Как поступить
в Онлайн-школу №1 и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Магнитные свойства вещества

Магнитное поле

Магнитные свойства вещества

План урока

  • Магнитная проницаемость
  • Классификация магнетиков
  • Объяснение магнитных свойств различных веществ

Цели урока

  • Знать определение магнитной проницаемости
  • Знать классификацию веществ по их магнитным свойствам
  • Уметь объяснять причины магнитных свойств различных веществ

Разминка

  • Можно ли утверждать, что магнитное поле образуется только вокруг движущихся заряженных частиц и проводников с токами?
  • Приведите примеры использования постоянных магнитов. Откуда они берутся?
  • В чем причина образования магнитного поля вокруг постоянных магнитов?

Магнитная проницаемость

 

При изучении электростатического взаимодействия между неподвижными зарядами была введена диэлектрическая проницаемость среды - величина, которая описывает зависимость кулоновского взаимодействия от свойств среды. Различные эксперименты демонстрируют, что от свойств среды зависит и магнитное взаимодействие токов. Так, например, при внесении в катушку с током железного сердечника, магнитное поле, создаваемое катушкой, усиливается. Любое вещество, рассматриваемое с точки зрения его магнитных свойств, называют магнетиком. Пусть  B0 – магнитного поля, которое существовало в данной точке пространства до его заполнения магнетиком. После заполнения пространства магнетиком индукция магнитного поля меняется, и становится равной B. Если магнетик слабый и заполняет все пространство, то направление векторов  B0 и B совпадают. 


Отношение BB0 называют  магнитной проницаемостью вещества. Обозначают буквой μ.


Иными словами, магнитная проницаемость показывает во сколько раз индукция магнитного поля B в однородной среде отличается по модулю от индукции B0магнитного поля в вакууме:

 

B=μB0.

 

Классификация магнетиков

 

По интенсивности взаимодействия с магнитным полем все вещества делятся на два класса:  слабо магнитные  и  сильно магнитные. Начнем с рассмотрения слабомагнитных веществ, которые в свою очередь подразделяются на диамагнетики и парамагнетики.

 

Слабо магнитные вещества

 

1. Диамагнетики

  • Магнитная проницаемость диамагнетиков близка к единице (μ<1).
  • Магнитные свойства диамагнетиков проявляются только в достаточно сильных полях.
  • К диамагнетикам относятся почти все газы (кроме кислорода и окиси азота), вода, серебро, золото, медь, алмаз, графит, свинец и многие органические соединения.
  • Наиболее сильно от единицы отличается магнитная проницаемость висмута – она равна 0,999824, а менее всего отличается магнитная проницаемость водорода – 0,999999937.
  • Из неоднородного магнитного поля диамагнетики выталкиваются (если между полюсами мощного электромагнита зажечь свечу, то ее пламя будет выталкиваться из поля).

 

2. Парамагнетики

  • Магнитная проницаемость парамагнетиков, так же как и у диамагнетиков близка к единице, но μ>1.
  • Из-за малого отличия магнитной проницаемости диамагнетиков и парамагнетиков их магнитные свойства проявляются только в достаточно сильных полях.
  • Парамагнетиками являются марганец, платина, алюминий, вольфрам, все щелочные и щелочноземельные металлы, кислород, окись азота.
  • Наибольшей магнитной проницаемостью обладает кислород при температуре -183°C: μ=1,003460, а минимальную магнитную проницаемость имеет воздух при нормальных условиях (μ=1,00000038).
  • Парамагнетики втягиваются в область сильного магнитного поля (например, если в U-образную трубку налить парамагнитную жидкость, то в колене, находящемся между полюсами магнита уровень жидкости будет выше).
  • При охлаждении многие парамагнетики становятся сильными магнетиками (а сильные магнетики при нагревании становятся парамагнетиками).


Переход магнетика из одного состояния в другое происходит при определенной температуре, которую называют  температурой Кюри.

 

(Разные вещества разную температуру Кюри: у тербия она равна 53°C, а у железа 768°C).


Сильно магнитные вещества

 

1. Ферромагнетики

  • У сильных магнетиков магнитная проницаемость существенно больше единицы и зависит от индукции внешнего поля. Эту зависимость называют кривой Столетова в честь ее первого исследователя А. Г. Столетова (1839–1896).
    Рис. 1. Кривая Столетова (1 – пермаллой, 2 – железо) Рис. 1. Кривая Столетова (1 – пермаллой, 2 – железо)
  • Ферромагнетиками могут становиться многие сплавы железа, кобальта, никеля и ряда других веществ.

 

2. Ферриты

  • Ферриты представляют собой соединения оксидов железа, бария, кобальта, никеля. Одним из известных с древних времен ферритов является магнетит.
  • В отличие от металлических ферромагнетиков, ферриты имеют очень большое удельное сопротивление. Поэтому их применение в быстро изменяющихся магнитных полях является более предпочтительным.

 

Объяснение магнитных свойств различных веществ

 

Попытку объяснить магнитные свойства вещества еще в 1820 году предпринял Ампер. Он предположил, что эти свойства обусловлены электрическими токами в молекулах – молекулярными токами. Если направления этих токов неупорядочены, то порождаемые этими токами магнитные поля компенсируют друг друга. Во внешнем магнитном поле происходит упорядочение этих токов - вещество намагничивается.В начале XX века токи Ампера пытались отождествить с движением электронов по орбитам внутри атомов. Движущийся по орбите электрон подобно витку с током создает магнитное поле, которое называют орбитальным. Кроме того, электрон создает еще и собственное магнитное поле, которое называют спиновым. Эксперименты показывают, что учет орбитального и спинового магнитных полей электрона, а также движения протонов в ядрах атомов, позволяет объяснить большинство наблюдаемых свойств магнетиков. 


Если суммарное магнитное поле, созданное всеми электронами атома, при отсутствии внешнего поля равно нулю, то вещество, состоящее из таких атомов, будет диамагнетиком . При помещении диамагнетика во внешнее магнитное поле индукция магнитного поля в диамагнетике оказывается меньше индукции внешнего поля. 

 

У парамагнетика суммарное магнитное поле всех электронов атома, при отсутствии внешнего поля, отлично от нулевого . Атомы такого вещества можно уподобить маленьким магнитам.


Парамагнетик может стать сильным магнетиком. Для этого необходимо, чтобы сумма векторов индукции спиновых магнитных полей электронов его отдельного атома была отлична от нуля. В этом случае между электронами соседних атомов возникают так называемые обменные силы. В некоторых кристаллах их действие приводит к тому, что при температурах ниже температуры Кюри векторы индукции спиновых магнитных полей электронов соседних атомов устанавливаются параллельно друг другу. Если размеры кристалла достаточно малы, то это происходит во всем кристалле. В этом случае суммарное магнитное поле становится максимальным, а о веществе говорят что оно намагничивается до насыщения.

Рис. 2. Магнитные домены Рис. 2. Магнитные домены

В больших кристаллах образуются домены – области, в каждой из которых вещество намагничено до насыщения. Объемы доменов у разных сильных магнетиков изменяются в пределах от 10-12 до 10-6 см3. Между соседними доменами существуют области, в котором направление векторов индукции магнитного поля изменяется от направления в одном домене до направления в соседнем домене (рис. 2). Эти области называют доменными стенками, обычно их толщина не превышает 0,6 мкм.

 

Причиной образования доменов является известное положение, согласно которому устойчивым является то состояние системы, которому соответствует минимум потенциальной энергии.

Если кристалл не разбивается на домены, то он подобно большому магниту создает в окружающем пространстве сильное магнитное поле, которое обладает большой энергией. В то же время для образования доменных стенок тоже требуется энергия. Таким образом, разобьется ли кристалл на домены или останется однодоменным зависит от того какой вариант будет энергетически выгодней.

 

Если образец из сильного магнетика не создает магнитного поля в окружающем его пространстве, то такой образец называют полностью размагниченным (рис. 3 а). Поместив такой образец во внешнее магнитное поле, и увеличивая индукцию этого поля (рис. 3 б), заметим, что размеры выгодно ориентированных относительно этого поля доменов будут возрастать. Это происходит за счет смещения доменных стенок. Возможна ситуация, когда все невыгодно ориентированные домены исчезают, а направление вектора индукции магнитного поля в образце еще не совпадает с направлением индукции внешнего поля (рис. 3 в). Тогда, при увеличении модуля вектора магнитной индукции внешнего поля, намагничивание образца будет происходить за счет поворота вектора индукции образца. Когда направление векторов совпадут – образец намагничен до насыщения (рис. 3 г).

Рис. 3. Магнитные домены во внешнем магнитном поле; г) магнитное насыщение Рис. 3. Магнитные домены во внешнем магнитном поле; г) магнитное насыщение

Пусть образец намагничен до насыщения. Выключим внешнее поле. Эксперимент показывает, что образец остается намагниченным, хотя среднее значение индукции поля в нем уменьшится (за счет частичного разбиения на домены или изменением направлений индукции в каждом домене). 

Чтобы полностью размагнитить образец, его нужно поместить во внешнее магнитное поле, индукция которого направлена противоположно остаточной индукции магнитного поля образца. Значение индукции внешнего поля, при котором образец будет полностью размагничен, называют коэрцитивной силой (от лат. сoercitio – удерживание).

 

Сильные магнетики, коэрцитивная сила которых не превышает 10-5 Тл, называют магнитно-мягкими (сплавы железа с никелем, электротехнические стали, никель-цинковые ферриты…). Их используют в качестве сердечников электромагнитов, трансформаторов, генераторов. Магнитно–твердыми называют материалы, коэрцитивная сила которых превышает  10-3 Тл (сплавы кобальта с хромом, ванадием, вольфрамом, алюминием…). Магнитно–твердые материалы применяют для изготовления элементов памяти компьютеров, магнитных лент и дисков, кредитных карт. 


Контрольные вопросы

 

1. Какие вещества называют магнетиками?

2. На какие два класса делятся все магнетики?

3. Что называют магнитной проницаемостью вещества?

4. Какими свойствами обладают  диамагнетики и парамагнетики? Для чего их используют?

5. Какими свойствами обладают ферромагнетики и ферриты? Для чего их используют?

6. Какую температуру называют температурой Кюри?

7. Как Ампер объяснял магнитные свойства вещества?

8. Что такое домены?

9. Чем отличаются магнитно-мягкие материалы от магнитно-твердых?  


Магнитное поле. Магнитное взаимодействие

Магнитное поле
  • Повседневная жизнь и мировосприятие человека XIX века

    История

  • В поисках путей модернизации. Европа меняющаяся

    История

  • Век демократизации. «Великие идеологии»

    История