Магнитная проницаемость. Магнитные свойства веществ

Магнитная проницаемость различна для разных сред и зависит от ее свойств, поэтому принято говорить о магнитной проницаемости конкретной среды (имея вввиду ее состав, состояние, температуру и т. д.).

В случае однородной изотропной среды магнитная проницаемость μ:

μ = В/(μ o Н),

В анизотропных кристаллах магнитная проницаемость - тензор.

Большинство веществ по значению магнитной проницаемости делятся на три класа:

• диамагнетики (μ < 1 ),
• парамагнетики (μ > 1 )
• ферромагнетики (обладающие более выраженными магнитными свойствами, например железо).

Магнитная проницаемость сверхпроводников равна нулю.

Абсолютная магнитная проницаемость воздуха приблизительно равна магнитной проницаемости вакуума и в технических расчетах принимается равной 4π · 10 -7 Гн/м

μ = 1 + χ (в единицах СИ);

μ = 1 + 4πχ (в единицах СГС).

Магнитная проницаемость физического вакуума μ =1, так как χ=0.

Магнитная проницаемость показывает, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость данного материала больше магнитной постоянной, т.е., во сколько раз магнитное поле макротоков Н усиливается за счет поля микротоков среды. Магнитная проницаемость воздуха и большинства веществ, за исключением ферромагнитных материалов, близка к единице.

В технике используется несколько видов магнитной проницаемости в зависимости от конкретных применений магнитного материала. Относительная магнитная проницаемость показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между проводами с током изменяется по сравнению с вакуумом. Численно равна отношению абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной. Абсолютная магнитная проницаемость равна произведению магнитной проницаемости на магнитную постоянную.

У диамагнетиков χμχ>0 и μ > 1. В зависимости от того, измеряется ли μ ферромагнетиков в статическом или переменном магнитном поле, ее называют соответственно статической или динамической магнитной проницаемостью.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков сложным образом зависит от Н . Из кривой намагничивания ферромагнетика можно построить зависимость магнитной проницаемости от Н.

Магнитную проницаемость, определенную по формуле:

μ = В/(μ o Н),

называют статической магнитной проницаемостью.

Она пропорциональна тангенсу угла наклона секущей, проведенной из начала координат через соответствующую точку на основной кривой намагничивания. Предельное значение магнитной проницаемости μ н при напряженности магнитного поля, стремящейся к нулю, называют начальной магнитной проницаемостью. Эта характеристика имеет важнейшее значение при техническом использовании многих магнитных материалов. Экспериментально ее определяют в слабых магнитных полях с напряженностью порядка 0, 1 А/м.

§ 40. Намагничивание стали. Магнитная проницаемость

Для усиления магнитного поля и придания ему определенной формы в различных электрических машинах и аппаратах широко применяют ферромагнитные материалы: железо, кобальт, никель и их сплавы - сталь и др.
Если ферромагнитный материал поместить в катушку и пропустить по ее виткам электрический ток, то под воздействием магнитного поля, созданного током, материал намагнитится. Это значит, что в материале образуется собственное магнитное поле, полученное в результате сложения магнитных полей (магнитных моментов) отдельных атомов.
Изменение силы тока в катушке приводит к изменению напряженности ее магнитного поля H , что вызывает изменение магнитной индукции В в сердечнике этой катушки.
На рис. 36 показаны графики изменения магнитной индукции в зависимости от напряженности намагничивающего магнитного поля. Такие графики называются кривыми намагничивания. Для различных материалов и их марок кривые намагничивания различны. При небольших значениях напряженности поля Н магнитная индукция в материале быстро увеличивается, намагничивание происходит примерно пропорционально изменению напряженности, а затем, по мере увеличения напряженности магнитного поля, возрастание магнитной индукции материала замедляется.

Состояние материала, при котором дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля не приводит к возрастанию его намагниченности, называется магнитным насыщением .
Магнитные свойства материалов характеризуются их абсолютной магнитной проницаемостью μ а. Она определяется отношением магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н и измеряется в генри/метр (гн/м )

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума μ а = 4π · 10 -7 гн/м . Для воздуха и других неферромагнитных материалов она незначительно отличается от μ а и при технических расчетах принимается равной 4π · 10 -7 гн/м .
Так как абсолютная магнитная проницаемость для вакуума и указанных выше материалов практически одинакова, то μ а называется магнитной постоянной μ 0 .
Абсолютная магнитная проницаемость μ а ферромагнитных материалов непостоянна и во много раз превышает магнитную проницаемость вакуума.
Число, показывающее, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость μ а ферромагнитного материала больше магнитной постоянной μ 0 , называется относительной магнитной проницаемостью μ или сокращенно магнитной проницаемостью (табл. 5).

Пример. Сталь в определенных условиях обладает абсолютной магнитной проницаемостью (μ а = 0,0008792 гн/м . Вычислить относительную магнитную проницаемость μ этой стали.
Решение . Магнитная постоянная μ 0 = 4π · 10 -7 гн/м , тогда относительная магнитная проницаемость

Как видно из кривых намагничивания (см. рис. 36), способность материалов намагничиваться - их магнитная проницаемость - в слабых магнитных полях велика, а затем с ростом индукции постепенно уменьшается.
Следовательно, магнитная проницаемость ферромагнитных материалов - величина изменяющаяся, зависящая от степени их намагничивания.

Таблица 5

Наибольшая относительная магнитная проницаемость некоторых материалов

При одной и той же напряженности магнитного поля магнитная индукция в стали больше, чем в чугуне. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость стали больше магнитной проницаемости чугуна.
Магнитная индукция прямо пропорциональна напряженности поля H и абсолютной магнитной проницаемости μ а намагничиваемого материала.

Из многолетней технической практики нам известно, что индуктивность катушки сильно зависит от характеристик среды, где эта катушка находится. Если в катушку из медной проволоки, обладающую известной индуктивностью L0, добавить ферромагнитный сердечник, то при прочих прежних обстоятельствах токи самоиндукции (экстратоки замыкания и размыкания) в данной катушке многократно увеличатся, эксперимент это подтвердит, что и будет означать возросшую в несколько раз , которая теперь станет равна L.

Экспериментальное наблюдение

Допустим, что окружающая среда, вещество, заполняющее пространство внутри и вокруг описанной катушки, однородно, и порождаемое текущим по ее проводу током, локализовано только в этой обозначенной области, не выходя за ее границы.

Если катушка имеет тороидальную форму, форму замкнутого кольца, то данная среда вместе с полем окажется сосредоточена только внутри объема катушки, ибо снаружи тороида практически полностью магнитное поле отсутствует. Справедливо данное положение и для длинной катушки - соленоида, у которого все магнитные линии так же сосредоточены внутри - по оси.

Для примера допустим, что индуктивность некоторого контура или катушки без сердечника в вакууме равна L0. Тогда для такой же катушки, но уже в однородном веществе, которое заполняет пространство, где присутствуют магнитные силовые линии данной катушки, индуктивность пусть будет равна L. В этом случае получится, что отношение L/L0 – это есть ни что иное, как относительная магнитная проницаемость названного вещества (иногда говорят просто «магнитная проницаемость»).

Становится очевидно: магнитная проницаемость - это величина, которая характеризует магнитные свойства данного вещества. Она зачастую зависит от состояния вещества (и от условий окружающей среды, таких как например температура и давление) и от его рода.

Понимание термина

Введение термина «магнитная проницаемость», применительно к веществу, размещенному в поле магнитном, аналогично введению термина «диэлектрическая проницаемость» для вещества находящегося в поле электрическом.

Значение магнитной проницаемости, определяемое по приведенной выше формуле L/L0, может быть выражена и как отношение абсолютных магнитных проницаемостей данного вещества и абсолютной пустоты (вакуума).

Легко заметить: магнитная проницаемость относительная (она же - магнитная проницаемость) - это величина безразмерная. А вот абсолютная магнитная проницаемость - имеет размерность Гн/м, ту же самую, что у магнитной проницаемости (абсолютной!) вакуума (она же - магнитная постоянная).

Фактически видим, что среда (магнетик) влияет на индуктивность контура, и это однозначно свидетельствует о том, что изменение среды приводит к изменению магнитного потока Ф, пронизывающего контур, а значит и к изменению индукции В, применительно к любой точке магнитного поля.

Физический смысл данного наблюдения заключается в том, что при одном и том же токе катушки (при одной и той же магнитной напряженности H), индукция ее магнитного поля окажется в определенное количество раз больше (в некоторых случаях - меньше) в веществе с магнитной проницаемостью мю, чем в полном вакууме.

Это происходит потому, что , и сама начинает обладать магнитным полем. Вещества, способные таким образом намагничиваться, называют магнетиками.

Единица измерения абсолютной магнитной проницаемости - 1 Гн/м (генри на метр или ньютон на ампер в квадрате), то есть это магнитная проницаемость такой среды, где при напряженности Н магнитного поля, равной 1 А/м - возникает магнитная индукция величиной 1 Тл.

Физическая картина явления

Из вышеизложенного становится ясно, что различные вещества (магнетики) под действием магнитного поля контура с током намагничиваются, и в результате получается магнитное поле, являющееся суммой магнитных полей - магнитного поля от намагниченной среды плюс от контура с током, потому оно отличается по величине от поля только контура с током без среды. Причина намагничивания магнетиков кроется в существовании мельчайших токов внутри каждого их атома.

По значению магнитной проницаемости, вещества классифицируются на диамагнетики (меньше единицы - намагничиваются против приложенного поля), парамагнетики (больше единицы - намагничиваются по направлению приложенного поля) и ферромагнетики (сильно больше единицы - намагничиваются, и обладают намагниченностью после отключения приложенного магнитного поля).

Ферромагнетикам свойственен , поэтому понятие «магнитная проницаемость» в чистом виде к ферромагнетикам не применимо, но в некотором диапазоне намагничивания, в некотором приближении, можно выделить линейный участок кривой намагничивания, для которого получится оценить магнитную проницаемость.

У сверхпроводников магнитная проницаемость - 0 (поскольку магнитное поле полностью вытесняется из их объема), а абсолютная магнитная проницаемость воздуха почти равна мю вакуума (читай магнитной постоянной). У воздуха мю относительная чуть-чуть больше 1.

Если в описанных выше опытах вместо сердечника из железа брать сердечники из других материалов, то также можно обнаружить изменение магнитного потока. Естественнее всего ждать, что наиболее заметный эффект дадут материалы, подобные по своим магнитным свойствам железу, т. е. никель, кобальт и некоторые магнитные сплавы. Действительно, при введении в катушку сердечника из этих материалов увеличение магнитного потока оказывается довольно значительным. Иными словами, можно сказать, что магнитная проницаемость их велика; у никеля, например, может достигать значения 50, у кобальта 100. Все эти материалы с большими значениями объединяют в одну группу ферромагнитных материалов.

Однако и все остальные «немагнитные» материалы также оказывают некоторое влияние на магнитный поток, хотя влияние это значительно меньше, чем у материалов ферромагнитных. С помощью очень тщательных измерений можно это изменение обнаружить и определить магнитную проницаемость различных материалов. При этом, однако, нужно иметь в виду, что в опыте, описанном выше, мы сравнивали магнитный поток в катушке, полость которой заполнена железом, с потоком в катушке, внутри которой имеется воздух. Пока речь шла о таких сильно магнитных материалах, как железо, никель, кобальт, это не имело значения, так как наличие воздуха очень мало влияет на магнитный поток. Но при исследовании магнитных свойств других веществ, в частности самого воздуха, мы должны, конечно, вести сравнение с катушкой, внутри которой воздуха нет (вакуум). Таким образом, за магнитную проницаемость мы принимаем отношение магнитных потоков в исследуемом веществе и в вакууме . Иными словами, за единицу мы принимаем магнитную проницаемость для вакуума (если , то ).

Измерения показывают, что магнитная проницаемость всех веществ отлична от единицы, хотя в большинстве случаев это отличие очень мало. Но особенно замечательным оказывается тот факт, что у одних веществ магнитная проницаемость больше единицы, а у других она меньше единицы, т. е. заполнение катушки одними веществами увеличивает магнитный поток, а заполнение катушки другими веществами уменьшает этот поток. Первые из этих веществ называются парамагнитными (), а вторые – диамагнитными (). Как показывает табл. 7, отличие проницаемости от единицы как у парамагнитных, так и у диамагнитных веществ невелико.

Нужно особенно подчеркнуть, что для парамагнитных и диамагнитных тел магнитная проницаемость не зависит от магнитной индукции внешнего, намагничивающего поля, т. е. представляет собой постоянную величину, характеризующую данное вещество. Как мы увидим § 149, это не имеет места для железа и других сходных с ним (ферромагнитных) тел.

Таблица 7. Магнитная проницаемость для некоторых парамагнитных и диамагнитных веществ

Влияние парамагнитных и диамагнитных веществ на магнитный поток объясняется, так же как и влияние веществ ферромагнитных, тем, что к магнитному потоку, создаваемому током в обмотке катушки, присоединяется поток, исходящий из элементарных амперовых токов. Парамагнитные вещества увеличивают магнитный поток катушки. Это увеличение потока при заполнении катушки парамагнитным веществом указывает на то, что и в парамагнитных веществах под действием внешнего магнитного поля элементарные токи ориентируются так, что направление их совпадает с направлением тока обмотки (рис. 276). Небольшое отличие от единицы указывает лишь на то, что в случае парамагнитных веществ этот добавочный магнитный поток очень невелик, т. е. что парамагнитные вещества намагничиваются очень слабо.

Уменьшение магнитного потока при заполнении катушки диамагнитным веществом означает, что в этом случае магнитный поток от элементарных амперовых токов направлен противоположно магнитному потоку катушки, т. е. что в диамагнитных веществах под действием внешнего магнитного поля возникают элементарные токи, направленные противоположно токам обмотки (рис. 277). Малость отклонений от единицы и в этом случае указывает на то, что дополнительный поток этих элементарных токов невелик.

Рис. 277. Диамагнитные вещества внутри катушки ослабляют магнитное поле соленоида. Элементарные токи в них направлены противоположно току в соленоиде

Магнитные свойства веществ

Подобно тому, как электрические свойства вещества характеризуются диэлектрической проницаемостью, магнитные свойства вещества характеризуются магнитной проницаемостью.

Благодаря тому, что все вещества, находящиеся в магнитном поле, создают собственное магнитное поле, вектор магнитной индукции в однородной среде отличается от вектора в той же точке пространства в отсутствие среды, т. е. в вакууме.

Отношение называется магнитной проницаемостью среды.

Итак, в однородной среде магнитная индукция равна:

Величина m у железа очень велика. В этом можно убедиться на опыте. Если вставить в длинную катушку железный сердечник, то магнитная ин­дукция, согласно формуле (12.1), увеличится в m раз. Сле­довательно, во столько же раз увеличится поток магнитной индукции. При размыкании цепи, питающей намагничи­вающую катушку постоянным током, во второй, небольшой катушке, намотанной поверх основной, возникает индукцион­ный ток, регистрируемый гальванометром (рис. 12.1).

Если в катушку вставлен железный сердечник, то отклоне­ние стрелки гальванометра при размыкании цепи будет в m раз больше. Измерения показывают, что магнитный поток при внесении в катушку железного сердечника может увеличиться в тысячи раз. Следовательно, магнитная проницаемость железа огромна.

Существует три основных класса веществ с резко разли­чающимися магнитными свойствами: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.

Ферромагнетики

Вещества, у которых, подобно железу, m >> 1, называются ферромагнетиками. Кроме железа, ферромагнетиками явля­ются кобальт и никель, а также ряд редкоземельных элемен­тов и многие сплавы. Важнейшее свойство ферромагнетиков – существование у них остаточного магнетизма. Ферромагнитное вещество может находиться в намагничен­ном состоянии и без внешнего намагничивающего поля.

Железный предмет (например, стержень), как известно, втя­гивается в магнитное поле, т. е. перемещается в область, где магнитная индукция больше. Соответственно, он притягивает­ся к магниту или электромагниту. Это происходит потому, что элементарные токи в железе ориентируются так, что направ­ление магнитной индукции их поля совпадает с направлением индукции намагничивающего поля. В результате железный стержень превращается в магнит, ближайший полюс которого противоположен полюсу электромагнита. Противоположные же полюса магнитов притягиваются (рис. 12.2).

Рис. 12.2

СТОП! Решите самостоятельно: А1–А3, В1, В3.

Парамагнетики

Существуют вещества, которые ведут себя подобно железу, т. е. втягиваются в магнитное поле. Эти вещества называются парамагнитными . К их числу относятся некоторые ме­таллы (алюминий, натрий, калий, марганец, платина и др.), кислород и многие другие элементы, а также различные рас­творы электролитов.

Так как парамагнетики втягиваются в поле, то линии ин­дукции создаваемого ими собственного магнитного поля и намагничивающего поля направлены одинаково, поэтому поле усиливается. Таким образом, у них m > 1. Но от единицы m от­личается крайне незначительно, всего на величину порядка 10 –5 ...10 –6 . Поэтому для наблюдения парамагнитных явлений требуются мощные магнитные поля.

Диамагнетики

Особый класс веществ представляют собой диамагне­тики , открытые Фарадеем. Они выталкиваются из магнит­ного поля. Если подвесить диамагнитный стерженек возле по­люса сильного электромагнита, то он будет отталкиваться от него. Следовательно, линии индукции созданного им поля на­правлены противоположно линиям индукции намагничиваю­щего поля, т. е. поле ослабляется (рис. 12.3). Соответственно у диамагнетиков m < 1, причем отличается от единицы на вели­чину порядка 10 –6 . Магнитные свойства у диамагнетиков вы­ражены слабее, чем у парамагнетиков.

Рис. 12.3

Рис. 12.4

К диамагнетикам относятся висмут, медь, сера, ртуть, хлор, инертные газы и практически все органические соеди­нения. Диамагнитным является пламя, например пламя све­чи (главным образом за счет углекислого газа). Поэтому пла­мя выталкивается из магнитного поля (рис. 12.4).