes (moleculen en atomen) waaruit het is samengesteld. Overweeg welke circuits met stroom mogelijk zijn op microniveau. Het magnetisme van atomen is te wijten aan twee hoofdredenen:

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

Rijst. 2

2) eigen rotatie (spin) van elektronen ( spin magnetisch moment) (Figuur 2).

Voor de nieuwsgierigen. Het magnetische moment van de schakeling is gelijk aan het product van de stroomsterkte in de schakeling en het door de schakeling bestreken gebied. 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, worden de door hen gecreëerde magnetische veldinductievectoren (orbitale en spinmagnetische 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 ongecompenseerde 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 verschijnen 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 invloed van een extern veld. Als het veld van magnetisatiestromen op dezelfde manier is gericht als het externe veld, dan zal de inductie van het totale veld groter zijn dan het externe veld (Fig. 3, a) - in dit geval zeggen we dat de stof de veld; als het veld van magnetisatiestromen tegengesteld 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

BIJ diamanten Moleculen hebben geen eigen magnetisch veld. Onder invloed van een extern magnetisch veld in atomen en moleculen, is het veld van magnetisatiestromen tegengesteld 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 stof als gevolg van de oriëntatie van de atomaire magnetische velden in de richting van het externe magnetische veld, worden genoemd paramagneten(µ > 1).

Paramagneten het externe magnetische veld zeer zwak versterken. De magnetische permeabiliteit van paramagneten verschilt slechts een fractie van een procent van de 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 erg moeilijk te detecteren. Daarom worden in de gewone dagelijkse praktijk, in de technologie, paramagnetische en diamagnetische stoffen 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).

BIJ paramagneten moleculen hebben hun eigen magnetische veld. Bij afwezigheid van een extern magnetisch veld, als gevolg van thermische beweging, zijn de inductievectoren van de magnetische velden van atomen en moleculen willekeurig georiënteerd, dus hun gemiddelde magnetisatie is nul (figuur 4, a). Wanneer een extern magnetisch veld wordt toegepast op atomen en moleculen, begint er een krachtmoment in te werken, dat de neiging heeft ze te roteren zodat hun velden evenwijdig aan het externe veld zijn georiënteerd. De oriëntatie van paramagnetische moleculen leidt ertoe dat de stof gemagnetiseerd is (Fig. 4b).

Rijst. vier

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

Alle bovenstaande 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 ​​door 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 willekeurig bij afwezigheid van een extern magnetisch veld (Fig. 5).

Rijst. 5

Dus zelfs in de niet-gemagnetiseerde toestand zijn er sterke magnetische velden binnen 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 aanzienlijk groter zijn dan de afmetingen van individuele domeinen, dan is het gemiddelde magnetische veld dat door de domeinen van dit lichaam wordt gecreëerd praktisch afwezig.

Als we een ferromagneet in een extern magnetisch veld plaatsen B0 , dan beginnen de magnetische momenten van de domeinen zich te herschikken. Er is echter geen mechanische ruimtelijke rotatie van delen van materie. Het magnetisatie-omkeringsproces wordt geassocieerd met een verandering in de beweging van elektronen, maar niet met een verandering in de positie van atomen in de knopen kristalrooster. Domeinen die de meest gunstige 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 is in kristallijne toestand: ;

2) de magnetische eigenschappen van ferromagneten zijn sterk temperatuurafhankelijk, aangezien 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 heet Curiepunt . Dus voor puur ijzer is de Curie-temperatuur 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 is te wijten aan het feit dat aanvankelijk met toenemende B0 magnetische inductie B sterker wordt en daardoor μ zal toenemen. Dan, tegen de waarde van magnetische inductie B" 0 verzadiging optreedt (μ is op dit moment maximaal) en met een verdere toename B0 magnetische inductie B1 in de stof stopt met 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 gemagnetiseerd tot verzadiging (punt MAAR) (Fig. 8) en verminder dan de stroom in de solenoïde, en daarmee B0 , kan worden gezien 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 uit), 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 leiden, d.w.z. een extern magnetisch veld aanleggen met de tegenovergestelde richting van de inductievector. Verhoog nu de modulus van de inductie van dit veld tot Boc , demagnetiseer de staaf ( B = 0).

• module Boc inductie van een magnetisch veld dat een gemagnetiseerde ferromagneet demagnetiseert heet dwangkracht .

Rijst. acht

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

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

Dus tijdens magnetisatie en demagnetisatie van een ferromagneet, de inductie B achter B 0. Deze vertraging heet hysterese fenomeen . De curve getoond in figuur 8 heet 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 met hoge waarden remanente magnetisatie en dwangkracht, 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 kunnen gemakkelijk worden gemagnetiseerd en opnieuw worden gemagnetiseerd, zelfs in zwakke velden. Dergelijke materialen worden 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. toelage 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. toeslag voor de 11e klas. algemene educatie school uit het Russisch lang. opleiding / 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 inductievector van het magnetische veld 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 een magnetisch veld wordt gecreëerd in een bepaald medium of een bepaalde substantie, dan werkt het veld op de substantie in, en het verandert op zijn beurt het magnetische veld op een bepaalde manier.

Een stof in een extern magnetisch veld wordt gemagnetiseerd en er ontstaat een extra intern magnetisch veld. Het wordt geassocieerd met de beweging van elektronen langs intra-atomaire banen, evenals rond hun eigen as. De beweging van elektronen en kernen van atomen kan worden beschouwd als elementaire cirkelstromen.

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 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 ]=H/m.

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

De verhouding van de absolute magnetische permeabiliteit tot de magnetische constante wordt genoemd relatieve magnetische permeabiliteit:μ c /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 is de basis om alle materialen en media in drie groepen te verdelen.

Diamagneten . Deze stoffen hebben< 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 in de elektrotechniek een grote rol spelen. Deze stoffen hebben μ >> 1. Deze omvatten 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 hebben van spontane magnetisatie (domeinen), waarbinnen de elementaire magnetische momenten op dezelfde manier worden gericht. 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.

Deze belangrijk kenmerk in de praktijk gebruikt, met behulp van ferromagnetische kernen in spoelen, wat het mogelijk maakt om de magnetische inductie en magnetische flux sterk te verhogen 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 de belangrijkste vectorgrootheid karakteriseren van de magnetische eigenschappen van een stof. Aangezien de bron van magnetisme een gesloten stroom is, is de waarde van het magnetische moment M gedefinieerd als het product van de huidige sterkte l naar het gebied dat door het stroomcircuit wordt bestreken S:

M = I×S A × m2 .

De elektronenschillen van atomen en moleculen hebben magnetische momenten. Elektronen en andere elementaire deeltjes hebben een magnetisch spinmoment dat wordt bepaald door het bestaan ​​van hun eigen mechanische moment - spin. Het spinmagneetmoment van een elektron kan zodanig in een extern magneetveld worden georiënteerd dat er slechts twee gelijke en tegengesteld gerichte projecties van het moment op de richting van de magneetveldvector mogelijk zijn, gelijk aan Bohr magneton- 9,274 × 10 -24 A × 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 van magnetische gevoeligheid tot 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 is 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 verhouding van inductie in het medium BIJ aan de sterkte van het externe magnetische veld H en naar de magnetische constante μ 0 :

Magnetische permeabiliteit is een dimensieloze grootheid. De waarde 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), worden 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 ≈ 1(het materiaal reageert zwak op een magnetisch veld, hoewel de magnetische structuur vergelijkbaar is met ferrimagnetten).

1. Beschrijf de aard van diamagnetisme.

Diamagnetisme is de eigenschap van een stof om te 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, waterstof = - 2×10 -9 m3/kg.

Water, = - 0,7×10 -9 m3/kg.

Diamant, = - 0,5×10 -9 m3/kg.

Grafiet, = - 3×10 -9 m3/kg.

Koper = - 0,09×10 -9 m3/kg.

Zink, = - 0,17×10 -9 m3/kg.

Zilver = - 0,18×10 -9 m3/kg.

Goud, = - 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 krijgen 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 (vanwege thermische beweging) en is het totale magnetische moment van de stof nul. Wanneer een extern veld wordt aangelegd, treedt de gedeeltelijke oriëntatie van de magnetische momenten van de deeltjes in de richting van het veld op 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 versterkt. Voorbeelden van paramagneten:

Zuurstof, zuurstof = 108×10 -9 m 3 /kg.

Titanium = 3×10 -9 m3/kg.

aluminium, aluminium = 0,6×10 -9 m3/kg.

Platina, = 0,97×10 -9 m 3 /kg.

44. Beschrijf de aard van ferromagnetisme.

Ferromagnetisme is een magnetisch geordende toestand van materie, waarin alle magnetische momenten van atomen in een bepaald volume materie (domein) evenwijdig zijn, wat de spontane magnetisatie van het domein veroorzaakt. Het verschijnen van magnetische orde wordt geassocieerd met de uitwisselingsinteractie van elektronen, die van elektrostatische aard is (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 beschouwde materie over het algemeen een zwakke of nulmagnetisatie hebben. Wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd, zijn de magnetische momenten van de domeinen meer langs het veld georiënteerd, hoe hoger de veldsterkte. In dit geval verandert de waarde van de magnetische permeabiliteit van de ferromagneet en neemt de inductie in de stof 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 zich vormen in een bepaald volume van materie (domein) magnetische subroosters van atomen of ionen met totale magnetische momenten die niet gelijk aan elkaar zijn en antiparallel gericht. 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 ferrimagnetten omvat noodzakelijkerwijs atomen van ferromagneten. Voorbeelden van ferrimagneten:

Fe304; MgFe2O4; CuFe204; MnFe204; NiFe204; CoFe2O4 …

De magnetische permeabiliteit van ferrimagnetten 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 stof, gekenmerkt door het feit dat de magnetische momenten van naburige deeltjes van de stof antiparallel zijn georiënteerd, en bij afwezigheid van een extern magnetisch veld, is de totale magnetisatie van de stof nul. Een antiferromagneet in relatie tot de magnetische structuur kan worden beschouwd als: speciaal geval een ferrimagnet 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:

Cr203; mangaan; FeSi; Fe203; NIO………… μ ≈ 1.

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

Supergeleiders onder de superovergangstemperatuur zijn ideale diamagneten:

א= - 1; μ = 0.