Свойства ферромагнетиков

Магнитные свойства вещества.

Цель урока: сформировать представление о том, что магнитные поля образуются не только электрическим током, но и постоянными магнитами; рассмотреть область применения постоянных магнитов. Наша планета – большой магнит!!!

Ход урока

Магнитная проницаемость

Физическая величина, показывающая, во сколько раз индук­ция магнитного поля в одной среде больше или меньше индукции маг­нитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью µ..

Вещество, создающее собственное магнитное поле, называетсянамагниченным. Намагниченность возникает при помещении вещества во внешнее магнитное поле.

Гипотеза Ампера: магнитные свойства тела определяются микроскопическими электрическими токами (орбитальное движение электронов в атомах, наличие у электрона собственного магнитного момента, имеющего квантовую природу) внутри вещества. Если направления этих токов неупорядочены, порождаемые ими магнитные поля компенсируют друг друга, т.е. тело не намагничено. Во внешнем магнитном поле происходит упорядочение этих токов, вследствие чего в веществе и возникает "собственное" магнитное поле (намагниченность).

Магнитные свойства вещества

Диамагнетики — µ чуть <1. µвисмута=0,9998 (свинец, цинк, азот и др.).

Парамагнетики — µ чуть>1. µалюминия=1,000023 (кислород, ни­кель и др.).

Для пара- и диамагнетиков намагниченность I прямо пропорциональна индук­ции B0 магнитного поля в вакууме.

3. Ферромагнетики— µ >>1. µстали = 8.103 (железо, никель, кобальт и их сплавы). Сплав железа с никелем: µ =2,5.105.

Свойства ферромагнетиков

Обладают остаточным магнетизмом.

µ зависит от индукции внешнего магнитного поля.

Температура, при которой исчезают ферромагнитные свой­ства, называется точкой Кюри (вещество становится парамагнетиком; точка Кюри для железа равна 7700С, для никеля 3600С).

Для характеристики явления намагничивания вещества вводится величина Iназываемая намагниченностью вещества. Намагниченность в СИ определяется формулой

Для ферромагнитных тел намагниченность Iявляется сложной нелинейной функцией B0. Зависимость I от величины Во/µ0 называется кривой на­магниченности (рис.2). Кривая указывает на явление магнитного насыщения: начиная с некоторого значения Во/µ0= В0н/µ0, намагниченность практически остается постоянной, равной Iн(намагниченность насыщения).

Магнитным гистерезисом (От греческого «hysteresis» — отставание следствия от его причины) ферромагнетика называется отставание измене­ния величины намагниченности ферромагнитного вещества от изменения внешнего магнитного поля, в котором находится вещество. Важнейшей причиной магнитного гистерезиса является характерная для ферромагнетика зависимость его магнитных характеристик (µ, I) не только от состояния вещества в данный момент, но и от значений величин µ и I в предыдущие моменты времени. Таким образом, суще­ствует зависимость магнитных свойств от предшествующей намагниченности вещества.

Петлей гистерезиса называется кривая зависимости изменения величины намагниченности ферромагнитного тела, помещенного во внешнее магнитное поле, от изменения индукции этого поля от + Во/µ0 до - Во/µ0 и обратно. Значение + Во/µ0 соответствует намагниченности насыщения Iн. Для того чтобы полностью размагнитить ферромагнитное тело, необходимо изменить на­правление внешнего поля. При некотором зна­чении магнитной индукции - В0к, которой соот­ветствует величина В0к/µ0, называемая коэрцитивной(задерживающей) силoй, намагничен­ность I тела станет равной нулю.

Коэрцитивная сила и форма петли гистерезиса характеризуют свойство ферромагнетика сохранять остаточное намагничивание и определяют использование ферромагнетиков для различных целей. Ферромагнетики с широкой петлей гистерезиса называются жесткими магнитными материалами (углеродистые, воль­фрамовые, хромовые, алюминиево-никелевые и другие стали). Они обладают большой коэрцитивной силой и используются для создания постоянных магнитов различной формы (полосовых,подковообразных, магнитных стрелок). К мягким магнитным материалам,обладающим малой коэрцитивной силой и узкой петлей гистерезиса, относятся железо, сплавы железа с никелем. Эти материалы исполь­зуются для изготовления сердечников трансформаторов, генераторов и других устройств, по условиям работы которых происходит перемагничивание в пере­менных магнитных петлях. Перемагничивание ферромагнетика связано с поворотом областей самопроизвольного намагничивания. Работа, необходимая для это­го, совершается за счет энергии внешнего магнитного поля. Количество теплоты, выделяющейся при перемагничивании, пропорционально площади петли гистерезиса.

При температурах меньших точки Кюри любое ферромагнитное тело состоит из доменов — малых областей с линейными размерами порядка 10-2 -10-3 см, внутри которых существует наибольшая величина намагниченности, равная намагниченности насыщения. Домены называются иначе областями самопроиз­вольной намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного поля векторы магнитных моментов от­дельных доменов ориентированы внутри ферромагнетика совершенно беспорядоч­но, так что суммарный магнитный момент всего тела равен нулю (рис.). Под влиянием внешнего магнитного поля в ферромагнетиках происходит поворот вдоль поля магнитных моментов не отдельных атомов или молекул, как в парамагнетиках, а целых областей самопроизвольной намагниченности - доменов. При увеличении внешнего поля размеры доменов, намагниченных вдоль внешнего поля, растут за счет уменьшения размеров доменов с другими (не совпадающими с направлением внешнего поля) ориентациями. При достаточно сильном внешнем магнитном поле все ферромагнитное тело оказывается намагниченным. Величина намагничен­ности достигает максимального значения - наступает магнитное насыщение. В отсутствие внешнего поля часть магнитных моментов до­менов остается ориентированной, и этим объясняется существование остаточной намагниченности и возможность создания постоянных магнитов.

Применение ферромагнетиков в технике. Роторы генераторов и электродвигателей; сердечники трансформаторов, электромагнитных реле; в электронно-вычислительных машинах (ЭВМ), телефонах, магнитофонах, на магнитных лентах.

Вариант – 1

 

№ 1. На проводник длиной 0,3 м при токе 0,5 А действует со стороны магнитного поля максимальная сила 10 мН. Найти индукцию магнитного поля.

 

Решение. F= IBΔL; B= F/I ΔL; F= 0.067 Тл

 

№ 2. Протон движется со скоростью 106м/с перпендикулярно к линиям индукции однородного магнитного поля с индукцией 1 Тл. Вычислите силу, действующую на протон и радиус окружности, по которой протон вращается.

 

Решение. FЛ= q I Bsin α; α= 90˚; sin90˚= 1; FЛ= q I B; FЛ= 1,6 ·10-13H

 

R= mV/Bq; R= 1cм

 

Вариант -2

 

№ 1. Электрон движется в однородном магнитном поле с магнитной индукцией 2 ·10-2 Тл со скоростью 5 Мм/с перпендикулярно, линиям индукции. Вычислить радиус окружности, по которой движется электрон

 

Решение. r=mV/q B; r= 14,2·10-4м = 1,42мм

 

№ 2. При перемещении на расстояние 20 см проводника длиной 2 м, по которому течет ток 10 А магнитное поле совершает работу. Индукция однородного магнитного поля – 0,015 Тл. Перемещение происходит в направлении действия сил. Проводник размещен под углом 30˚к направлению линий магнитной индукции. Найти работу магнитного поля.

 

Решение. A= FS, F= BI ΔL sinα; A= BI ΔLsinα ·S; A= 3·10-2 Дж

 

Изучение нового материала

 

1. Намагничивание вещества.

 

Постоянные магниты можно изготовить из Fe, Co, Ni и из сплавов с этими металлами.

 

Все вещества, помещенные в МП – намагничиваются.

 

2. Гипотеза Ампера

 

 

 

Согласно гипотезе Ампера внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи. Циркулирующие токи расположены беспорядочно, поэтому их действия взаимно компенсируются и тело не обнаруживает магнитных свойств.

 

В намагниченном состоянии элементарные токи обладают преимущественной ориентацией и их магнитные действия складываются.

 

В настоящее время известно, что эти токи образуются в результате движения электронов в атомах.

 

Температура Кюри. Температура, при которой, исчезают магнитные свойства у ферромагнетиков, называют температурой Кюри.

 

TK= 753˚C – для железа; ТК= 365˚С – для никеля; ТК= 1000˚С – для кобальта

 

Ферромагнетики и их применение. Ферромагнетики имеют наибольшее практическое применение. Железный сердечник в катушке во много раз усиливает создаваемое ею магнитное поле, без увеличения силы тока.

 

Постоянные магниты изготавливают из материалов, у которых упорядоченная ориентация элементарных токов не пропадает при выключении внешнего магнитного поля.

 

Магнитная запись информации. Сообщение делает один из учащихся, подготовивший этот материал.

 

Закрепление изученного материала.

 

-Какие тела относят к ферромагнетикам?

 

-Где используют ферромагнетики?

 

- Как производят запись информации в ЭВМ?