Permeabilitatea magnetică. Proprietățile magnetice ale substanțelor Permeabilitatea magnetică relativă a unei substanțe




Din mulți ani de practică tehnică, știm că inductanța unei bobine este foarte dependentă de caracteristicile mediului în care se află această bobină. Dacă la o bobină de sârmă de cupru se adaugă un miez feromagnetic cu o inductanță cunoscută L0, atunci în alte circumstanțe anterioare, curenții de auto-inducție (curenți suplimentari de închidere și deschidere) din această bobină vor crește de multe ori, experimentul va confirma acest lucru, ceea ce va însemna că a crescut de mai multe ori, ceea ce devine acum egal cu L.

Observație experimentală

Să presupunem că mediul, substanța care umple spațiul din interiorul și din jurul bobinei descrise, este omogen și generat de curentul care curge prin firul său, este localizat doar în această zonă desemnată, fără a depăși limitele sale.

Dacă bobina are o formă toroidală, forma unui inel închis, atunci acest mediu, împreună cu câmpul, va fi concentrat doar în interiorul volumului bobinei, deoarece nu există aproape niciun câmp magnetic în afara toroidului. Această poziție este valabilă și pentru o bobină lungă - un solenoid, în care toate liniile magnetice sunt de asemenea concentrate în interior - de-a lungul axei.


De exemplu, să presupunem că inductanța unui circuit sau bobină fără miez în vid este L0. Apoi, pentru aceeași bobină, dar deja într-o substanță omogenă care umple spațiul în care sunt prezente liniile de câmp magnetic ale acestei bobine, să fie inductanța egală cu L. În acest caz, se dovedește că raportul L / L0 este nimic mai mult decât magneticul relativ permeabilitatea substanței numite (uneori numită simplu „permeabilitate magnetică”).

Devine evident: permeabilitatea magnetică este o valoare care caracterizează proprietățile magnetice ale unei substanțe date. Depinde adesea de starea substanței (și de condițiile de mediu, cum ar fi temperatura și presiunea) și de felul acesteia.

Înțelegerea termenului


Introducerea termenului de „permeabilitate magnetică”, în raport cu o substanță plasată într-un câmp magnetic, este similară cu introducerea termenului de „constantă dielectrică” pentru o substanță situată într-un câmp electric.

Valoarea permeabilității magnetice, determinată prin formula de mai sus L/L0, poate fi exprimată și ca raport dintre permeabilitatea magnetică absolută a unei substanțe date și golul absolut (vid).

Este ușor de văzut: permeabilitatea magnetică relativă (este și permeabilitatea magnetică) este o mărime adimensională. Dar permeabilitatea magnetică absolută - are dimensiunea Gn/m, aceeași cu cea a permeabilității magnetice (absolută!) a vidului (este și constanta magnetică).

De fapt, vedem că mediul (magnetul) afectează inductanța circuitului, iar acest lucru indică în mod clar că o modificare a mediului duce la o modificare a fluxului magnetic Ф care pătrunde în circuit și, prin urmare, la o schimbare a inducției B. , în raport cu orice punct al câmpului magnetic.

Sensul fizic al acestei observații este că, cu același curent de bobină (cu aceeași intensitate magnetică H), inducerea câmpului său magnetic va fi de un anumit număr de ori mai mare (în unele cazuri mai mică) într-o substanță cu o permeabilitate magnetică mu decât în ​​vid complet.

Acest lucru se datorează faptului că și în sine începe să aibă un câmp magnetic. Substanțele care pot fi magnetizate în acest fel se numesc magneți.

Unitatea de măsură a permeabilității magnetice absolute este 1 Gn / m (henry pe metru sau newton pe amper pătrat), adică este permeabilitatea magnetică a unui astfel de mediu, unde, la o intensitate a câmpului magnetic H egală cu 1 A / m, are loc o inducție magnetică de 1 T.

Imaginea fizică a fenomenului

Din cele de mai sus, devine clar că diferite substanțe (magneți) sunt magnetizate sub influența câmpului magnetic al circuitului cu curent și, ca urmare, se obține un câmp magnetic, care este suma câmpurilor magnetice - câmpul magnetic din mediul magnetizat plus din circuitul cu curent, prin urmare diferă ca mărime de câmp numai circuitele cu curent fără mediu. Motivul magnetizării magneților constă în existența celor mai mici curenți în interiorul fiecăruia dintre atomii lor.

În funcție de valoarea permeabilității magnetice, substanțele sunt clasificate în diamagneți (mai puțin de unu - sunt magnetizați față de câmpul aplicat), paramagneți (mai mult de unul - sunt magnetizați în direcția câmpului aplicat) și feromagneți (mult mai mult decât unul - sunt magnetizați și au magnetizare după oprirea câmpului magnetic aplicat).

Este caracteristic feromagneților, prin urmare conceptul de „permeabilitate magnetică” în forma sa pură nu este aplicabil feromagneților, dar într-un anumit interval de magnetizare, într-o anumită aproximare, este posibil să se evidențieze o secțiune liniară a curbei de magnetizare, pentru care se va putea estima permeabilitatea magnetică.

Supraconductorii au o permeabilitate magnetică de 0 (deoarece câmpul magnetic este complet deplasat de volumul lor), iar permeabilitatea magnetică absolută a aerului este aproape egală cu vidul mu (a se citi constanta magnetică). Pentru aer, mu este puțin mai mare de 1.

Permeabilitatea magnetică este diferită pentru diferite medii și depinde de proprietățile sale, prin urmare se obișnuiește să se vorbească despre permeabilitatea magnetică a unui anumit mediu (adică compoziția, starea, temperatura, etc.).

În cazul unui mediu izotrop omogen, permeabilitatea magnetică μ:

μ \u003d B / (μ o H),

În cristalele anizotrope, permeabilitatea magnetică este un tensor.

Majoritatea substanțelor sunt împărțite în trei clase în funcție de valoarea permeabilității magnetice:

  • diamagneti ( μ < 1 ),
  • paramagneți ( µ > 1 )
  • feromagneți (care au proprietăți magnetice mai pronunțate, cum ar fi fierul).

Permeabilitatea magnetică a supraconductorilor este zero.

Permeabilitatea magnetică absolută a aerului este aproximativ egală cu permeabilitatea magnetică a vidului și în calculele tehnice este considerată egală cu 10 -7 H/m

μ = 1 + χ (în unități SI);

μ = 1 + 4πχ (în unități CGS).

Permeabilitatea magnetică a vidului fizic μ =1, deoarece χ=0.

Permeabilitatea magnetică arată de câte ori este mai mare permeabilitatea magnetică absolută a unui anumit material decât constanta magnetică, adică de câte ori câmpul magnetic al macrocurenților H este intensificată de câmpul de microcurenți ai mediului. Permeabilitatea magnetică a aerului și a majorității substanțelor, cu excepția materialelor feromagnetice, este aproape de unitate.

În tehnică sunt utilizate mai multe tipuri de permeabilitate magnetică, în funcție de aplicațiile specifice ale materialului magnetic. Permeabilitatea magnetică relativă arată de câte ori, într-un mediu dat, forța de interacțiune între fire cu curent se modifică în comparație cu vid. Numeric egal cu raportul dintre permeabilitatea magnetică absolută și constanta magnetică. Permeabilitatea magnetică absolută este egală cu produsul dintre permeabilitatea magnetică și constanta magnetică.

Pentru diamagneți, χμχ>0 și μ> 1. În funcție de faptul că μ de feromagneți se măsoară într-un câmp magnetic static sau alternativ, se numește, respectiv, permeabilitate magnetică statică sau dinamică.

Permeabilitatea magnetică a feromagneților depinde într-un mod complex de H . Din curba de magnetizare a unui feromagnet, se poate construi dependența permeabilității magnetice de N.

Permeabilitatea magnetică, determinată de formula:

μ \u003d B / (μ o H),

numită permeabilitate magnetică statică.

Este proporțională cu tangentei pantei secantei trase de la origine prin punctul corespunzător de pe curba principală de magnetizare. Valoarea limită a permeabilității magnetice μ n cu un câmp magnetic tinde spre zero se numește permeabilitate magnetică inițială. Această caracteristică este de mare importanță în utilizarea tehnică a multor materiale magnetice. Experimental, se determină în câmpuri magnetice slabe cu o putere de ordinul a 0,1 A/m.

Constanta dielectrica a substantelor

Substanţă

Substanţă

Gaze și vapori de apă

Lichide

Azot 1,0058 Glicerol 43
Hidrogen 1,00026 Oxigen lichid (la t = -192,4 o C) 1,5
Aer 1,00057 Ulei de transformator 2,2
Vid 1,00000 Alcool 26
Vapori de apă (la t=100 o C) 1,006 Eter 4,3
Heliu 1,00007

Solide

Oxigen 1,00055 Diamant 5,7
Dioxid de carbon 1,00099 Hartie cerata 2,2

Lichide

lemn uscat 2,2-3,7
Azot lichid (la t = -198,4 o C) 1,4 Gheață (la t = -10 o C) 70
Benzină 1,9-2,0 Parafină 1,9-2,2
Apă 81 Cauciuc 3,0-6,0
Hidrogen (la t= - 252,9 o C) 1,2 Mica 5,7-7,2
Heliu lichid (la t = - 269 o C) 1,05 Sticlă 6,0-10,0
titanat de bariu 1200
Porţelan 4,4-6,8
Chihlimbar 2,8

Notă. Constanta electrică ԑ o (permitivitate în vid) egală cu: ԑ o = 1\4πs 2 * 10 7 F / m ≈ 8,85 * 10 -12 F / m

Permeabilitatea magnetică a unei substanțe

Notă. Constanta magnetică μ o (permeabilitatea magnetică în vid) este: μ o = 4π * 10 -7 H/m ≈ 1,257 * 10 -6 H/m

Permeabilitatea magnetică a feromagneților

Tabelul prezintă valorile permeabilității magnetice pentru unii feromagneți (substanțe cu μ > 1). Permeabilitatea magnetică pentru feromagneți (fier, fontă, oțel, nichel etc.) nu este constantă. Tabelul prezintă valorile maxime.

1 Permalloy-68- un aliaj de 68% nichel si 325 fier; Acest aliaj este folosit pentru a face miezuri de transformatoare.

Temperatura Curie

Rezistivitatea electrică a materialelor

Aliaje de înaltă rezistență

Denumirea aliajului

Rezistivitate electrică µOhm m

Compoziția aliajului, %

Mangan

Alte elemente

Constantan 0,50 54 45 1 -
Kopel 0,47 56,5 43 0,05 -
Manganin 0,43 > 85 2-4 12 -
Nichel-argint 0,3 65 15 - 20 Zn
Nichelină 0,4 68,5 30 1,5 -
Nicrom 1,1 - > 60 < 4 30 < Cr ост. Fe
Fechral 1,3 - - - 12-15 Cr 3-4 Al 80< Fe

Coeficienții de temperatură ai rezistenței electrice a conductorilor

Conductor

Conductor

Aluminiu Nichel
Tungsten Nicrom
Fier Staniu
Aur Platină
Constantan Mercur
Alamă Conduce
Magneziu Argint
Manganin Oţel
Cupru Fechral
Nichel-argint Zinc
Nichelină Fontă

Supraconductivitatea conductorilor

    Note.
  1. Supraconductivitate găsit în peste 25 de elemente metalice și într-un număr mare de aliaje și compuși.
  2. Supraconductorul cu cea mai mare temperatură de tranziție la starea supraconductivă -23,2 K (-250,0 o C) - până de curând a fost germanida de niobiu (Nb 3 Ge). La sfârşitul anului 1986 s-a obţinut un supraconductor cu o temperatură de tranziţie de ≈ 30 K (≈ -243 o C). Se raportează sinteza de noi supraconductori la temperatură înaltă: ceramică (produsă prin sinterizarea oxizilor de bariu, cupru și lantan) cu o temperatură de tranziție de ≈ 90-120 K.

Rezistivitatea electrică a unor semiconductori și dielectrici

Substanţă SticlaTemperatura, o С Rezistivitate
Ohm m Ohm mm2/m

Semiconductori

Indiu antimonid 17 5,8 x 10 -5 58
Bor 27 1,7 x 10 4 1,7 x 10 10
germaniu 27 0,47 4,7 x 10 5
Siliciu 27 2,3 x 10 3 2,3 x 10 9
Selenura de plumb (II) (PbSe) 20 9,1 x 10 -6 9,1
sulfură de plumb (II) (PbS) 20 1,7 x 10 -5 0,17

Dielectrice

Apa distilata 20 10 3 -10 4 10 9 -10 10
Aer 0 10 15 -10 18 10 21 -10 24
Ceară de albine 20 10 13 10 19
Lemn uscat 20 10 9 -10 10 10 15 -10 16
Cuarţ 230 10 9 10 15
Ulei de transformator 20 10 11 -10 13 10 16 -10 19
Parafină 20 10 14 10 20
Cauciuc 20 10 11 -10 12 10 17 -10 18
Mica 20 10 11 -10 15 10 17 -10 21
Sticlă 20 10 9 -10 13 10 15 -10 19

Proprietățile electrice ale materialelor plastice

denumire de plastic Constanta dielectrică
Getinax 4,5-8,0 10 9 -10 12
Kapron 3,6-5,0 10 10 -10 11
Lavsan 3,0-3,5 10 14 -10 16
Sticla organica 3,5-3,9 10 11 -10 13
Styrofoam 1,0-1,3 ≈ 10 11
Polistiren 2,4-2,6 10 13 -10 15
PVC 3,2-4,0 10 10 -10 12
Polietilenă 2,2-2,4 ≈ 10 15
Fibra de sticla 4,0-5,5 10 11 -10 12
Textolit 6,0-8,0 10 7 -10 19
Celuloid 4,1 10 9
Ebonită 2,7-3,5 10 12 -10 14

Rezistivitatea electrică a electroliților (la t=18 o C și concentrația soluției de 10%)

Notă. Rezistența specifică a electroliților depinde de temperatură și concentrație, adică. din raportul dintre masa de acid dizolvat, alcali sau sare la masa apei dizolvate. La concentrația indicată de soluții, o creștere a temperaturii cu 1 o C reduce rezistivitatea unei soluții luate la 18 o C cu 0,012 hidroxid de sodiu, cu 0,022 - pentru sulfatul de cupru, cu 0,021 - pentru clorură de sodiu, cu 0,013 - pentru sulfuric. acid și cu 0,003 - pentru acid sulfuric 100%.

Rezistenta electrica specifica a lichidelor

Lichid

Rezistenta electrica specifica, Ohm m

Lichid

Rezistenta electrica specifica, Ohm m

Acetonă 8,3 x 10 4 Săruri topite:
apa distilata 10 3 - 10 4 hidroxid de potasiu (KOH; la t = 450 o C) 3,6 x 10 -3
apa de mare 0,3 hidroxid de sodiu (NaOH; la t = 320 o C) 4,8 x 10 -3
apa râului 10-100 clorură de sodiu (NaCI; la t = 900 o C) 2,6 x 10 -3
Aer lichid (la t = -196 o C) 10 16 sifon (Na 2 CO 3 x10H 2 O; la t = 900 o C) 4,5 x 10 -3
Glicerol 1,6 x 10 5 Alcool 1,5 x 10 5
Kerosenul 10 10
Naftalină topită (la (la t = 82 o C) 2,5 x 10 7

Proprietățile magnetice ale substanțelor

Așa cum proprietățile electrice ale unei substanțe sunt caracterizate de permitivitate, proprietățile magnetice ale unei substanțe sunt caracterizate prin permeabilitatea magnetică.

Datorită faptului că toate substanțele dintr-un câmp magnetic își creează propriul câmp magnetic, vectorul de inducție magnetică într-un mediu omogen diferă de vectorul din același punct din spațiu în absența unui mediu, adică în vid.

Relația se numește permeabilitatea magnetică a mediului.

Deci, într-un mediu omogen, inducția magnetică este egală cu:

Valoarea lui m pentru fier este foarte mare. Acest lucru poate fi verificat prin experiență. Dacă un miez de fier este introdus într-o bobină lungă, atunci inducția magnetică, conform formulei (12.1), va crește de m ori. În consecință, fluxul de inducție magnetică va crește cu aceeași cantitate. Când se deschide circuitul care alimentează bobina de magnetizare cu curent continuu, în a doua bobină mică, înfăşurată peste cea principală, apare un curent de inducţie, care este înregistrat de un galvanometru (Fig. 12.1).

Dacă un miez de fier este introdus în bobină, atunci abaterea acului galvanometrului atunci când circuitul este deschis va fi de m ori mai mare. Măsurătorile arată că fluxul magnetic atunci când un miez de fier este introdus în bobină poate crește de mii de ori. Prin urmare, permeabilitatea magnetică a fierului este enormă.

Există trei clase principale de substanțe cu proprietăți magnetice foarte diferite: feromagneți, paramagneți și diamagneți.

feromagneți

Substantele in care, ca si fierul, m >> 1, se numesc feromagneti. Pe lângă fier, cobalt și nichel, precum și o serie de elemente de pământuri rare și multe aliaje, sunt feromagneți. Cea mai importantă proprietate a feromagneților este existența magnetismului rezidual. O substanță feromagnetică poate fi în stare magnetizată fără un câmp de magnetizare extern.

Se știe că un obiect de fier (de exemplu, o tijă) este atras într-un câmp magnetic, adică se deplasează într-o zonă în care inducția magnetică este mai mare. În consecință, este atras de un magnet sau un electromagnet. Acest lucru se întâmplă deoarece curenții elementari din fier sunt orientați în așa fel încât direcția de inducție magnetică a câmpului lor să coincidă cu direcția de inducție a câmpului de magnetizare. Ca urmare, tija de fier se transformă într-un magnet, cel mai apropiat pol al căruia este opus polului electromagnetului. Polii opuși ai magneților sunt atrași (Fig. 12.2).

Orez. 12.2

STOP! Decideți singuri: A1-A3, B1, B3.

Paramagneți

Există substanțe care se comportă ca fierul, adică sunt atrase într-un câmp magnetic. Aceste substanțe sunt numite paramagnetic. Acestea includ unele metale (aluminiu, sodiu, potasiu, mangan, platină etc.), oxigen și multe alte elemente, precum și diverse soluții de electroliți.

Deoarece paramagneții sunt atrași în câmp, liniile de inducție ale propriului câmp magnetic creat de ei și câmpul de magnetizare sunt direcționate în aceeași direcție, astfel încât câmpul este amplificat. Astfel, au m > 1. Dar m diferă de unitate foarte puțin, doar printr-o valoare de ordinul 10 -5 ... 10 -6 . Prin urmare, sunt necesare câmpuri magnetice puternice pentru a observa fenomenele paramagnetice.

Diamagneții

O clasă specială de substanțe sunt diamagneti descoperit de Faraday. Sunt împinși în afara câmpului magnetic. Dacă atârnați o tijă diamagnetică lângă polul unui electromagnet puternic, atunci se va respinge de ea. În consecință, liniile de inducție ale câmpului creat de el sunt direcționate opus liniilor de inducție ale câmpului magnetizant, adică câmpul este slăbit (Fig. 12.3). În consecință, pentru diamagneții m< 1, причем отличается от единицы на вели­чину порядка 10 –6 . Магнитные свойства у диамагнетиков вы­ражены слабее, чем у парамагнетиков.

Orez. 12.3

Orez. 12.4

Diamagneții includ bismut, cupru, sulf, mercur, clor, gaze inerte și practic toți compușii organici. Diamagnetic este o flacără, cum ar fi o flacără de lumânare (în principal din cauza dioxidului de carbon). Prin urmare, flacăra este împinsă în afara câmpului magnetic (Fig. 12.4) .

Câmpul magnetic al bobinei este determinat de curentul și intensitatea acestui câmp, precum și de inducția câmpului. Acestea. inducția câmpului în vid este proporțională cu mărimea curentului. Dacă un câmp magnetic este creat într-un anumit mediu sau substanță, atunci câmpul acționează asupra substanței și, la rândul său, modifică câmpul magnetic într-un anumit mod.

O substanță dintr-un câmp magnetic extern devine magnetizată și un câmp magnetic intern suplimentar apare în ea. Este asociat cu mișcarea electronilor de-a lungul orbitelor intraatomice, precum și în jurul propriei axe. Mișcarea electronilor și a nucleelor ​​atomilor pot fi considerate curenți circulari elementari.

Proprietățile magnetice ale unui curent circular elementar sunt caracterizate de un moment magnetic.

În absența unui câmp magnetic extern, curenții elementari din interiorul substanței sunt orientați aleatoriu (haotic) și, prin urmare, momentul magnetic total sau total este zero și câmpul magnetic al curenților interni elementari nu este detectat în spațiul înconjurător.

Efectul unui câmp magnetic extern asupra curenților elementari din materie este că orientarea axelor de rotație a particulelor încărcate se modifică astfel încât momentele lor magnetice se dovedesc a fi direcționate într-o singură direcție. (spre câmpul magnetic extern). Intensitatea și natura magnetizării în diferite substanțe din același câmp magnetic extern diferă semnificativ. Valoarea care caracterizează proprietățile mediului și influența mediului asupra densității câmpului magnetic se numește absolută. permeabilitatea magnetică sau permeabilitatea magnetică a mediului (μ Cu ) . Aceasta este relația = . Măsurat [ μ Cu ]=H/m.

Permeabilitatea magnetică absolută a vidului se numește constantă magnetică μ despre \u003d 4π 10 -7 Gn / m.

Raportul dintre permeabilitatea magnetică absolută și constanta magnetică se numește permeabilitatea magnetică relativăμ c /μ 0 \u003d μ. Acestea. permeabilitatea magnetică relativă este o valoare care arată de câte ori permeabilitatea magnetică absolută a unui mediu este mai mare sau mai mică decât permeabilitatea absolută a vidului. μ este o mărime adimensională care variază într-o gamă largă. Această valoare este baza pentru împărțirea tuturor materialelor și mediilor în trei grupuri.

Diamagneții . Aceste substanțe au 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.

Paramagneți . Aceste substanțe au μ > 1. Acestea includ aluminiu, magneziu, staniu, platină, mangan, oxigen, aer etc. Aerul are = 1,0000031. . Aceste substanțe, precum și diamagneții, interacționează slab cu un magnet.

Pentru calculele tehnice, μ al corpurilor diamagnetice și paramagnetice se presupune că este egal cu unu.

feromagneți . Acesta este un grup special de substanțe care joacă un rol imens în inginerie electrică. Aceste substanțe au μ >> 1. Acestea includ fier, oțel, fontă, nichel, cobalt, gadoliniu și aliaje metalice. Aceste substanțe sunt puternic atrase de un magnet. Aceste substanțe au μ = 600-10 000. Pentru unele aliaje, μ atinge valori record de până la 100 000. De remarcat că μ pentru materialele feromagnetice nu este constantă și depinde de intensitatea câmpului magnetic, tipul de material și temperatură.

Valoarea mare a lui µ în feromagneți se explică prin faptul că aceștia au regiuni de magnetizare spontană (domenii), în cadrul cărora momentele magnetice elementare sunt direcționate în același mod. Când sunt adunate împreună, ele formează momentele magnetice comune ale domeniilor.

În absența unui câmp magnetic, momentele magnetice ale domeniilor sunt orientate aleatoriu, iar momentul magnetic total al corpului sau al substanței este zero. Sub acțiunea unui câmp exterior, momentele magnetice ale domeniilor sunt orientate într-o singură direcție și formează momentul magnetic total al corpului, îndreptat în aceeași direcție cu câmpul magnetic extern.

Această caracteristică importantă este utilizată în practică, folosind miezuri feromagnetice în bobine, ceea ce face posibilă creșterea bruscă a inducției magnetice și a fluxului magnetic la aceleași valori ale curenților și numărul de spire sau, cu alte cuvinte, concentrarea câmp magnetic într-un volum relativ mic.