Магнитна пропускливост. Магнитни свойства на веществата Относителна магнитна проницаемост на веществото
От много години техническа практика знаем, че индуктивността на бобината е силно зависима от характеристиките на средата, в която се намира тази бобина. Ако се добави феромагнитна сърцевина към намотка от меден проводник с известна индуктивност L0, тогава при други предишни обстоятелства токовете на самоиндукция (допълнителни токове на затваряне и отваряне) в тази намотка ще се увеличат многократно, експериментът ще потвърди това, което ще означава, че се е увеличил няколко пъти, което сега става равно на L.
Експериментално наблюдение
Да приемем, че средата, веществото, което запълва пространството вътре и около описаната намотка, е хомогенна и генерирана от тока, протичащ през нейния проводник, е локализирана само в тази определена зона, без да излиза извън нейните граници.
Ако намотката има тороидална форма, формата на затворен пръстен, тогава тази среда, заедно с полето, ще бъде концентрирана само в обема на намотката, тъй като извън тороида почти няма магнитно поле. Това положение е валидно и за дълга намотка - соленоид, в който всички магнитни линии също са концентрирани вътре - по оста.
Например, нека приемем, че индуктивността на някаква верига или намотка без сърцевина във вакуум е L0. Тогава за същата намотка, но вече в хомогенна субстанция, която запълва пространството, където присъстват линиите на магнитното поле на тази намотка, нека индуктивността е равна на L. В този случай се оказва, че съотношението L / L0 е нищо повече от относителната магнитна проницаемост на споменатото вещество (понякога просто наричана "магнитна проницаемост").
Става очевидно: магнитната проницаемост е стойност, която характеризира магнитните свойства на дадено вещество.Често зависи от състоянието на веществото (и от условията на околната среда като температура и налягане) и от неговия вид.
Разбиране на термина
Въвеждането на термина "магнитна проницаемост" по отношение на вещество, поставено в магнитно поле, е подобно на въвеждането на термина "диелектрична константа" за вещество, намиращо се в електрическо поле.
Стойността на магнитната проницаемост, определена по горната формула L/L0, може да се изрази и като съотношение на абсолютната магнитна проницаемост на дадено вещество и абсолютната празнота (вакуум).
Лесно е да се види: относителната магнитна проницаемост (тя също е магнитна проницаемост) е безразмерна величина. Но абсолютната магнитна проницаемост - има размерността Gn / m, същата като тази на магнитната проницаемост (абсолютна!) на вакуума (това е и магнитната константа).
Всъщност виждаме, че средата (магнитът) влияе върху индуктивността на веригата и това ясно показва, че промяната в средата води до промяна в магнитния поток Ф, проникващ във веригата, а оттам и до промяна в индукцията B , по отношение на всяка точка от магнитното поле.
Физическият смисъл на това наблюдение е, че при същия ток на бобината (със същия магнитен интензитет H), индукцията на нейното магнитно поле ще бъде определен брой пъти по-голяма (в някои случаи по-малка) в вещество с магнитна проницаемост mu отколкото в пълен вакуум.
Това е така, защото и самият той започва да има магнитно поле. Веществата, които могат да бъдат намагнетизирани по този начин, се наричат магнити.
Единицата за измерване на абсолютната магнитна проницаемост е 1 Gn / m (хенри на метър или нютон на ампер на квадрат), т.е. това е магнитната проницаемост на такава среда, където при сила на магнитното поле H, равна на 1 A / m, възниква магнитна индукция от 1 T.
Физическа картина на явлението
От гореизложеното става ясно, че различни вещества (магнити) се магнетизират под въздействието на магнитното поле на веригата с ток и в резултат на това се получава магнитно поле, което е сумата от магнитни полета - магнитното поле от магнетизираната среда плюс от веригата с ток, следователно се различава по големина от полето само вериги с ток без среда. Причината за намагнитването на магнитите се крие в съществуването на най-малките токове във всеки от техните атоми.
Според стойността на магнитната проницаемост веществата се класифицират на диамагнетици (по-малко от един - те са намагнетизирани срещу приложеното поле), парамагнетици (повече от един - те са намагнетизирани в посоката на приложеното поле) и феромагнетици (много повече от едно - те са магнетизирани и имат магнетизация след изключване на приложеното магнитно поле).
Характерно е за феромагнетиците, следователно понятието "магнитна проницаемост" в чистата му форма не е приложимо за феромагнетици, но в определен диапазон на намагнитване, в известно приближение, е възможно да се отдели линеен участък от кривата на намагнитване, за които ще може да се оцени магнитната проницаемост.
Свръхпроводниците имат магнитна проницаемост 0 (тъй като магнитното поле е напълно изместено от техния обем), а абсолютната магнитна проницаемост на въздуха е почти равна на вакуума mu (прочетете магнитната константа). За въздух mu е малко повече от 1.
Магнитната пропускливост е различна за различните среди и зависи от нейните свойства, поради което е обичайно да се говори за магнитна пропускливост на определена среда (което означава нейния състав, състояние, температура и т.н.).
В случай на хомогенна изотропна среда, магнитната проницаемост μ:
μ \u003d B / (μ o H),
В анизотропните кристали магнитната проницаемост е тензор.
Повечето вещества се разделят на три класа според стойността на магнитната проницаемост:
- диамагнити ( μ < 1 ),
- парамагнетици ( µ > 1 )
- феромагнетици (с по-изразени магнитни свойства, като желязо).
Магнитната проницаемост на свръхпроводниците е нула.
Абсолютната магнитна проницаемост на въздуха е приблизително равна на магнитната проницаемост на вакуума и в техническите изчисления се приема равна на 4π 10 -7 H/m
μ = 1 + χ (в единици SI);
μ = 1 + 4πχ (в CGS единици).
Магнитната проницаемост на физическия вакуум μ =1, тъй като χ=0.
Магнитната проницаемост показва колко пъти абсолютната магнитна проницаемост на даден материал е по-голяма от магнитната константа, т.е. колко пъти магнитното поле на макротоковете зсе усилва от полето на микротоковете на средата. Магнитната проницаемост на въздуха и повечето вещества, с изключение на феромагнитните материали, е близка до единица.
В техниката се използват няколко вида магнитна проницаемост в зависимост от специфичните приложения на магнитния материал. Относителната магнитна проницаемост показва колко пъти в дадена среда силата на взаимодействие между проводниците с ток се променя в сравнение с вакуума. Числено равно на отношението на абсолютната магнитна проницаемост към магнитната константа. Абсолютната магнитна проницаемост е равна на произведението на магнитната проницаемост и магнитната константа.
За диамагнетиците χμχ>0 и μ> 1. В зависимост от това дали μ на феромагнетиците се измерва в статично или променливо магнитно поле, това се нарича съответно статична или динамична магнитна проницаемост.
Магнитната проницаемост на феромагнетиците зависи по сложен начин от з . От кривата на намагнитване на феромагнетик може да се изгради зависимостта на магнитната проницаемост от Н.
Магнитна пропускливост, определена по формулата:
μ \u003d B / (μ o H),
наречена статична магнитна проницаемост.
Той е пропорционален на тангенса на наклона на секанса, прекаран от началото през съответната точка на основната крива на намагнитване. Граничната стойност на магнитната проницаемост μ n с магнитно поле, клонящо към нула, се нарича начална магнитна проницаемост. Тази характеристика е от голямо значение при техническото използване на много магнитни материали. Експериментално се определя в слаби магнитни полета със сила от порядъка на 0,1 A/m.
Диелектрична константа на веществата
вещество |
вещество |
||
Газове и водни пари |
Течности |
||
| Азот | 1,0058 | Глицерол | 43 |
| Водород | 1,00026 | Течен кислород (при t = -192,4 o C) | 1,5 |
| Въздух | 1,00057 | Трансформаторно масло | 2,2 |
| Вакуум | 1,00000 | Алкохол | 26 |
| Водна пара (при t=100 o C) | 1,006 | Етер | 4,3 |
| Хелий | 1,00007 | Твърди вещества |
|
| Кислород | 1,00055 | Диамант | 5,7 |
| Въглероден двуокис | 1,00099 | Восъчна хартия | 2,2 |
Течности |
дърво сухо | 2,2-3,7 | |
| Течен азот (при t = -198,4 o C) | 1,4 | Лед (при t = -10 o C) | 70 |
| Бензин | 1,9-2,0 | Парафин | 1,9-2,2 |
| вода | 81 | Каучук | 3,0-6,0 |
| Водород (при t= - 252,9 o C) | 1,2 | слюда | 5,7-7,2 |
| Течен хелий (при t = - 269 o C) | 1,05 | Стъклена чаша | 6,0-10,0 |
| бариев титанат | 1200 | ||
| Порцелан | 4,4-6,8 | ||
| Амбър | 2,8 | ||
Забележка. Електрическа константа ԑ o (диелектрична проницаемост на вакуум), равна на: ԑ o = 1\4πs 2 * 10 7 F / m ≈ 8,85 * 10 -12 F / m
Магнитна проницаемост на веществото
Забележка. Магнитната константа μ o (вакуумна магнитна проницаемост) е: μ o = 4π * 10 -7 H/m ≈ 1,257 * 10 -6 H/m
Магнитна проницаемост на феромагнетици
Таблицата показва стойностите на магнитната проницаемост за някои феромагнетици (вещества с μ> 1). Магнитната проницаемост за феромагнетици (желязо, чугун, стомана, никел и др.) Не е постоянна. Таблицата показва максималните стойности.
1 Пермалой-68- сплав от 68% никел и 325 желязо; Тази сплав се използва за направата на сърцевини на трансформатори.
Температура на Кюри
Електрическо съпротивление на материалите
Сплави с висока устойчивост
Име на сплавта |
Електрическо съпротивление µOhm m |
Състав на сплавта, % |
|||
Манган |
Други елементи |
||||
| Константан | 0,50 | 54 | 45 | 1 | - |
| Копел | 0,47 | 56,5 | 43 | 0,05 | - |
| Манганин | 0,43 | > 85 | 2-4 | 12 | - |
| Никелово сребро | 0,3 | 65 | 15 | - | 20 Zn |
| Никелин | 0,4 | 68,5 | 30 | 1,5 | - |
| нихром | 1,1 | - | > 60 | < 4 | 30 < Cr ост. Fe |
| Фехрал | 1,3 | - | - | - | 12-15 Cr 3-4 Al 80< Fe |
Температурни коефициенти на електрическо съпротивление на проводници
Диригент |
Диригент |
||
| Алуминий | никел | ||
| Волфрам | нихром | ||
| Желязо | Калай | ||
| злато | Платина | ||
| Константан | живак | ||
| Месинг | Водя | ||
| Магнезий | Сребро | ||
| Манганин | Стомана | ||
| Мед | Фехрал | ||
| Никелово сребро | Цинк | ||
| Никелин | Излято желязо |
Свръхпроводимост на проводниците
- Бележки.
- Свръхпроводимостнамира се в повече от 25 метални елемента и в голям брой сплави и съединения.
- Свръхпроводникът с най-висока температура на преход към свръхпроводящо състояние -23,2 K (-250,0 o C) - доскоро беше ниобиевият германид (Nb 3 Ge). В края на 1986 г. е получен свръхпроводник с температура на преход ≈ 30 K (≈ -243 o C). Съобщава се за синтез на нови високотемпературни свръхпроводници: керамика (произведена чрез синтероване на бариеви, медни и лантанови оксиди) с температура на преход от ≈ 90-120 К.
Електрическо съпротивление на някои полупроводници и диелектрици
| вещество | Температура на стъклото, o С | Съпротивление | |
| Ом м | Ом mm2/m | ||
полупроводници |
|||
| Антимонид индий | 17 | 5,8 х 10 -5 | 58 |
| Бор | 27 | 1,7 х 10 4 | 1,7 х 10 10 |
| Германий | 27 | 0,47 | 4,7 х 10 5 |
| Силиций | 27 | 2,3 х 103 | 2,3 х 10 9 |
| Оловен (II) селенид (PbSe) | 20 | 9,1 х 10 -6 | 9,1 |
| Оловен (II) сулфид (PbS) | 20 | 1,7 х 10 -5 | 0,17 |
Диелектрици |
|||
| Дестилирана вода | 20 | 10 3 -10 4 | 10 9 -10 10 |
| Въздух | 0 | 10 15 -10 18 | 10 21 -10 24 |
| Пчелен восък | 20 | 10 13 | 10 19 |
| Суха дървесина | 20 | 10 9 -10 10 | 10 15 -10 16 |
| Кварц | 230 | 10 9 | 10 15 |
| Трансформаторно масло | 20 | 10 11 -10 13 | 10 16 -10 19 |
| Парафин | 20 | 10 14 | 10 20 |
| Каучук | 20 | 10 11 -10 12 | 10 17 -10 18 |
| слюда | 20 | 10 11 -10 15 | 10 17 -10 21 |
| Стъклена чаша | 20 | 10 9 -10 13 | 10 15 -10 19 |
Електрически свойства на пластмасите
| пластмасово име | Диелектричната константа | |
| Гетинакс | 4,5-8,0 | 10 9 -10 12 |
| Капрон | 3,6-5,0 | 10 10 -10 11 |
| Лавсан | 3,0-3,5 | 10 14 -10 16 |
| Органично стъкло | 3,5-3,9 | 10 11 -10 13 |
| стиропор | 1,0-1,3 | ≈ 10 11 |
| Полистирен | 2,4-2,6 | 10 13 -10 15 |
| PVC | 3,2-4,0 | 10 10 -10 12 |
| Полиетилен | 2,2-2,4 | ≈ 10 15 |
| Фибростъкло | 4,0-5,5 | 10 11 -10 12 |
| Текстолит | 6,0-8,0 | 10 7 -10 19 |
| целулоид | 4,1 | 10 9 |
| Ебонит | 2,7-3,5 | 10 12 -10 14 |
Електрическо съпротивление на електролитите (при t=18 o C и 10% концентрация на разтвора)
Забележка. Специфичното съпротивление на електролитите зависи от температурата и концентрацията, т.е. от съотношението на масата на разтворената киселина, основа или сол към масата на разтворената вода. При посочената концентрация на разтвори повишаването на температурата с 1 o C намалява съпротивлението на разтвор, взет при 18 o C, с 0,012 натриев хидроксид, с 0,022 - за меден сулфат, с 0,021 - за натриев хлорид, с 0,013 - за серен киселина и с 0,003 - за 100% сярна киселина.
Специфично електрическо съпротивление на течности
Течност |
Специфично електрическо съпротивление, Ohm m |
Течност |
Специфично електрическо съпротивление, Ohm m |
| ацетон | 8,3 х 10 4 | Разтопени соли: | |
| дестилирана вода | 10 3 - 10 4 | калиев хидроксид (KOH; при t = 450 o C) | 3,6 х 10 -3 |
| морска вода | 0,3 | натриев хидроксид (NaOH; при t = 320 o C) | 4,8 х 10 -3 |
| речна вода | 10-100 | натриев хлорид (NaCI; при t = 900 o C) | 2,6 х 10 -3 |
| Течен въздух (при t = -196 o C) | 10 16 | сода (Na 2 CO 3 x10H 2 O; при t = 900 o C) | 4,5 х 10 -3 |
| Глицерол | 1,6 х 10 5 | Алкохол | 1,5 х 10 5 |
| Керосин | 10 10 | ||
| Разтопен нафталин (при (при t = 82 o C) | 2,5 х 10 7 | ||
Магнитни свойства на веществата
Точно както електрическите свойства на веществото се характеризират с диелектрична проницаемост, магнитните свойства на веществото се характеризират с магнитна пропускливост.
Поради факта, че всички вещества в магнитно поле създават собствено магнитно поле, векторът на магнитната индукция в хомогенна среда се различава от вектора в същата точка в пространството при липса на среда, т.е. във вакуум.
Отношението се нарича магнитна проницаемост на средата.
И така, в хомогенна среда магнитната индукция е равна на:
Стойността на m за желязото е много голяма. Това може да се провери от опит. Ако в дълга намотка се постави желязна сърцевина, тогава магнитната индукция, съгласно формула (12.1), ще се увеличи m пъти. Следователно потокът на магнитната индукция ще се увеличи със същото количество. При отваряне на веригата, която захранва намагнитващата намотка с постоянен ток, във втората малка намотка, навита върху основната, се появява индукционен ток, който се записва от галванометър (фиг. 12.1).
Ако в бобината се постави желязна сърцевина, тогава отклонението на стрелката на галванометъра при отваряне на веригата ще бъде m пъти по-голямо. Измерванията показват, че магнитният поток, когато в бобината се въведе желязна сърцевина, може да се увеличи хиляди пъти. Следователно магнитната проницаемост на желязото е огромна.
Има три основни класа вещества с рязко различни магнитни свойства: феромагнетици, парамагнетици и диамагнетици.
феромагнетици
Веществата, в които, подобно на желязото, m >> 1, се наричат феромагнетици. В допълнение към желязото, кобалтът и никелът, както и редица редкоземни елементи и много сплави, са феромагнетици. Най-важното свойство на феромагнетиците е наличието на остатъчен магнетизъм. Феромагнитното вещество може да бъде в магнетизирано състояние без външно магнетизиращо поле.
Известно е, че железен предмет (например прът) се изтегля в магнитно поле, т.е. премества се в област, където магнитната индукция е по-голяма. Съответно, той се привлича от магнит или електромагнит. Това се случва, защото елементарните токове в желязото са ориентирани по такъв начин, че посоката на магнитната индукция на тяхното поле съвпада с посоката на индукцията на магнетизиращото поле. В резултат на това железният прът се превръща в магнит, чийто най-близък полюс е противоположен на полюса на електромагнита. Противоположните полюси на магнитите се привличат (фиг. 12.2).
Ориз. 12.2 
СПРИ СЕ! Решете сами: A1-A3, B1, B3.
Парамагнетици
Има вещества, които се държат като желязото, тоест те се привличат в магнитно поле. Тези вещества се наричат парамагнитни. Те включват някои метали (алуминий, натрий, калий, манган, платина и др.), кислород и много други елементи, както и различни електролитни разтвори.
Тъй като парамагнетиците се изтеглят в полето, линиите на индукция на собственото им магнитно поле, създадено от тях, и магнетизиращото поле са насочени в една и съща посока, така че полето се усилва. Така те имат m > 1. Но m се различава от единица много малко, само със стойност от порядъка на 10 -5 ... 10 -6 . Следователно са необходими мощни магнитни полета, за да се наблюдават парамагнитни явления.
Диамагнети
Специален клас вещества са диамагнитиоткрит от Фарадей. Те се изтласкват от магнитното поле. Ако окачите диамагнитен прът близо до полюса на силен електромагнит, той ще се отблъсне от него. Следователно линиите на индукция на полето, създадено от него, са насочени противоположно на линиите на индукция на магнетизиращото поле, т.е. полето е отслабено (фиг. 12.3). Съответно, за диамагнити m< 1, причем отличается от единицы на величину порядка 10 –6 . Магнитные свойства у диамагнетиков выражены слабее, чем у парамагнетиков.
Ориз. 12.3
 Ориз. 12.4 |
Диамагнетиците включват бисмут, мед, сяра, живак, хлор, инертни газове и почти всички органични съединения. Диамагнетичен е пламък, като например пламък на свещ (главно поради въглероден диоксид). Следователно пламъкът се изтласква от магнитното поле (фиг. 12.4) .
Магнитното поле на намотката се определя от тока и интензитета на това поле, както и от индукцията на полето. Тези. индукцията на полето във вакуум е пропорционална на големината на тока. Ако в определена среда или вещество се създаде магнитно поле, тогава полето действа върху веществото, а то от своя страна променя магнитното поле по определен начин.
Вещество във външно магнитно поле се магнетизира и в него възниква допълнително вътрешно магнитно поле. Свързва се с движението на електроните по вътрешноатомни орбити, както и около собствената им ос. Движението на електроните и ядрата на атомите може да се разглежда като елементарни кръгови токове.
Магнитните свойства на елементарен кръгов ток се характеризират с магнитен момент.
При липса на външно магнитно поле елементарните токове вътре в веществото са ориентирани произволно (хаотично) и следователно общият или общият магнитен момент е нула и магнитното поле на елементарните вътрешни токове не се открива в околното пространство.
Ефектът на външното магнитно поле върху елементарните токове в материята е, че ориентацията на осите на въртене на заредените частици се променя така, че техните магнитни моменти се оказват насочени в една посока. (към външното магнитно поле). Интензитетът и естеството на намагнитването в различни вещества в едно и също външно магнитно поле се различават значително. Стойността, характеризираща свойствата на средата и влиянието на средата върху плътността на магнитното поле, се нарича абсолютна магнитна пропускливостили магнитна проницаемост на средата (μ с ) . Това е отношението = . Измерено [ μ с ]=H/m.
Абсолютната магнитна проницаемост на вакуума се нарича магнитна константа μ относно \u003d 4π 10 -7 Gn / m.
Съотношението на абсолютната магнитна проницаемост към магнитната константа се нарича относителна магнитна проницаемостμ c /μ 0 \u003d μ. Тези. относителната магнитна проницаемост е стойност, показваща колко пъти абсолютната магнитна проницаемост на дадена среда е по-голяма или по-малка от абсолютната проницаемост на вакуума. μ е безразмерна величина, която варира в широк диапазон. Тази стойност е в основата на разделянето на всички материали и медии на три групи.
Диамагнети . Тези вещества имат μ< 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.
Парамагнетици . Тези вещества имат μ > 1. Те включват алуминий, магнезий, калай, платина, манган, кислород, въздух и др. Въздухът има = 1,0000031. . Тези вещества, както и диамагнитите, слабо взаимодействат с магнит.
За технически изчисления μ на диамагнитните и парамагнитните тела се приема за равно на единица.
феромагнетици . Това е специална група вещества, които играят огромна роля в електротехниката. Тези вещества имат μ >> 1. Те включват желязо, стомана, чугун, никел, кобалт, гадолиний и метални сплави. Тези вещества са силно привлечени от магнит. Тези вещества имат μ = 600-10 000. За някои сплави μ достига рекордни стойности до 100 000. Трябва да се отбележи, че μ за феромагнитни материали не е константа и зависи от силата на магнитното поле, вида на материала и температурата.
Голямата стойност на µ във феромагнетиците се обяснява с факта, че те имат области на спонтанно намагнитване (домени), в които елементарните магнитни моменти са насочени по същия начин. Когато се добавят заедно, те образуват общите магнитни моменти на домейните.
При липса на магнитно поле, магнитните моменти на домейните са произволно ориентирани и общият магнитен момент на тялото или веществото е нула. Под действието на външно поле магнитните моменти на домените са ориентирани в една посока и образуват общия магнитен момент на тялото, насочен в същата посока като външното магнитно поле.
Тази важна характеристика се използва на практика, като се използват феромагнитни сърцевини в намотки, което позволява рязко увеличаване на магнитната индукция и магнитния поток при същите стойности на токовете и броя на завоите, или, с други думи, да се концентрира магнитно поле в сравнително малък обем.
