Содержание

Что такое намагниченность
НАМАГНИ́ЧЕННОСТЬ
Намагниченность. Гиромагнитный эффект и магнитный резонанс
Природа магнитной поляризации
Намагниченность
💡 Видео

Что такое намагниченность

Намагниченность — это термин, используемый для описания магнитного поля, устанавливающегося в веществе вследствие его поляризации. Это поле возникает под влиянием приложенного внешнего магнитного поля и объясняется двумя эффектами. Первый из них состоит в поляризуемости атомов или молекул, его называют эффектом Ленца. Второй — это эффект поляризации при упорядочении ориентаций магнетонов (единица элементарного магнитного момента).

Намагниченность характеризуется следующими свойствами:

1. При отсутствии внешнего магнитного поля или какой-либо иной силы, упорядочивающей ориентации магнетонов, намагниченность вещества равна нулю.

2. При наличии внешнего магнитного поля намагниченность зависит от напряженности этого поля.

3. У диамагнитных веществ намагниченность имеет отрицательное значение, у других веществ она положительна.

4. У диамагнитных и парамагнитных веществ намагниченность пропорциональна приложенной намагничивающей силе.

5. У других веществ намагниченность является некоторой функцией приложенной силы, действующей согласованно с локальными силами, упорядочивающими ориентации магнетонов.

Намагниченность ферромагнитного вещества представляет собой сложную функцию, которую можно с наибольшей точностью описать при помощи петли гистерезиса.

6. Намагниченность любого вещества можно представить в виде величины магнитного момента на единицу объема.

Явление магнитного гистерезиса представляется графически в виде кривой, которая изображает зависимость между напряженностью приложенного внешнего магнитного поля Н и результирующей магнитной индукцией В.

Для однородных веществ эти кривые всегда симметричны относительно центра графика, хотя они сильно различаются по форме для разных ферромагнитных веществ. Каждая конкретная кривая отражает все возможные устойчивые состояния, в которых могут находиться магнетоны данного вещества в присутствии или при отсутствии приложенного внешнего магнитного поля.

Намагниченность веществ зависит от предыстории их намагничивания: 1 — остаточная намагниченность; 2 — коэрцитивная сила; 3 — смещение рабочей точки.

На рисунке выше показаны различные характеристики петли гистерезиса, которые определяются следующим образом.

Остаточная намагниченность выражается магнитной силой, требующейся для возвращения доменов к исходным условиям нулевого равновесия после того, как это равновесие было нарушено приложенным извне насыщающим полем. Эта характеристика определяется точкой пересечения петлей гистерезиса оси В (что соответствует значению Н = 0).

Коэрцитивная сила — это остаточная напряженность внешнего поля в веществе после снятия приложенного внешнего магнитного поля. Эта характеристика определяется точкой пересечения петлей гистерезиса оси Н (что соответствует значению Н = 0). Индукция насыщения соответствует максимальному значению индукции В, которое может существовать в веществе независимо от намагничивающей силы Н.

На самом деле плотность потока продолжает возрастать и после точки насыщения, но для большинства целей его увеличение является уже несущественным. Поскольку в этой области намагниченность вещества не приводит к усилению результирующего поля, магнитная проницаемость падает до очень малых значений.

Дифференциальная магнитная проницаемость выражает наклон кривой в каждой точке петли гистерезиса. Контур петли гистерезиса показывает характер изменения плотности магнитного потока в веществе при циклическом изменении внешнего магнитного поля, приложенного к этому веществу.

Если приложенное поле обеспечивает достижение состояний и положительного, и отрицательного насыщения плотности потока, то результирующая кривая называется основной петлей гистерезиса. Если же плотность потока не достигает обоих экстремумов, то кривая называется вспомогательной петлей гистерезиса.

Форма последней зависит как от напряженности циклического внешнего поля, так и от конкретного расположения вспомогательной петли по отношению к основной. Если центр вспомогательной петли не совпадает с центром основной петли, то соответствующая разность намагничивающих сил выражается величиной, называемой магнитным смещением рабочей точки.

Магнитная проницаемость возврата — это значение наклона вспомогательной петли в окрестности рабочей точки.

Эффект Баркгаузена заключается в последовательности малых «скачков» намагниченности, возникающей при непрерывном изменении намагничивающей силы. Это явление наблюдается только в средней части петли гистерезиса.

Видео:Лекция 3 Виды намагниченности (2021)Скачать

НАМАГНИ́ЧЕННОСТЬ

В книжной версии

Том 21. Москва, 2012, стр. 729

Скопировать библиографическую ссылку:

НАМАГНИ́ЧЕННОСТЬ, векторная физич. величина $boldsymbol M$ , характеризующая магнитное состояние макроскопич. тела; определяется как магнитный момент единицы объёма тела: $boldsymbol M=boldsymbol I/V$ ($boldsymbol I$ – магнитный момент, $V$ – объём тела). Предел $boldsymbol M=dboldsymbol I/dV$ ($dboldsymbol I$ – магнитный момент бесконечно малого объёма $dV$ ) называют намагниченностью среды в точке. H. однородна в пределах рассматриваемого объёма, если в каждой его точке вектор $boldsymbol M$ имеет одни и те же величину и направление. H. вещества зависит от величины магнитного поля и темп-ры, и эти зависимости различны для разл. типов магнитных материалов (см. Диамагнетизм , Парамагнетизм , Ферромагнетизм ). Зависимость $boldsymbol M$ от величины напряжённости внешнего магнитного поля $H$ выражается кривой намагничивания (см. Намагничивание , Гистерезис ). H. тела зависит от величины $H$ , магнитных свойств вещества, формы тела и его расположения во внешнем магнитном поле. Между напряжённостью магнитного поля в веществе $H_$ и внешним магнитным полем $H$ существует соотношение: $H_=H-NM$ , где $N$ – размагничивающий фактор . В изотропных веществах направление $boldsymbol M$ совпадает с направлением $boldsymbol H$ , в анизотропных – направления $boldsymbol M$ и $boldsymbol H$ в общем случае различны.

Видео:Урок 289. Магнитное поле в веществе. Магнитная проницаемость. Диа-, пара- и ферромагнетикиСкачать

Намагниченность. Гиромагнитный эффект и магнитный резонанс

Многие вещества способны оказывать существенное влияние на магнитное поле. Особенно сильно влияют тела ферромагнитные – подобные железу по своим магнитным свойствам,также они могут являться и самостоятельным источником магнитного поля(аналогично сегнето-электрикам).

Как и в случае диэлектриков, можно считать, что влияние вещества сводится только к появлению дополнительного поля, в данном случае магнитного поля, обусловленного наличием момента у частиц, входящих в состав вещества.

Видео:Магнитный гистерезисСкачать

Природа магнитной поляризации

Магнитный момент или электрокинетический момент (К = р_м) является такой же основной характеристикой частицы, как и механический момент р_φ (момент импульса). Эти две кинетические величины дополняют скалярные характеристики частицы: ее заряд q и массу m.

Естественно, что орбитальное движение электрона сопряжено с существованием магнитного момента. Действительно, движение электрона по орбите подобно контуру тока. Однако механическим и магнитным моментом обладают и сами частицы – этот момент, соответствующий как бы вращению частиц вокруг собственной оси, называют спином или спиновым моментом (от английского spin — вращение). Опыт Эйнштейна-де Гааза и прочие опыты с гиромагнитными эффектами подтверждает представление об электрокинетической природе моментов вещества. Эти опыты также показывают, что в случае ферромагнетиков основную роль играют спиновые моменты.

Гиромагнитные эффекты основываются на том, что при повороте магнитного момента под воздействием магнитного поля одновременно поворачивается и момент механический (момент импульса). Поэтому, например, в опыте Эйнштейна де Гааза при намагничивании образца изменение момента частиц компенсируется поворотом всего образца (в соответствии с законом сохранения момента импульса).

Очень интересным гиромагнитным эффектом является магнитный резонанс. Этот эффект находит ряд практических применений. Для того, чтобы понять этот эффект, следует ясно представить себе прецесионное движение волчка или гироскопа, которое в отсутствии трения происходит в соответствии с законом: скорость изменения момента импульса равна вращающему моменту:

Представим себе теперь в магнитном поле В₀ (рисунок ниже) частицу с магнитным моментом р_м и с механическим моментом р_φ. Момент р_м ориентирован по полю (как стрелка компаса), а момент р_φ – в противоположную сторону, если момент создается частицей с отрицательным электрическим зарядом (электрон). Такая ориентация соответствует состоянию равновесия. Пусть теперь возникло добавочное поле +ΔВ, перпендикулярное В₀; тогда изменяется направление равновесия (новое направление В₀ +ΔВ = В₁) на частицу действует вращающий момент Т = [p_мВ₁].

Вместо того, чтобы приблизить p_м к направлению В₁, этот момент поворачивает ось частицы по нормали к p_мВ₁. В результате ось частицы начинает описывать конус вокруг В₁ (рисунок выше). Благодаря наличию трения конец вектора p_м движется не по окружности, а по спирали и направление p_м и В₁ постепенно сближаются. Но если в момент наибольшего удаления вектора p_м от направления В₀ изменить знак дополнительного поля ΔВ, то направление равновесия изменится, оказываясь равным В₂ = В₀ – ΔВ. Вектор p_м теперь будет описывать новый конус вокруг нового направления равновесия.

Если изменение поля происходит именно с такой частотой, то удается сильно раскрутить частицы. Описанное явление и носит название гиромагнитного резонанса. Оно приводит к многим интересным эффектам, например к появлению пульсирующего магнитного момента в направлении перпендикулярном к плоскости В₀, ±ΔВ.

Резонансная частота ω₀ и постоянное магнитное поле В₀ связаны между собой уравнением (в Гауссовой системе):

Где e/m – отношение заряда электрона к его массе.

Видео:1.2 Материальные уравнения, векторы поляризованности и намагниченности средСкачать

Намагниченность

Мерой магнитного состояния вещества служит намагниченность М, которая определяется как плотность магнитного момента Кили как магнитный момент, отнесенный к единице объема:

Намагниченность измеряется в амперах на сантиметр (А/см).

Определение намагниченности подобно определению электрической поляризованности. Как и в случае электрического поля, смысл перехода к пределу в формуле (3) носит условный характер.

Намагничение ферромагнетиков (ферромагнитных тел) отличается рядом существенных особенностей. Они вызваны прежде всего тем, что даже при условии отсутствия внешнего поля и при отсутствии средней намагниченности ферромагнитные тела состоят из ряда маленьких областей, внутри которых неуравновешенные спиновые моменты соседних атомов ориентированы параллельно. Эти области оказываются самопроизвольно (спонтанно) намагниченными. В каждой из этих областей намагниченность близка к предельно возможной, или, как говорят, к намагниченности насыщения М_в (равной примерно 16000 А/см).

В соседних областях намагниченность может быть ориентирована по-разному (рисунок ниже).

На рисунке показано постепенное изменение ориентации спинов при переходе из одной области в другую, при том, что в соседних областях спины ориентированы прямопротивоположно. Для представления о порядке величин скажем, что по ширине области одинаковой намагниченности может располагаться несколько миллионов атомов, а в пограничной зоне располагается в ряд около тысячи атомов. Считаясь с фактором существования таких областей, среднюю намагниченность в объеме V удобно представлять равенством:

Где V_i – объем i-й области, в которой намагниченность имеет значение М_i. М_ср = 0 в размагниченном ферромагнетике, при том, что в каждой из областей:

Под влиянием внешнего поля средняя намагниченность ферромагнетика возрастает, в простейшем случае изотропного тела она оказывается направленной параллельно внешнему полю.

При намагничении ферромагнетика могут наблюдаться три разных процесса.

Первый процесс – это процесс смещения границ между соседними областями, приводящий к росту объема областей, имеющих слагающую намагниченность, ориентированную по полю. В результате этого процесса растет М_ср за счет перераспределения объемов V_i.

Второй процесс называют процессом вращения, он заключается в поворачивании векторов самопроизвольной намагниченности, приближающем их направление к направлению внешнего поля.

Третий процесс заключается в незначительном увеличении магнитного момента внутри областей под влиянием внешнего поля.

На рисунке ниже схематически показаны процессы смещения границ и процессы вращения, В₀ – индукция внешнего поля.

Существование областей самопроизвольной намагниченности обнаруживается экспериментальным путем посредством образования порошковых узоров (фигур) на границах областей – выходящее за пределы тела неоднородное поле создает силы, притягивающие мелкие частицы ферромагнитного порошка.

На рисунке ниже приведены фотографии порошковых фигур.

Последовательное фотографирование при изменении внешнего поля позволяет кинематографически наблюдать движение границ между областями при намагничении тела.