Файл: Отделение Физика Секция Экспериментальная физика Магнитные свойства вещества.docx

R = mv/eB,

где m – масса частицы, v – ее скорость, e – ее заряд, а B – магнитная индукция поля. Частота такого кругового движения равна



где f измеряется в герцах, e – в кулонах, m – в килограммах, B – в теслах. Эта частота характеризует движение заряженных частиц в веществе, находящемся в магнитном поле. Оба типа движений (прецессию и движение по круговым орбитам) можно возбудить переменными полями с резонансными частотами, равными «естественным» частотам, характерным для данного материала. В первом случае резонанс называется магнитным, а во втором – циклотронным (ввиду сходства с циклическим движением субатомной частицы в циклотроне).

Говоря о магнитных свойствах атомов, необходимо особо остановиться на их моменте импульса. Магнитное поле действует на вращающийся атомный диполь, стремясь повернуть его и установить параллельно полю. Вместо этого атом начинает прецессировать вокруг направления поля (рис. 10) с частотой, зависящей от дипольного момента и напряженности приложенного поля.



Прецессия атомов не поддается непосредственному наблюдению, поскольку все атомы образца прецессируют в разной фазе. Если же приложить небольшое переменное поле, направленное перпендикулярно постоянному упорядочивающему полю, то между прецессирующими атомами устанавливается определенное фазовое соотношение и их суммарный магнитный момент начинает прецессировать с частотой, равной частоте прецессии отдельных магнитных моментов. Важное значение имеет угловая скорость прецессии. Как правило, это величина порядка 10¹⁰ Гц/Тл для намагниченности, связанной с электронами, и порядка 10⁷ Гц/Тл для намагниченности, связанной с положительными зарядами в ядрах атомов.

Принципиальная схема установки для наблюдения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) представлена на рис. 11. В однородное постоянное поле между полюсами вводится изучаемое вещество. Если затем с помощью небольшой катушки, охватывающей пробирку, возбудить радиочастотное поле, то можно добиться резонанса на определенной частоте, равной частоте прецессии всех ядерных «гироскопов» образца. Измерения сходны с настройкой радиоприемника на частоту определенной станции.

---

Методы магнитного резонанса позволяют исследовать не только магнитные свойства конкретных атомов и ядер, но и свойства их окружения. Дело в том, что магнитные поля в твердых телах и молекулах неоднородны, поскольку искажены атомными зарядами, и детали хода экспериментальной резонансной кривой определяются локальным полем в области расположения прецессирующего ядра. Это и дает возможность изучать особенности структуры конкретного образца резонансными методами.

Расчет магнитных свойств.

Магнитная индукция поля Земли составляет 0,5Ч10^–4 Тл, тогда как поле между полюсами сильного электромагнита – порядка 2 Тл и более.

Магнитное поле, создаваемое какой-либо конфигурацией токов, можно вычислить, пользуясь формулой Био – Савара – Лапласа для магнитной индукции поля, создаваемого элементом тока. Расчет поля, создаваемого контурами разной формы и цилиндрическими катушками, во многих случаях весьма сложен. Ниже приводятся формулы для ряда простых случаев. Магнитная индукция (в теслах) поля, создаваемого длинным прямым проводом с током I (ампер), на расстоянии r (метров) от провода равна



Индукция в центре кругового витка радиуса R с током I равна (в тех же единицах):



Плотно намотанная катушка провода без железного сердечника называется соленоидом. Магнитная индукция, создаваемая длинным соленоидом c числом витков N в точке, достаточно удаленной от его концов, равна



Здесь величина NI/L есть число ампер (ампер-витков) на единицу длины соленоида. Во всех случаях магнитное поле тока направлено перпендикулярно этому току, а сила, действующая на ток в магнитном поле, перпендикулярна и току, и магнитному полю.

Поле намагниченного железного стержня сходно с внешним полем длинного соленоида с числом ампер-витков на единицу длины, соответствующим току в атомах на поверхности намагниченного стержня, поскольку токи внутри стержня взаимно компенсируются (рис. 12). По имени Ампера такой поверхностный ток называется амперовским. Напряженность магнитного поля H_a, создаваемая амперовским током, равна магнитному моменту единицы объема стержня M.
Если в соленоид вставлен железный стержень, то кроме того, что ток соленоида создает магнитное поле H, упорядочение атомных диполей в намагниченном материале стержня создает намагниченность M. В этом случае полный магнитный поток определяется суммой реального и амперовского токов, так что B = m0(H + H

---

_a), или B = m0(H + M). Отношение M/H называется магнитной восприимчивостью и обозначается греческой буквой c ; c – безразмерная величина, характеризующая способность материала намагничиваться в магнитном поле.

Величина B/H, характеризующая магнитные свойства материала, называется магнитной проницаемостью и обозначается через ma, причем ma = m0m, где ma – абсолютная, а m – относительная проницаемости,



В ферромагнитных веществах величина c может иметь очень большие значения –до 10⁴ё10⁶. Величина c у парамагнитных материалов немного больше нуля, а у диамагнитных – немного меньше. Лишь в вакууме и в очень слабых полях величины c и m постоянны и не зависят от внешнего поля. Зависимость индукции B от H обычно нелинейна, а ее графики, т.н. кривые намагничивания, для разных материалов и даже при разных температурах могут существенно различаться (примеры таких кривых приведены на рис. 2 и 3).

Магнитные свойства вещества весьма сложны, и для их глубокого понимания необходим тщательный анализ строения атомов, их взаимодействий в молекулах, их столкновений в газах и их взаимного влияния в твердых телах и жидкостях; магнитные свойства жидкостей пока наименее изучены.

1.2)Теперь выясним какие бывают виды магнитных свойств?

1) парамагнетики вещества, которые слабо намагничиваются в магнитном поле, причем результирующее поле в парамагнетиках сильнее, чем в вакууме, магнитная проницаемость парамагнетиков m > 1; Такими свойствами обладают алюминий, платина, кислород и др.; Парамагнетиками называются вещества, атомы которых имеют в отсутствии внешнего магнитного поля, отличный от нуля магнитный момент . mP  Эти вещества намагничиваются в направлении вектора . внешВ 

К парамагнетикам относятся многие щелочные металлы, кислород О2, оксид азота NO, хлорное железо FeCI2 Се3+, Рr3+, Ti3+, V3+, Fe2+, Mg2+, Li, Na и др. В отсутствии внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика J = 0, так как векторы разных атомов ориентированы беспорядочно. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле, происходит преимущественная ориентация собственных магнитных моментов атомов по направлению поля, так что парамагнетик намагничивается. Значения для парамагнетиков положительны ( ) и находятся в пределах 10–5 ÷ 10–3, то есть, как и у диамагнетиков. miP miP

Магнитная восприимчивость парамагнетиков в расчете на один моль (атом)

---

Вещество мол10-6 Вещество мол10-6 Mg Na Rb Ba K Li Ca W 13,25 15,1 18,2 20,4 21,25 24,6 44,0 55,0 Sr Ti U Pu FeS EuCl3 CoCl3 91,2 161,0 414,0 627,0 1074,0 2650,0 121660,0

2) диамагнетики – вещества, которые слабо намагничиваются против поля, то есть поле в диамагнетиках слабее, чем в вакууме, магнитная проницаемость m < 1. К диамагнетикам относятся медь, серебро, висмут и др.;

Диамагнетизм (от греч. dia – расхождение)  свойство веществ намагничиваться навстречу приложенному магнитному полю. Диамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствии внешнего поля равны нулю, т.к. магнитные моменты всех электронов атома взаимно скомпенсированы (например инертные газы, водород, азот, NaCl, Bi, Cu, Ag, Au и др.). При внесении диамагнитного вещества в магнитное поле его атомы приобретают наведенные магнитные моменты ΔPm направленные противоположно вектору . В 

 Вектор намагниченности диамагнетика равен (13.4.2)

 Для всех диамагнетиков

Вектор магнитной индукции собственного магнитного поля, создаваемого диамагнетиком при его намагничивании во внешнем поле направлен в сторону, противоположную (В отличии от диэлектрика в электрическом поле).

У диамагнетиков –магнитная восприимчивость среды.

внутрВ

внешВ

.1010 5-6 

Магнитная восприимчивость «Хи»

Магнитная восприимчивость диамагнетиков

Вещество мол10-6 He Cu Zn Ag Au Bi CO2 2,02 5,41 11,40 21,50 29,59 284,0 21

3) ферромагнетики – вещества, способные сильно намагничиваться в магнитном поле,  . Это железо, кобальт, никель и некоторые сплавы

 К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой. Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат для изготовления постоянных магнитов.
       К магнитомягким относят материалы с малой коэрцитивной си-лой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризу-ются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей,  трансформаторов, электромаг-нитов , магнитных систем электроизмерительных приборов и т. п.
Р.S. Коэрцитивная сила (от лат. coercitio «удерживание») — это зна-чение напряжённости магнитного поля, необходимое для полно-го размагничивания ферро- или ферримагнитноговещества. Единица из-меренияв системе СИ — Ампер/метр. Чем большей коэрцитивной силой обладает магнит, тем он устойчивее к размагничивающим факторам.

---

чными ферромагнетиками являются Fe, Co, Ni, Gd,, Dy, Ho, Er, Tm, а также соединения ферромагнитных материалов с неферромагнитными: Fe3Al, Ni3Mn, ZnCMn3  Ферромагнетики, в отличие от слабо магнитных диа- и парамагнетиков, являются сильно магнитными веществами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни раз превосходить внешнее поле.

Ферромагнетики (Fe, Co, Ni и др.) и парамагнетики (U, Pu, FeS) втягиваются в область более сильного поля,

1.3) Что такое петля Гистерезиса?

Петля гистерезиса - кривая, изображающая ход зависимости намагничивания от напряженности внешнего поля. Чем больше площадь петли, тем большую работу на перемагничивание надо затратить.

РАЗДЕЛ 2

Экспериментальная часть

Эксперимент проводился в кабинете физики ГБОУ РК «Крымскаягимназия-интернат для одарённых детей»

В оборудование входили источник тока, катушка, образец, провода, ключ, амперметр, датчик магнитного поля, штативы,

В начали мне предоставили тему, я читал теорию и только потом начал собирать установку. В ходе было собрано 2 установки в первой было заменено ручной источник тока на генератор звуковой функциональности.

Вывод :в ходе проделанной было исследовано магнитные свойства веществ

Было исследованиемагнитных свойств веществ

Получили результаты:

-Узнали, что такое магнитные свойства вещества.

-Узнали какие бывают виды магнитных свойств.

-Узнали что такое петля гистерезиса .

-Собрали установку и получить результат.

Использованные источники.

1)Применение

2)Мишин Д.Д. Магнитные материалы. М., 1981
3)Каганов М.И., Цукерник В.М. Природа магнетизма. М., 1982
4)Белов К.П., Бочкарев Н.Г. Магнетизм на Земле и в космосе. М., 1983

---