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Gracias a muchos años de práctica técnica, sabemos que la inductancia de una bobina depende en gran medida de las características del entorno donde se encuentra esta bobina. Si se le agrega un núcleo ferromagnético a una bobina de alambre de cobre con una inductancia L0 conocida, entonces bajo otras circunstancias anteriores, las corrientes de autoinducción (corrientes extra de cierre y apertura) en esta bobina aumentarán muchas veces, el experimento lo confirmará, lo que significará que ha aumentado varias veces, lo que ahora se vuelve igual a L.

observación experimental

Supongamos que el entorno, la sustancia que llena el espacio dentro y alrededor de la bobina descrita, es homogénea y generada por la corriente que fluye a través de su cable, se localiza solo en esta área designada, sin ir más allá de sus límites.

Si la bobina tiene forma toroidal, la forma de un anillo cerrado, entonces este medio, junto con el campo, se concentrará solo dentro del volumen de la bobina, ya que casi no hay campo magnético fuera del toroide. Esta posición también es válida para una bobina larga, un solenoide, en el que todas las líneas magnéticas también se concentran en el interior, a lo largo del eje.

Por ejemplo, supongamos que la inductancia de algún circuito o bobina sin núcleo en el vacío es L0. Luego, para la misma bobina, pero ya en una sustancia homogénea que llena el espacio donde están presentes las líneas de campo magnético de esta bobina, deje que la inductancia sea igual a L. En este caso, resulta que la relación L / L0 es nada más que el magnético relativo, la permeabilidad de la sustancia nombrada (a veces llamada simplemente "permeabilidad magnética").

Se vuelve obvio: La permeabilidad magnética es un valor que caracteriza las propiedades magnéticas de una sustancia dada. A menudo depende del estado de la sustancia (y de las condiciones ambientales como la temperatura y la presión) y de su tipo.

Comprender el término

La introducción del término "permeabilidad magnética", en relación con una sustancia situada en un campo magnético, es similar a la introducción del término "constante dieléctrica" ​​para una sustancia situada en un campo eléctrico.

El valor de la permeabilidad magnética, determinado por la fórmula anterior L/L0, también se puede expresar como la relación entre la permeabilidad magnética absoluta de una sustancia dada y el vacío absoluto (vacío).

Es fácil de ver: la permeabilidad magnética relativa (también es permeabilidad magnética) es una cantidad adimensional. Pero la permeabilidad magnética absoluta - tiene la dimensión de Gn/m, lo mismo que la permeabilidad magnética (¡absoluta!) del vacío (también es la constante magnética).

De hecho, vemos que el medio (imán) afecta la inductancia del circuito, y esto indica claramente que un cambio en el medio conduce a un cambio en el flujo magnético Ф que penetra en el circuito y, por lo tanto, a un cambio en la inducción B , en relación con cualquier punto del campo magnético.

El significado físico de esta observación es que con la misma corriente de bobina (con la misma intensidad magnética H), la inducción de su campo magnético será un cierto número de veces mayor (en algunos casos menor) en una sustancia con una permeabilidad magnética mu que en el vacío total.

Esto se debe a que, y en sí mismo comienza a tener un campo magnético. Las sustancias que pueden magnetizarse de esta manera se llaman imanes.

La unidad de medida de la permeabilidad magnética absoluta es 1 Gn/m (henry por metro o newton por amperio al cuadrado), es decir, es la permeabilidad magnética de tal medio, donde, a una intensidad de campo magnético H igual a 1 A/ m, se produce una inducción magnética de 1 T.

Imagen física del fenómeno.

De lo anterior, queda claro que varias sustancias (imanes) se magnetizan bajo la influencia del campo magnético del circuito con corriente y, como resultado, se obtiene un campo magnético, que es la suma de los campos magnéticos: el campo magnético del medio magnetizado más del circuito con corriente, por lo tanto difiere en magnitud del campo solo circuitos con corriente sin medio. La razón de la magnetización de los imanes radica en la existencia de corrientes mínimas en el interior de cada uno de sus átomos.

Según el valor de la permeabilidad magnética, las sustancias se clasifican en diamagnetos (menos de uno - se magnetizan contra el campo aplicado), paramagnetos (más de uno - se magnetizan en la dirección del campo aplicado) y ferroimanes (mucho más de uno: están magnetizados y tienen magnetización después de apagar el campo magnético aplicado).

Es característico de los ferroimanes, por lo tanto, el concepto de "permeabilidad magnética" en su forma pura no es aplicable a los ferroimanes, pero en un cierto rango de magnetización, en cierta aproximación, es posible señalar una sección lineal de la curva de magnetización, para lo cual será posible estimar la permeabilidad magnética.

Los superconductores tienen una permeabilidad magnética de 0 (porque el campo magnético está completamente desplazado de su volumen), y la permeabilidad magnética absoluta del aire es casi igual al vacío mu (lea la constante magnética). Para el aire, mu es un poco más de 1.

La permeabilidad magnética es diferente para diferentes medios y depende de sus propiedades, por lo que se acostumbra hablar de la permeabilidad magnética de un medio en particular (es decir, su composición, estado, temperatura, etc.).

En el caso de un medio isotrópico homogéneo, la permeabilidad magnética μ:

μ \u003d B / (μ o H),

En cristales anisotrópicos, la permeabilidad magnética es un tensor.

La mayoría de las sustancias se dividen en tres clases según el valor de la permeabilidad magnética:

• diaimanes ( μ < 1 ),
• paraimanes ( µ > 1 )
• ferroimanes (que tienen propiedades magnéticas más pronunciadas, como el hierro).

La permeabilidad magnética de los superconductores es cero.

La permeabilidad magnética absoluta del aire es aproximadamente igual a la permeabilidad magnética del vacío y en cálculos técnicos se toma igual a 4π 10 -7 H/m

μ = 1 + χ (en unidades SI);

μ = 1 + 4πχ (en unidades CGS).

La permeabilidad magnética del vacío físico μ =1, ya que χ=0.

La permeabilidad magnética muestra cuántas veces la permeabilidad magnética absoluta de un material determinado es mayor que la constante magnética, es decir, cuántas veces el campo magnético de las macrocorrientes H es potenciado por el campo de microcorrientes del medio. La permeabilidad magnética del aire y de la mayoría de las sustancias, con la excepción de los materiales ferromagnéticos, es cercana a la unidad.

En la técnica se utilizan varios tipos de permeabilidad magnética, dependiendo de las aplicaciones específicas del material magnético. La permeabilidad magnética relativa muestra cuántas veces en un medio dado la fuerza de interacción entre cables con cambios actuales en comparación con el vacío. Numéricamente igual a la relación entre la permeabilidad magnética absoluta y la constante magnética. La permeabilidad magnética absoluta es igual al producto de la permeabilidad magnética y la constante magnética.

Para diamagnetos, χμχ>0 y μ> 1. Dependiendo de si μ de ferroimanes se mide en un campo magnético estático o alterno, se denomina, respectivamente, permeabilidad magnética estática o dinámica.

La permeabilidad magnética de los ferroimanes depende de manera compleja de H . A partir de la curva de magnetización de un ferroimán, se puede construir la dependencia de la permeabilidad magnética de NORTE.

Permeabilidad magnética, determinada por la fórmula:

μ \u003d B / (μ o H),

llamada permeabilidad magnética estática.

Es proporcional a la tangente de la pendiente de la secante trazada desde el origen hasta el punto correspondiente de la curva de magnetización principal. El valor límite de la permeabilidad magnética μ n con un campo magnético que tiende a cero se denomina permeabilidad magnética inicial. Esta característica es de gran importancia en el uso técnico de muchos materiales magnéticos. Experimentalmente se determina en campos magnéticos débiles con una intensidad del orden de 0,1 A/m.

Constante dieléctrica de sustancias

Nota. Constante eléctrica �� o (permisividad del vacío) igual a: �� o = 1\4πs 2 * 10 7 F / m ≈ 8,85 * 10 -12 F / m

Permeabilidad magnética de una sustancia.

Nota. La constante magnética μ o (permeabilidad magnética al vacío) es: μ o = 4π * 10 -7 H/m ≈ 1,257 * 10 -6 H/m

Permeabilidad magnética de los ferroimanes

La tabla muestra los valores de permeabilidad magnética para algunos ferromagnetos (sustancias con μ > 1). La permeabilidad magnética de los ferroimanes (hierro, fundición, acero, níquel, etc.) no es constante. La tabla muestra los valores máximos.

1 Permalloy-68- una aleación de 68% de níquel y 325 de hierro; Esta aleación se utiliza para fabricar núcleos de transformadores.

Temperatura curie

Resistividad eléctrica de materiales.

Aleaciones de alta resistencia

Coeficientes de temperatura de la resistencia eléctrica de los conductores.

Superconductividad de los conductores

notas
1. Superconductividad se encuentra en más de 25 elementos metálicos y en un gran número de aleaciones y compuestos.
2. El superconductor con mayor temperatura de transición al estado superconductor -23,2 K (-250,0 o C)- hasta hace poco era el germanuro de niobio (Nb 3 Ge). A finales de 1986 se obtuvo un superconductor con una temperatura de transición de ≈ 30 K (≈ -243 o C). Se reporta la síntesis de nuevos superconductores de alta temperatura: cerámica (producida por sinterización de óxidos de bario, cobre y lantano) con una temperatura de transición de ≈ 90-120 K.

Resistividad eléctrica de algunos semiconductores y dieléctricos.

Propiedades eléctricas de los plásticos.

Resistividad eléctrica de electrolitos (a t=18 o C y 10% de concentración de solución)

Nota. La resistencia específica de los electrolitos depende de la temperatura y la concentración, es decir, de la relación entre la masa de ácido, álcali o sal disueltos y la masa de agua disuelta. A la concentración de soluciones indicada, un aumento de temperatura de 1 o C reduce la resistividad de una solución tomada a 18 o C por 0,012 de hidróxido de sodio, por 0,022 - para sulfato de cobre, por 0,021 - por cloruro de sodio, por 0,013 - por sulfúrico ácido y por 0.003 - para ácido sulfúrico al 100%.

Resistencia eléctrica específica de los líquidos.

Propiedades magnéticas de las sustancias.

Así como las propiedades eléctricas de una sustancia se caracterizan por la permitividad, las propiedades magnéticas de una sustancia se caracterizan por permeabilidad magnética.

Debido al hecho de que todas las sustancias en un campo magnético crean su propio campo magnético, el vector de inducción magnética en un medio homogéneo difiere del vector en el mismo punto del espacio en ausencia de medio, es decir, en el vacío.

La relación se llama permeabilidad magnética del medio.

Entonces, en un medio homogéneo, la inducción magnética es igual a:

El valor de m para el hierro es muy grande. Esto se puede comprobar por experiencia. Si se inserta un núcleo de hierro en una bobina larga, la inducción magnética, según la fórmula (12.1), aumentará m veces. En consecuencia, el flujo de inducción magnética aumentará en la misma cantidad. Cuando se abre el circuito que alimenta la bobina de magnetización con corriente continua, aparece una corriente de inducción en la segunda bobina pequeña enrollada sobre la principal, que se registra con un galvanómetro (Fig. 12.1).

Si se inserta un núcleo de hierro en la bobina, la desviación de la aguja del galvanómetro cuando se abre el circuito será m veces mayor. Las mediciones muestran que el flujo magnético cuando se introduce un núcleo de hierro en la bobina puede aumentar miles de veces. Por lo tanto, la permeabilidad magnética del hierro es enorme.

Hay tres clases principales de sustancias con propiedades magnéticas marcadamente diferentes: ferroimanes, paraimanes y diaimanes.

ferroimanes

Sustancias en las que, como el hierro, m >> 1, se denominan ferromagnetos. Además del hierro, el cobalto y el níquel, así como una serie de elementos de tierras raras y muchas aleaciones, son ferroimanes. La propiedad más importante de los ferromagnetos es la existencia de magnetismo residual. Una sustancia ferromagnética puede estar en un estado magnetizado sin un campo magnético externo.

Se sabe que un objeto de hierro (por ejemplo, una barra) es atraído hacia un campo magnético, es decir, se mueve hacia un área donde la inducción magnética es mayor. En consecuencia, es atraído por un imán o un electroimán. Esto sucede porque las corrientes elementales en el hierro están orientadas de tal manera que la dirección de la inducción magnética de su campo coincide con la dirección de la inducción del campo magnetizante. Como resultado, la barra de hierro se convierte en un imán, cuyo polo más cercano es opuesto al polo del electroimán. Los polos opuestos de los imanes se atraen (Fig. 12.2).

Arroz. 12.2

¡DETÉNGASE! Decide por ti mismo: A1-A3, B1, B3.

Paraimanes

Hay sustancias que se comportan como el hierro, es decir, son atraídas por un campo magnético. Estas sustancias se llaman paramagnético. Estos incluyen algunos metales (aluminio, sodio, potasio, manganeso, platino, etc.), oxígeno y muchos otros elementos, así como varias soluciones de electrolitos.

Dado que los paramagnetos se introducen en el campo, las líneas de inducción de su propio campo magnético creado por ellos y el campo magnetizante se dirigen en la misma dirección, por lo que el campo se amplifica. Así, tienen m > 1. Pero m difiere muy poco de la unidad, sólo por un valor del orden de 10 -5 ... 10 -6 . Por lo tanto, se requieren campos magnéticos potentes para observar los fenómenos paramagnéticos.

Diaimanes

Una clase especial de sustancias son diaimanes descubierto por Faraday. Son empujados fuera del campo magnético. Si cuelga una barra diamagnética cerca del polo de un electroimán fuerte, se repelerá. En consecuencia, las líneas de inducción del campo creado por él se dirigen en dirección opuesta a las líneas de inducción del campo magnetizante, es decir, el campo se debilita (Fig. 12.3). En consecuencia, para diamagnets m< 1, причем отличается от единицы на вели­чину порядка 10 –6 . Магнитные свойства у диамагнетиков вы­ражены слабее, чем у парамагнетиков.

Arroz. 12.3

Arroz. 12.4

Los diamagnetos incluyen bismuto, cobre, azufre, mercurio, cloro, gases inertes y prácticamente todos los compuestos orgánicos. Diamagnético es una llama, como la llama de una vela (principalmente debido al dióxido de carbono). Por lo tanto, la llama es expulsada del campo magnético (Fig. 12.4) .

El campo magnético de la bobina está determinado por la corriente y la intensidad de este campo, y la inducción del campo. Aquellos. la inducción de campo en el vacío es proporcional a la magnitud de la corriente. Si se crea un campo magnético en un determinado medio o sustancia, entonces el campo actúa sobre la sustancia y, a su vez, cambia el campo magnético de cierta manera.

Una sustancia en un campo magnético externo se magnetiza y surge en ella un campo magnético interno adicional. Está asociado con el movimiento de electrones a lo largo de órbitas intraatómicas, así como alrededor de su propio eje. El movimiento de los electrones y los núcleos de los átomos se pueden considerar como corrientes circulares elementales.

Las propiedades magnéticas de una corriente circular elemental se caracterizan por un momento magnético.

En ausencia de un campo magnético externo, las corrientes elementales en el interior de la sustancia se orientan aleatoriamente (caóticamente) y, por tanto, el momento magnético total o total es cero y el campo magnético de las corrientes internas elementales no se detecta en el espacio circundante.

El efecto de un campo magnético externo sobre las corrientes elementales en la materia es que la orientación de los ejes de rotación de las partículas cargadas cambia de modo que sus momentos magnéticos resultan estar dirigidos en una dirección. (hacia el campo magnético externo). La intensidad y la naturaleza de la magnetización en diferentes sustancias en el mismo campo magnético externo difieren significativamente. El valor que caracteriza las propiedades del medio y la influencia del medio en la densidad del campo magnético se llama absoluto permeabilidad magnética o permeabilidad magnética del medio (μ Con ) . Esta es la relación = . Medido [ μ Con ]=H/m.

La permeabilidad magnética absoluta del vacío se denomina constante magnética. μ sobre \u003d 4π 10 -7 Gn / m.

La relación entre la permeabilidad magnética absoluta y la constante magnética se llama permeabilidad magnética relativaμ c / μ 0 \u003d μ. Aquellos. La permeabilidad magnética relativa es un valor que muestra cuántas veces la permeabilidad magnética absoluta de un medio es mayor o menor que la permeabilidad absoluta del vacío. μ es una cantidad adimensional que varía en un amplio rango. Este valor es la base para dividir todos los materiales y medios en tres grupos.

Diaimanes . Estas sustancias tienen 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.

Paraimanes . Estas sustancias tienen μ > 1. Estas incluyen aluminio, magnesio, estaño, platino, manganeso, oxígeno, aire, etc. El aire tiene = 1.0000031. . Estas sustancias, así como los diamagnetos, interactúan débilmente con un imán.

Para cálculos técnicos, se supone que μ de cuerpos diamagnéticos y paramagnéticos es igual a uno.

ferroimanes . Este es un grupo especial de sustancias que juegan un papel muy importante en la ingeniería eléctrica. Estas sustancias tienen μ >> 1. Estas incluyen hierro, acero, hierro fundido, níquel, cobalto, gadolinio y aleaciones metálicas. Estas sustancias son fuertemente atraídas por un imán. Estas sustancias tienen μ = 600-10 000. Para algunas aleaciones, μ alcanza valores récord de hasta 100 000. Cabe señalar que μ para materiales ferromagnéticos no es constante y depende de la intensidad del campo magnético, el tipo de material y la temperatura.

El gran valor de µ en los ferroimanes se explica por el hecho de que tienen regiones de magnetización espontánea (dominios), dentro de las cuales los momentos magnéticos elementales están dirigidos de la misma manera. Cuando se suman, forman los momentos magnéticos comunes de los dominios.

En ausencia de un campo magnético, los momentos magnéticos de los dominios están orientados aleatoriamente y el momento magnético total del cuerpo o sustancia es cero. Bajo la acción de un campo externo, los momentos magnéticos de los dominios se orientan en una dirección y forman el momento magnético total del cuerpo, dirigido en la misma dirección que el campo magnético externo.

Esta importante característica se utiliza en la práctica, utilizando núcleos ferromagnéticos en bobinas, lo que permite aumentar drásticamente la inducción magnética y el flujo magnético con los mismos valores de corrientes y el número de vueltas, o, en otras palabras, concentrar el campo magnético en un volumen relativamente pequeño.

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