Файл: Миловзоров, В. П. Электромагнитные устройства автоматики учебник.pdf

Наряду с напряженностью магнитное поле характеризуется м а г ­

н и т н о й и н д у к ц и е й В, определяемой для равномерного поля выражением

В, тл = Ф/s,

где s — площадь, через которую проходит магнитный поток. И н д у к т и в н о с т ь

L, гн — W/I.

В Связи с тем, что в физике магнетизма часто используют систему

СГСМ, в табл. 1.1 приведены соотношения между единицами систем СИ и СГСМ

Таблица 1.1

Единицы измерения магнитных величин

М а г н и т н а я п о с т о я н н а я ц0 (магнитная проницаемость вакуума) представляет собой отношение магнитной индукции к напря­ женности магнитного поля в вакууме:

р0 = В/Н

и является физической константой, численно равной

Напряженность внешнего магнитного поля не зависит от свойств среды (от свойств вещества), где создается магнитный поток. Магнит­ ная же индукция определяется как напряженностью, так и свойства­

9

По магнитным свойствам все вещества подразделяют на диамагне­ тики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Чтобы понять магнитные свойства различных веществ, характе­ ризуемые величиной р, и, в частности, материалов, которые применя­ ют для изготовления сердечников электромагнитных элементов разных типов, необходимо знать строение атомов и кристаллов твердых тел.

Как известно, атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра по орбитам. Круговой ток создает магнитный момент, определяемый формулой

т, а-м2 = is

(где і — сила тока, а; s — площадь, обтекаемая током, м2), а вращаю­ щийся по орбите электрон обладает некоторым орбитальным магнит-

Рис. 1.1. Магнитные моменты электрона в атоме

ным моментом. Кроме того, при движении по орбите каждый элек­ трон обладает свойством, близким к свойствам заряженного тела, вра­ щающегося вокруг своей оси. Это свойство называют с п и н о м э л е к т р о н а . Спин электрона, эквивалентный круговому току, обусловливает спиновый магнитный момент. Протоны и нейтроны, входящие в ядро атома, тоже имеют некоторые магнитные моменты, но в сотни раз меньшие, чем электрон. Поэтому можно считать, что магнитные свойства атома определяются в основном магнитными свой­ ствами его электронов (рис. 1.1, а). В случае нескольких электронов полный, или с о б с т в е н н ы й , магнитный момент атома определяет­ ся векторной суммой орбитальных и спиновых моментов с учетом их направления.

Если на атом воздействует внешнее магнитное поле Н, то возникает прецессия орбит электронов вокруг вектора этого поля. Прецессия орбиты, показанная на рис. 1.1,6 пунктиром, эквивалентна некоторо­ му дополнительному вращению электрона, которое вследствие его за­ ряда создает дополнительный магнитный момент. По правилу Ленца этот магнитный момент всегда направлен против внешнего поля и стре­ мится ослабить его. Это явление называют д и а м а г н е т и з м о м ; оно присуще атомам всех веществ.

. 10

Орбитальные и спиновые магнитные моменты могут иметь лишь одно из двух противоположных направлений. В случае противополож­ ного направления магнитные моменты пары электронов взаимно ком­ пенсируются. Это имеет место в любой полностью заполненной обо­ лочке, например у атома гелия, изображенного на рис. 1.1, в. Собствен­

ный магнитный момент такого атома в отсутствие внешнего поля ра­ вен нулю.

Магнитный момент единицы объема вещества называют н а м а г ­ н и ч е н н о с т ь ю

J, а/м — 2 tn/V,

где 2 т — суммарный момент атомов, занимающих объем V. Намагниченность можно рассматривать как напряженность, соз­

даваемую микротоками электронных оболочек вещества. Поэтому ин­

Часто векторы Н и J имеют одинаковое направление. При этом мож­

но перейти к скалярному выражению и разделить обе части равенства

(1.2) на Н:

женности внешнего поля Н. Кроме инертных газов, диамагнитны вода, некоторые металлы (медь, серебро, золото, ртуть, цинк, свинец, вис­ мут) и многие органические соединения.

У парамагнитных веществ атомы обладают отличными от нуля соб­ ственными магнитными моментами, которые при отсутствии внешнего поля ориентированы равновероятно по всем направлениям, поэтому средний магнитный момент вещества равен нулю. При наложении внеш­ него поля возникают силы, которые преодолевают дезориентирующее действие теплового движения атомов и ориентируют магнитные момен­ ты атомов по полю, подобно магнитным стрелкам, помещенным во внешнее^поле. Эта ориентация превышает диамагнитный эффект, создавае­ мый прецессией электронных орбит, в результате чего у парамагнети­ ков общая намагниченность совпадает с направлением внешнего поля. Магнитная восприимчивость парамагнетиков имеет положительное значение, а р > 1. К парамагнетикам относятся многие металлы (маг­ ний, кальций, алюминий, хром, молибден, марганец) и соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных элементов и др.

У диамагнетиков и парамагнетиков — слабомагнитных веществ, намагниченность невелика и является наведенной внешним полем

И

намагниченностью, которая исчезает вместе с исчезновением этого поля.

Ферромагнетики — это сильномагнитные вещества, у которых от­ носительная магнитная проницаемость р > 1 и может достигать десят­ ков и даже сотен тысяч. Из химически чистых элементов ферромагнит­ ными свойствами обладают только девять: железо, никель, кобальт, гадолиний и при температурах значительно ниже 0° С пять редкоземель­ ных элементов (эрбий, диспрозий, тулий, гольмий и тербий). Однако число ферромагнитных материалов очень велико, потому что к ферро­ магнитным материалам относятся сплавы самих ферромагнитных эле­

известны ферромагнитные сплавы из неферромагнитных элементов. Как уже отмечалось, собственный магнитный момент атома являет­ ся суммой орбитальных и спиновых моментов электронов. Физические

эксперименты [1.1] показали, что ферромагнитные свойства опреде­ ляются именно нескомпенсированными спинами электронов.

В атомах с достаточно большими порядковыми номерами электроны сгруппированы в электронные оболочки (слои). Максимальное число электронов в слое равно 2 п2. В слоях имеются подслои: первый s, вто­ рой р, третий d, четвертый /, пятый g. Для каждого подслоя существу­ ет свое предельное число электронов, полностью заполняющее под­ слой, причем у заполненных слоев и подслоев как орбитальные, так и спиновые магнитные моменты взаимно скомпенсированы. По мере уве­ личения числа электронов в атоме происходит последовательное запол­

нение слоев и подслоев и лишь у ферромагнетиков эта последователь­ ность нарушается.

На рис. 1.2, а изображены электронные слои (их номер обозначают цифрой) и подслои (s, р, d) в атоме железа. В скобках около

12

каждого подслоя указано число электронов, необходимое для полного его заполнения. Например, подслой 3d еще не заполнен (в нем шесть электронов, а для заполнения нужно десять) и в то же время нача­ лось заполнение следующего подслоя 4s, который имеет два электрона. В незаполненном подслое пять электронов обладают положительным (правым) спином и лишь один — отрицательным (левым). Следователь­ но, атом железа имеет четыре нескомпенсированных спина. Подобное отсутствие компенсации спиновых моментов в одном из внутренних

слоев электронной оболочки атома является необходимым условием фер­ ромагнетизма.

Электроны внешнего (наружного) слоя являются валентными и при химических взаимодействиях различных элементов их магнитные мо­ менты взаимно компенсируются даже в том случае, когда у отдельно рассматриваемого атома во внешнем слое имеются электроны с неском­ пенсированными спинами.

Наличие нескомпенсированных спинов во внутренних слоях яв­ ляется необходимым, но недостаточным условием ферромагнетизма. Кроме того, изолированные друг от друга атомы таких веществ не про­

в кристалле, когда электроны внутренних незаполненных слоев прина­

которого в значительной степени зависят от относительного расстоя­ ния между атомами в кристаллической решетке.

При положительном значении этого интеграла обменное взаимодей­ ствие атомов приводит к параллельной ориентации нескомпенсирован­

его ферромагнитные свойства. Слово «спонтанная» подчеркивает, что эта намагниченность является следствием сил межатомного взаимо­ действия, а не появляется, как наведенная намагниченность у диа- и парамагнетиков, лишь в результате воздействия на вещество внеш­ него магнитного поля.

При отрицательном значении интеграла обмена спины электронов в незаполненных внутренних слоях соседних атомов самопроизволь­ но устанавливаются антипараллельно и, таким образом, взаимно компенсируются, так что собственный магнитный момент вещества становится равным нулю и спонтанная намагниченность отсутствует. В этом состоит явление антиферромагнетизма.

Из рис. 1.2, б, где в скобках рядом с обозначениями элементов ука­ заны числа нескомпенсированных спинов, очевидно, что железо, ко­

в частности, что марганец приобретает ферромагнитные свойства в спла­ вах с такими неферромагнитными элементами, как висмут, олово и др.,

13