O momento magnético é a principal grandeza vetorial que caracteriza as propriedades magnéticas de uma substância. Como a fonte do magnetismo é uma corrente fechada, o valor do momento magnético M definido como o produto da força atual EU para a área coberta pelo circuito atual S:
M = I×S A × m 2 .
As camadas eletrônicas de átomos e moléculas têm momentos magnéticos. Elétrons e outros partículas elementares possuem um momento magnético de spin determinado pela existência de seu próprio momento mecânico - o spin. O momento magnético de spin de um elétron pode ser orientado em um campo magnético externo de tal forma que apenas duas projeções iguais e opostas do momento na direção do vetor de intensidade são possíveis campo magnético, igual a Bohr magneton- 9,274 × 10 -24 A × m 2.
Magnetização - J-é o momento magnético total por unidade de volume da substância:
Suscetibilidade magnética de uma substância, א v- a razão entre a magnetização de uma substância e a força do campo magnético, por unidade de volume:
אv = , quantidade adimensional.
Suscetibilidade magnética específica, א – a relação entre a suscetibilidade magnética e a densidade de uma substância, ou seja, suscetibilidade magnética por unidade de massa, medida em m 3 /kg.
Permeabilidade magnética, μ – isto é quantidade física caracterizando a mudança na indução magnética sob a influência de um campo magnético . Para meios isotrópicos, a permeabilidade magnética é igual à razão de indução no meio NOà força do campo magnético externo H e para a constante magnética μ 0 :
A permeabilidade magnética é uma quantidade adimensional. Seu valor para um determinado meio é 1 a mais que a suscetibilidade magnética do mesmo meio:
μ = אv+1, desde B \u003d μ 0 (H + J).
De acordo com a estrutura magnética e o valor da permeabilidade magnética (suscetibilidade), os materiais são divididos em:
Diamagnetos μ< 1 (o material "resiste" ao campo magnético);
Paramagnetos µ > 1(o material percebe fracamente o campo magnético);
ferromagnetos µ >> 1(o campo magnético no material é amplificado);
Ferrimagnetos µ >> 1(o campo magnético no material aumenta, mas a estrutura magnética do material difere da estrutura dos ferromagnetos);
antiferromagnetos μ ≈ 1(o material reage fracamente a um campo magnético, embora a estrutura magnética seja semelhante a ferrimagnetos).
O diamagnetismo é a propriedade de uma substância ser magnetizada na direção de um campo magnético externo agindo sobre ela (de acordo com a lei da indução eletromagnética e a regra de Lenz). O diamagnetismo é característico de todas as substâncias, mas em sua "forma pura" se manifesta nos diamagnetos. Os diamagnetos são substâncias cujas moléculas não possuem momentos magnéticos próprios (seu momento magnético total é zero), portanto não possuem outras propriedades além do diamagnetismo. Exemplos de diamagnetos:
Hidrogênio, א = - 2×10 -9 m3/kg.
Água, א = - 0,7×10 -9 m3/kg.
Diamante, א = - 0,5×10 -9 m3/kg.
Grafite, א = - 3×10 -9 m3/kg.
Cobre = - 0,09×10 -9 m3/kg.
Zinco, א = - 0,17×10 -9 m3/kg.
Prata = - 0,18×10 -9 m3/kg.
Ouro, א = - 0,14×10 -9 m3/kg.
43. Descreva a natureza do paramagnetismo.
O paramagnetismo é uma propriedade de substâncias chamadas paramagnetos, que, quando colocadas em um campo magnético externo, adquirem um momento magnético que coincide com a direção desse campo. Átomos e moléculas de paramagnetos, ao contrário dos diamagnets, têm seus próprios momentos magnéticos. Na ausência de um campo, a orientação desses momentos é caótica (devido ao movimento térmico) e o momento magnético total da substância é zero. Quando um campo externo é aplicado, ocorre a orientação parcial dos momentos magnéticos das partículas na direção do campo, e a magnetização J é adicionada à força do campo externo H: B = μ 0 (H+J). A indução na substância é aumentada. Exemplos de paramagnetos:
Oxigênio, א = 108×10 -9 m3/kg.
Titânio = 3×10 -9 m3/kg.
Alumínio, א = 0,6×10 -9 m3/kg.
Platina, א = 0,97×10 -9 m3/kg.
44. Descreva a natureza do ferromagnetismo.
O ferromagnetismo é um estado magneticamente ordenado da matéria, no qual todos os momentos magnéticos dos átomos em um determinado volume de matéria (domínio) são paralelos, o que causa a magnetização espontânea do domínio. O surgimento da ordem magnética está associado à interação de troca de elétrons, que é de natureza eletrostática (lei de Coulomb). Na ausência de um campo magnético externo, a orientação dos momentos magnéticos de diferentes domínios pode ser arbitrária e o volume da matéria em consideração pode geralmente ter uma magnetização fraca ou nula. Quando um campo magnético é aplicado, os momentos magnéticos dos domínios são orientados ao longo do campo quanto mais, maior a intensidade do campo. Nesse caso, o valor da permeabilidade magnética do ferroímã muda e a indução na substância aumenta. Exemplos de ferromagnetos:
Ferro, níquel, cobalto, gadolínio
e ligas destes metais entre si e outros metais (Al, Au, Cr, Si, etc.). μ ≈ 100…100000.
45. Descreva a natureza do ferrimagnetismo.
Ferrimagnetismo é um estado magneticamente ordenado da matéria, no qual os momentos magnéticos de átomos ou íons formam em um determinado volume de matéria (domínio) sub-redes magnéticas de átomos ou íons com momentos magnéticos totais que não são iguais entre si e direcionados antiparalelos. O ferrimagnetismo pode ser considerado o mais caso Geral estado magneticamente ordenado, e ferromagnetismo como um caso com uma sub-rede. A composição dos ferromagnetos inclui necessariamente átomos de ferromagnetos. Exemplos de ferrimagnetos:
Fe 3 O 4 ; MgFe2O4; CuFe2O4; MnFe 2 O 4 ; NiFe 2 O 4 ; CoFe2O4…
A permeabilidade magnética dos ferrimagnetos é da mesma ordem que a dos ferromagnetos: μ ≈ 100…100000.
46. Descreva a natureza do antiferromagnetismo.
O antiferromagnetismo é um estado magneticamente ordenado de uma substância, caracterizado pelo fato de que os momentos magnéticos das partículas vizinhas da substância são orientados de forma antiparalela e, na ausência de um campo magnético externo, a magnetização total da substância é zero. Um antiferromagneto em relação à estrutura magnética pode ser considerado como caso especial um ferrimagnet no qual os momentos magnéticos das sub-redes são iguais em valor absoluto e antiparalelos. A permeabilidade magnética dos antiferromagnetos é próxima de 1. Exemplos de antiferromagnetos:
Cr2O3; manganês; FeSi; Fe2O3; NIO……… μ ≈ 1.
47. Qual é o valor da permeabilidade magnética dos materiais no estado supercondutor?
Supercondutores abaixo da temperatura de supertransição são diamagnetos ideais:
א= - 1; μ = 0.
chamada permeabilidade magnética . magnético absolutopermeabilidade ambiente é a proporção de B para H. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades, é medido em unidades chamadas 1 henry por metro.
Seu valor numérico é expresso pela razão entre seu valor e o valor da permeabilidade magnética do vácuo e é denotado por µ. Este valor é chamado magnético relativopermeabilidade(ou simplesmente permeabilidade magnética) do meio. Como quantidade relativa, não tem unidade de medida.
Portanto, a permeabilidade magnética relativa µ é um valor que mostra quantas vezes a indução do campo de um determinado meio é menor (ou mais) que a indução do campo magnético do vácuo.
Quando uma substância é exposta a um campo magnético externo, ela se torna magnetizada. Como isso acontece? Segundo a hipótese de Ampere, correntes elétricas microscópicas circulam constantemente em todas as substâncias, causadas pelo movimento dos elétrons em suas órbitas e pela presença de seus próprios V condições normais esse movimento é desordenado e os campos se "extinguem" (compensam) uns aos outros. Ao colocar o corpo em campo externo há uma ordenação das correntes, e o corpo fica magnetizado (ou seja, tendo seu próprio campo).
A permeabilidade magnética de todas as substâncias é diferente. Com base em seu tamanho, as substâncias devem ser divididas em três grandes grupos.
No diamagnetos o valor da permeabilidade magnética µ é ligeiramente menor que a unidade. Por exemplo, o bismuto tem µ = 0,9998. Os diamagnetos incluem zinco, chumbo, quartzo, cobre, vidro, hidrogênio, benzeno e água.
Permeabilidade magnética paramagnetos ligeiramente mais do que a unidade (para o alumínio, µ = 1,000023). Exemplos de paramagnetos são níquel, oxigênio, tungstênio, ebonita, platina, nitrogênio, ar.
Finalmente, o terceiro grupo inclui várias substâncias (principalmente metais e ligas), cuja permeabilidade magnética excede significativamente (em várias ordens de grandeza) a unidade. Essas substâncias são ferromagnetos. Estes incluem principalmente níquel, ferro, cobalto e suas ligas. Para aço µ = 8∙10^3, para liga de níquel-ferro µ=2,5∙10^5. Os ferromagnetos têm propriedades que os distinguem de outras substâncias. Primeiro, eles têm magnetismo residual. Em segundo lugar, sua permeabilidade magnética depende da magnitude da indução do campo externo. Em terceiro lugar, para cada um deles existe um certo limite de temperatura, chamado ponto Curie, em que perde suas propriedades ferromagnéticas e se torna um paramagneto. Para o níquel, o ponto Curie é de 360°C, para o ferro é de 770°C.
As propriedades dos ferromagnetos são determinadas não apenas pela permeabilidade magnética, mas também pelo valor de I, chamado magnetização desta substância. Esta é uma função não linear complexa de indução magnética, o crescimento da magnetização é descrito por uma linha chamada curva de magnetização. Neste caso, tendo atingido um certo ponto, a magnetização praticamente para de crescer (vem saturação magnética). O atraso do valor da magnetização de um ferroímã do valor crescente da indução do campo externo é chamado histerese magnética. Nesse caso, há uma dependência das características magnéticas de um ferroímã não apenas de seu estado atual, mas também de sua magnetização anterior. A representação gráfica da curva dessa dependência é chamada ciclo de histerese.
Devido às suas propriedades, os ferromagnetos são amplamente utilizados na engenharia. São utilizados nos rotores de geradores e motores elétricos, na fabricação de núcleos de transformadores e na produção de peças para computadores eletrônicos. ferromagnetos são usados em gravadores, telefones, fitas magnéticas e outras mídias.
Determinação da permeabilidade magnética de uma substância. Seu papel na descrição do campo magnético
Se você realizar um experimento com um solenóide conectado a um galvanômetro balístico, quando a corrente for ligada no solenóide, você poderá determinar o valor do fluxo magnético Ф, que será proporcional à rejeição da agulha do galvanômetro. Faremos o experimento duas vezes, e faremos com que a corrente (I) no galvanômetro seja a mesma, mas no primeiro experimento o solenóide ficará sem núcleo, e no segundo experimento, antes de ligar a corrente, nós introduzirá um núcleo de ferro no solenóide. Verifica-se que no segundo experimento o fluxo magnético é significativamente maior do que no primeiro (sem núcleo). Ao repetir o experimento com núcleos espessura diferente, verifica-se que o fluxo máximo é obtido quando todo o solenóide é preenchido com ferro, ou seja, o enrolamento é enrolado firmemente em torno do núcleo de ferro. Você pode experimentar diferentes núcleos. O resultado é que:
onde $Ф$ é o fluxo magnético em uma bobina com núcleo, $Ф_0$ é o fluxo magnético em uma bobina sem núcleo. O aumento do fluxo magnético quando o núcleo é introduzido no solenóide é explicado pelo fato de que o fluxo magnético criado por uma combinação de correntes moleculares ampères orientadas foi adicionado ao fluxo magnético que cria a corrente no enrolamento do solenóide. Sob a influência de um campo magnético, as correntes moleculares são orientadas e seu momento magnético total deixa de ser igual a zero, surge um campo magnético adicional.
Definição
O valor $\mu $, que caracteriza as propriedades magnéticas do meio, é chamado de permeabilidade magnética (ou permeabilidade magnética relativa).
Esta é uma característica adimensional da matéria. Um aumento no fluxo Ф em $\mu $ vezes (1) significa que a indução magnética $\overrightarrow(B)$ no núcleo é muitas vezes maior do que no vácuo com a mesma corrente no solenóide. Portanto, pode-se escrever que:
\[\overrightarrow(B)=\mu (\overrightarrow(B))_0\left(2\right),\]
onde $(\overrightarrow(B))_0$ é a indução do campo magnético no vácuo.
Juntamente com a indução magnética, que é a principal característica de força do campo, é usada uma quantidade de vetor auxiliar como a intensidade do campo magnético ($\overrightarrow(H)$), que é relacionado a $\overrightarrow(B)$ pelo seguinte relação:
\[\overrightarrow(B)=\mu \overrightarrow(H)\left(3\right).\]
Se a fórmula (3) for aplicada ao experimento com um núcleo, obtemos isso na ausência de um núcleo:
\[(\overrightarrow(B))_0=(\mu )_0\overrightarrow(H_0)\left(4\right),\]
onde $\mu$=1. Na presença de um núcleo, obtemos:
\[\overrightarrow(B)=\mu (\mu )_0\overrightarrow(H)\left(5\right).\]
Mas como (2) é satisfeito, verifica-se que:
\[\mu (\mu )_0\overrightarrow(H)=(\mu m)_0\overrightarrow(H_0)\to \overrightarrow(H)=\overrightarrow(H_0)\left(6\right).\]
Obtivemos que a força do campo magnético não depende de que tipo de substância homogênea o espaço está preenchido. A permeabilidade magnética da maioria das substâncias é aproximadamente a unidade, com exceção dos ferromagnetos.
Normalmente, o vetor de magnetização ($\overrightarrow(J)$) é associado ao vetor de intensidade em cada ponto do ímã:
\[\overrightarrow(J)=\varkappa \overrightarrow(H)\left(7\right),\]
onde $\varkappa $ é a suscetibilidade magnética, uma quantidade adimensional. Para substâncias não ferromagnéticas e em campos pequenos, $\varkappa $ não depende da intensidade, é uma grandeza escalar. Em meios anisotrópicos, $\varkappa$ é um tensor e as direções de $\overrightarrow(J)$ e $\overrightarrow(H)$ não coincidem.
Substituindo em (8) a expressão para o vetor de magnetização (7), obtemos:
\[\overrightarrow(H)=\frac(\overrightarrow(B))((\mu )_0)-\overrightarrow(H)\left(9\right).\]
Expressamos a tensão, obtemos:
\[\overrightarrow(H)=\frac(\overrightarrow(B))((\mu )_0\left(1+\varkappa \right))\to \overrightarrow(B)=(\mu )_0\left( 1+\varkappa \right)\overrightarrow(H)\left(10\right).\]
Comparando as expressões (5) e (10), obtemos:
\[\mu =1+\varkappa \left(11\right).\]
A suscetibilidade magnética pode ser positiva ou negativa. De (11) segue que a permeabilidade magnética pode ser maior que a unidade e menor que ela.
Exemplo 1
Tarefa: Calcular a magnetização no centro de uma bobina circular de raio R=0,1 m com uma corrente de I=2A se estiver imersa em oxigênio líquido. A suscetibilidade magnética do oxigênio líquido é $\varkappa =3.4\cdot (10)^(-3).$
Como base para resolver o problema, tomamos uma expressão que reflete a relação entre a intensidade do campo magnético e a magnetização:
\[\overrightarrow(J)=\varkappa \overrightarrow(H)\left(1.1\right).\]
Vamos encontrar o campo no centro da bobina com corrente, pois precisamos calcular a magnetização neste ponto.
Selecionamos uma seção elementar em um condutor de corrente (Fig. 1), como base para resolver o problema, usamos a fórmula para a intensidade de um elemento de bobina com corrente:
onde $\ \overrightarrow(r)$ é o vetor raio traçado do elemento atual até o ponto considerado, $\overrightarrow(dl)$ é o elemento do condutor com corrente (o sentido é dado pelo sentido da corrente ), $\vartheta$ é o ângulo entre $ \overrightarrow(dl)$ e $\overrightarrow(r)$. Baseado na Fig. 1 $\vartheta=90()^\circ $, portanto (1.1) será simplificado, além disso, a distância do centro do círculo (o ponto onde procuramos o campo magnético) do elemento condutor com corrente é constante e igual ao raio da bobina (R), portanto temos:
O vetor resultante da força do campo magnético é direcionado ao longo do eixo X, pode ser encontrado como a soma dos vetores individuais $\ \ \overrightarrow(dH),$ já que todos os elementos atuais criam campos magnéticos no centro do pavio, direcionado ao longo da normal da bobina. Então, de acordo com o princípio da superposição, a força total do campo magnético pode ser obtida indo para a integral:
Substituindo (1.3) em (1.4), obtemos:
Encontramos a magnetização, se substituirmos a intensidade de (1.5) em (1.1), obtemos:
Todas as unidades são dadas no sistema SI, vamos fazer os cálculos:
Resposta: $J=3,4\cdot (10)^(-2)\frac(A)(m).$
Exemplo 2
Tarefa: Calcular a proporção do campo magnético total em uma haste de tungstênio, que está em um campo magnético uniforme externo, que é determinado por correntes moleculares. A permeabilidade magnética do tungstênio é $\mu =1.0176.$
A indução do campo magnético ($B"$), que é explicada pelas correntes moleculares, pode ser encontrada como:
onde $J$ é a magnetização. Está relacionado com a intensidade do campo magnético pela expressão:
onde a suscetibilidade magnética de uma substância pode ser encontrada como:
\[\varkappa =\mu -1\ \left(2.3\right).\]
Portanto, encontramos o campo magnético das correntes moleculares como:
O campo total na barra é calculado de acordo com a fórmula:
Usamos as expressões (2.4) e (2.5) para encontrar a relação desejada:
\[\frac(B")(B)=\frac((\mu )_0\esquerda(\mu -1\direita)H)(\mu (\mu )_0H)=\frac(\mu -1) (\mu).\]
Vamos fazer os cálculos:
\[\frac(B")(B)=\frac(1.0176-1)(1.0176)=0.0173.\]
Resposta: $\frac(B")(B)=0.0173.$
Se nos experimentos descritos acima, em vez de um núcleo de ferro, forem retirados núcleos de outros materiais, uma mudança no fluxo magnético também poderá ser detectada. É mais natural esperar que o efeito mais perceptível seja produzido por materiais semelhantes em suas propriedades magnéticas ao ferro, ou seja, níquel, cobalto e algumas ligas magnéticas. De fato, quando um núcleo desses materiais é introduzido na bobina, o aumento do fluxo magnético acaba sendo bastante significativo. Em outras palavras, podemos dizer que sua permeabilidade magnética é alta; para o níquel, por exemplo, pode chegar a 50, para o cobalto 100. Todos esses materiais com grandes valores combinados em um grupo de materiais ferromagnéticos.
No entanto, todos os outros materiais "não magnéticos" também têm algum efeito no fluxo magnético, embora esse efeito seja muito menor do que o dos materiais ferromagnéticos. Com medições muito cuidadosas, essa mudança pode ser detectada e a permeabilidade magnética pode ser determinada. vários materiais. No entanto, deve-se ter em mente que, no experimento descrito acima, comparamos o fluxo magnético na bobina, cuja cavidade é preenchida com ferro, com o fluxo na bobina, dentro da qual há ar. Embora falássemos de materiais fortemente magnéticos como ferro, níquel, cobalto, isso não importava, pois a presença do ar tem muito pouco efeito no fluxo magnético. Mas ao estudar as propriedades magnéticas de outras substâncias, em particular do próprio ar, devemos, é claro, fazer comparações com uma bobina sem ar em seu interior (vácuo). Assim, para a permeabilidade magnética tomamos a razão dos fluxos magnéticos na substância em estudo e no vácuo. Em outras palavras, tomamos a permeabilidade magnética para o vácuo como uma unidade (se , então ).
As medições mostram que a permeabilidade magnética de todas as substâncias é diferente da unidade, embora na maioria dos casos essa diferença seja muito pequena. Mas o fato de algumas substâncias terem uma permeabilidade magnética maior que um, enquanto outras têm menos que um, é especialmente notável, ou seja, encher a bobina com algumas substâncias aumenta o fluxo magnético e encher a bobina com outras substâncias reduz esse fluxo . A primeira dessas substâncias é chamada de paramagnética () e a segunda - diamagnética (). Como Tabela. 7, a diferença na permeabilidade da unidade é pequena para substâncias paramagnéticas e diamagnéticas.
Deve-se enfatizar especialmente que, para corpos paramagnéticos e diamagnéticos, a permeabilidade magnética não depende da indução magnética do campo magnetizante externo, ou seja, é um valor constante que caracteriza uma determinada substância. Como veremos § 149, este não é o caso do ferro e outros corpos similares (ferromagnéticos).
Tabela 7. Permeabilidade para algumas substâncias paramagnéticas e diamagnéticas
|
Substâncias paramagnéticas |
Substâncias diamagnéticas |
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Nitrogênio (gasoso) |
Hidrogênio (gasoso) |
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Ar (gasoso) |
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Oxigênio (gasoso) |
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Oxigênio (líquido) |
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Alumínio |
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Tungstênio |
|||
A influência de substâncias paramagnéticas e diamagnéticas no fluxo magnético é explicada, assim como a influência de substâncias ferromagnéticas, pelo fato de que um fluxo proveniente de correntes de ampères elementares é adicionado ao fluxo magnético criado pela corrente no enrolamento da bobina. Substâncias paramagnéticas aumentam o fluxo magnético da bobina. Este aumento no fluxo quando a bobina é preenchida com uma substância paramagnética indica que em substâncias paramagnéticas, sob a ação de um campo magnético externo, as correntes elementares são orientadas de modo que sua direção coincida com a direção da corrente do enrolamento (Fig. 276). Uma pequena diferença da unidade apenas indica que, no caso de substâncias paramagnéticas, esse fluxo magnético adicional é muito pequeno, ou seja, que as substâncias paramagnéticas são magnetizadas muito fracamente.
A diminuição do fluxo magnético quando a bobina é preenchida com uma substância diamagnética significa que, neste caso, o fluxo magnético das correntes de ampères elementares é direcionado no sentido oposto ao fluxo magnético da bobina, ou seja, que as correntes elementares surgem em substâncias diamagnéticas sob a ação de um campo magnético externo, dirigido contrariamente às correntes dos enrolamentos (Fig. 277). A pequenez dos desvios da unidade neste caso também indica que o fluxo adicional dessas correntes elementares é pequeno.
Arroz. 277. Substâncias diamagnéticas dentro da bobina enfraquecem o campo magnético do solenóide. As correntes elementares neles são direcionadas opostas à corrente no solenóide
4. Materiais magnéticos. Química de materiais de rádioOs materiais magnéticos nas comunicações elétricas e de rádio desempenham o mesmo papel importante que os materiais condutores e dielétricos. Em máquinas elétricas, transformadores, bobinas, equipamentos elétricos e de rádio e medindo instrumentos materiais magnéticos são sempre usados de uma forma ou de outra: como um circuito magnético, na forma imãs permanentes ou para blindagem de campos magnéticos.
Qualquer substância, sendo colocada em um campo magnético, adquire um certo momento magnético M. O momento magnético por unidade de volume é chamado de magnetização J m:
J m = M/V. (4.1)
A magnetização está relacionada com a força do campo magnético:
J m = k m H, (4.2)
onde k m é uma quantidade adimensional que caracteriza a capacidade de uma determinada substância ser magnetizada em um campo magnético e chamada suscetibilidade magnética .
A causa raiz das propriedades magnéticas de uma substância são as formas ocultas internas do movimento das cargas elétricas, que são correntes circulares elementares com momentos magnéticos. Tais correntes são spins orbitais e rotações orbitais de elétrons em um átomo. Os momentos magnéticos de prótons e nêutrons são cerca de 1000 vezes menores que o momento magnético de um elétron, então as propriedades magnéticas de um átomo são inteiramente determinadas pelos elétrons, o momento magnético do núcleo pode ser desprezado.
De acordo com a reação a um campo magnético externo e a natureza do ordenamento magnético interno, todas as substâncias na natureza podem ser divididas em cinco grupos:
Diamagnetos – a permeabilidade magnética m é menor que a unidade e não depende da força do campo magnético externo.
O diamagnetismo é devido a uma pequena mudança na velocidade angular da rotação orbital de um elétron quando um átomo é introduzido em um campo magnético.
O efeito diamagnético é universal, inerente a todas as substâncias. No entanto, na maioria dos casos, é mascarado por efeitos magnéticos mais fortes.
Os diamagnetos incluem gases inertes, hidrogênio, nitrogênio, muitos líquidos (água, óleo), vários metais (cobre, prata, ouro, zinco, mercúrio, etc.), a maioria dos semicondutores e compostos orgânicos. Diamagnetos são todas as substâncias com uma ligação química covalente e substâncias no estado supercondutor.
Uma manifestação externa do diamagnetismo é a expulsão de diamagnetos de um campo magnético não homogêneo.
Paramagnetos - substâncias com m maior que um, independente da força do campo magnético externo.
Um campo magnético externo causa a orientação preferencial dos momentos magnéticos dos átomos em uma direção.
Paramagnetos colocados em um campo magnético são atraídos para ele.
Os paramagnetos incluem: oxigênio, óxido nítrico, metais alcalinos e alcalino-terrosos, sais de ferro, cobalto, níquel e elementos de terras raras.
O efeito paramagnético natureza física em muitos aspectos semelhante à polarização de relaxamento de dipolo de dielétricos.
Para ferromagnetos incluem substâncias com alta permeabilidade magnética (até 10 6), que depende fortemente da força do campo magnético externo e da temperatura.
Os ferromagnetos são inerentes ao ordenamento magnético interno, que se expressa na existência de regiões macroscópicas com momentos magnéticos de átomos orientados paralelamente. A característica mais importante dos ferromagnetos é sua capacidade de serem magnetizados até a saturação em campos magnéticos fracos.
antiferromagnetos são substâncias nas quais, abaixo de uma certa temperatura T °, surge espontaneamente uma orientação antiparalela dos momentos magnéticos de átomos ou íons idênticos da rede cristalina
Quando aquecido, o antiferromagnet entra em um estado paramagnético. Antiferromagnetismo foi encontrado em cromo, manganês e vários elementos de terras raras (Ce, Nd, Sm, Tm, etc.)
Para ferrimagnetos incluem substâncias cujas propriedades magnéticas são devidas ao antiferromagnetismo descompensado. Sua permeabilidade magnética é alta e depende fortemente da intensidade do campo magnético e da temperatura.
Algumas ligas metálicas ordenadas têm as propriedades dos ferrimagnetos, mas principalmente vários compostos de óxido e ferritas são de interesse principal.
Dia-, para- e antiferromagnetos podem ser combinados em um grupo fracamente magnético substâncias, enquanto ferro e ferrimagnetos são altamente magnético materiais são do maior interesse.
O comportamento de um material ferromagnético em um campo magnético é caracterizado pela curva de magnetização inicial:
Arroz. 4.1. Curva de magnetização inicial.
Mostrando a dependência da indução magnética B no material da intensidade do campo magnético H.
As propriedades dos materiais magnéticos são avaliadas por características magnéticas. Vamos considerar os principais.
A permeabilidade magnética absoluta m a de um material é a razão entre a indução magnética B e a força do campo magnético H em um determinado ponto na curva de magnetização para um determinado material e é expressa em H/m:
m a \u003d B / H (4.3)
A permeabilidade magnética relativa do material m é a razão entre a permeabilidade magnética absoluta e a constante magnética:
m \u003d m a / m o (4.4)
μ 0 - caracteriza o campo magnético no vácuo (m 0 \u003d 1,256637 10 -6 Gn / m).
A permeabilidade magnética absoluta é usada apenas para cálculos. Para avaliar as propriedades dos materiais magnéticos, utiliza-se m, que independe do sistema de unidades escolhido. É chamado de permeabilidade magnética. A permeabilidade magnética depende da força do campo magnético:
Arroz. 4.2. Dependência da permeabilidade magnética da intensidade do campo magnético.
Existem m n iniciais e permeabilidade magnética máxima m m. O inicial é medido em intensidades de campo magnético próximas de zero.
Grandes valores de m n e m m mostram que este material é facilmente magnetizado em campos magnéticos fracos e fortes.
O coeficiente de temperatura da permeabilidade magnética TKm permite estimar a natureza da mudança em m dependendo
TC μ \u003d (μ 2 - μ 1) / μ 1 (T 2 - T 1)
Uma dependência típica de μ em T ° é mostrada na Fig. 4.3.
Fig.4.3. Dependência típica da permeabilidade magnética de materiais ferromagnéticos com a temperatura
A temperatura na qual μ cai para quase zero é chamada temperatura Curie T k. Em T > T k, o processo de magnetização é perturbado devido ao intenso movimento térmico dos átomos e moléculas do material, portanto, o material deixa de ser ferromagnético.
Portanto, para ferro puro T k \u003d 768 ° C
para níquel Tk = 358°C
para cobalto Tc = 1131°C
A indução B s , característica de todos os materiais magnéticos, é chamada de indução de saturação (ver Fig. 4.4). Quanto mais B s para um dado H, melhor o material magnético.
Se uma amostra de material magnético é magnetizada aumentando continuamente a força do campo magnético H, a indução magnética B também aumentará continuamente ao longo da curva de magnetização inicial 1:
Fig.4.4. Circuito de histerese de material magnético
Esta curva termina no ponto correspondente à indução de saturação B s . Com a diminuição de H, a indução também diminuirá, mas a partir do valor de B m, os valores de B não coincidirão com a curva de magnetização inicial.
A indução magnética residual B r é observada em um material ferromagnético quando H=0. Para desmagnetizar a amostra, é necessário que a intensidade do campo magnético mude sua direção para o oposto - H. A intensidade do campo na qual a indução torna-se zero é chamada de força coercitiva H s. Quanto mais Hc, menos o material é capaz de desmagnetizar.
Se, após a desmagnetização, o material for magnetizado na direção oposta, forma-se um circuito fechado, denominado circuito de histerese limitante - um loop obtido com uma mudança suave na intensidade do campo magnético de +H para -H, quando a indução magnética se torna igual à indução de saturação B s .
Estas são as perdas P g gastas na reversão da magnetização de uma unidade de massa de material em um ciclo [W / kg]. Seu valor depende da frequência de reversão da magnetização e do valor da indução máxima. Eles são determinados (em um ciclo) pela área do loop de histerese.
É formado quando o material é remagnetizado por um campo magnético alternado e tem uma área maior que o estático, pois. sob a ação de um campo magnético alternado, além das perdas por histerese, há perdas por correntes parasitas e efeito secundário magnético (defasagem de tempo dos parâmetros de H), que é determinado pela viscosidade magnética do material.
As perdas de energia devido às correntes parasitas Pv dependem da resistividade elétrica do material ρ. Quanto maior ρ, menores as perdas. P in também depende da densidade do material e sua espessura. Eles são proporcionais ao quadrado da amplitude da indução magnética B m e à frequência f do campo alternado.
Para estimar a forma do loop de histerese, o coeficiente de quadratura do loop de histerese é usado:
K p \u003d B r / B m (4,6)
Quanto maior Kp, mais retangular é o loop. Para materiais magnéticos usados em computadores de automação e memória, K p = 0,7-0,9.
Esta é a característica utilizada na avaliação das propriedades de materiais magneticamente duros, expressa pela fórmula:
Wm = 1/2(B d H d), (4,7)
onde B d e H d, respectivamente, são a indução e a intensidade do campo magnético, correspondendo ao valor máximo da energia volumétrica específica (Fig. 4.5).
Fig.4.5. Desmagnetização e curvas de energia magnética
Quanto maior a energia do volume, melhor o material magnético e o ímã permanente feito a partir dele.
De acordo com o comportamento em um campo magnético, todos os materiais magnéticos são divididos em dois grupos principais - magneticamente macios (MMM) e magneticamente duros (MTM). Os MMMs são caracterizados por altos valores de permeabilidade magnética inicial e máxima e baixos valores de força coercitiva (menos de 4000 A/m). Eles são facilmente magnetizados e desmagnetizados e possuem baixas perdas por histerese.
Quanto mais puro o MMM, melhores suas características magnéticas.
MTMs têm uma grande força coercitiva (mais de 4000 A/m) e indução residual (mais de 0,1 T). Eles são magnetizados com grande dificuldade, mas podem reter a energia magnética por muito tempo, ou seja, servir como fonte de um campo magnético constante.
De acordo com sua composição, todos os materiais magnéticos são divididos em
Materiais magnéticos metálicos são metais puros (ferro, cobalto, níquel) e ligas magnéticas de alguns metais.
Materiais magnéticos não metálicos - ferritas, obtidas a partir de uma mistura em pó de óxidos de ferro e óxidos de outros metais. Os produtos de ferrita prensados são recozidos, como resultado, eles se transformam em peças monolíticas sólidas.
Os magnetodielétricos são materiais compostos que consistem em 60-80% de material magnético em pó e 40-20% de dielétrico.
As ferritas e os magnetodielétricos diferem dos materiais magnéticos metálicos por grandes ρ(10 2 -10 8 ohm·m), dos quais as perdas por correntes parasitas são pequenas. Isso permite que eles sejam usados em tecnologia de alta frequência. Além disso, as ferritas têm uma alta estabilidade dos parâmetros magnéticos em uma ampla faixa de frequência (incluindo micro-ondas).
Os principais materiais magnéticos macios usados em equipamentos eletrônicos são ferro carbonílico, permalloys, alsifers e aços silícios de baixo carbono.
É um pó finamente disperso que consiste em partículas esféricas com um diâmetro de 1 a 8 µm.
μ n \u003d 2500 - 3000
μm = 20000 - 21000
H s = 4,5 - 6,2 A/m
É usado na fabricação de núcleos magnetodielétricos de alta frequência.
As ligas dúcteis de ferro-níquel com um teor de níquel de 45 a 80% são facilmente laminadas em folhas finas e tiras de até 1 µm de espessura. Com um teor de níquel de 45 a 50%, eles são chamados de baixo níquel, 60 a 80% são chamados de alto níquel.
μ n \u003d 2000 - 14000
μm = 50000 - 270000
H s \u003d 2 - 10 A / m
ρ = 0,25 - 0,45 μΩ m
Para melhorar as características magnéticas, molibdênio, cromo, silício ou cobre são introduzidos em permalloy, recozidos em hidrogênio ou vácuo usando bombas turbomoleculares.
Permalloys dopados são usados para peças de equipamentos operando em frequências de 1 a 5 MHz. Em amplificadores magnéticos, permalloys com um loop de histerese retangular são usados.
São ligas não maleáveis e quebradiças, consistindo de 5,5 a 13% de alumínio, 9 a 10% de silício, o restante é de ferro.
μn \u003d 6000 - 7000
μm = 30000 - 35000
Ns = 2,2 A/m
ρ = 0,8 μΩ m
Os núcleos fundidos são feitos a partir dele, operando na faixa de até 50 kHz.
São ligas de ferro com 0,8–4,8% de silício, o teor de carbono não é superior a 0,08%. Este é um material relativamente barato. Introdução um grande número o silício melhora as propriedades magnéticas do material, mas aumenta sua fragilidade (portanto, o silício não é superior a 4,8%).
As chapas de aço silício são feitas por laminação de blanks em estados aquecidos e não aquecidos, portanto, distinguem-se os aços laminados a quente e os laminados a frio.
As características magnéticas melhoradas dos aços laminados a frio são observadas apenas quando a direção do fluxo magnético coincide com a direção da laminação. Caso contrário, as propriedades dos aços laminados a quente são maiores.
Tabela 4.1. Os aços são usados em unidades REA menos críticas.
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laminados a quente |
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laminados a frio |
De acordo com a composição, estado e método de obtenção de materiais magneticamente duros são divididos em:
As características dos materiais para ímãs permanentes são a força coercitiva, a indução residual e a energia máxima liberada pelo ímã para o espaço externo. A permeabilidade magnética de materiais para ímãs permanentes é menor que MMM, e quanto maior a força coercitiva, menor a permeabilidade magnética.
Esses aços são o material mais simples e acessível para ímãs permanentes. Eles são ligados com tungstênio, cromo, molibdênio e cobalto. O valor de W m para aços martensíticos é de 1–4 kJ/m 3 . Atualmente, os aços martensíticos são de uso limitado devido às suas baixas propriedades magnéticas, mas não são completamente abandonados, porque. eles são baratos e permitem usinagem em máquinas de corte de metal.
As ligas ternárias Al-Ni-Fe, anteriormente chamadas de ligas, possuem uma grande energia magnética. alni . Quando cobalto ou silício são adicionados a essas ligas, suas propriedades magnéticas aumentam. A desvantagem dessas ligas é a dificuldade de fabricar a partir delas produtos de dimensões exatas devido à sua fragilidade e dureza, que só podem ser processadas por retificação.
A necessidade de obter produtos especialmente pequenos com dimensões estritamente consistentes levou ao uso de métodos de metalurgia do pó para obter ímãs permanentes. Ao mesmo tempo, distinguem-se ímãs de metal-cerâmica e ímãs de grãos de pó ligados a um ou outro aglutinante (ímãs de metal-plástico).
Essas ligas incluem vikalloy, kunife, kuniko e algumas outras. Idéias básicas sobre essas ligas são dadas na Tabela 4.2.
Tabela 4.2.
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grau de liga |
Chem. Composição %, resto. Fé |
N's, |
W m, |
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Vikalloy I |
51-54 Co |
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Vikalloy II |
51-54 Co |
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Kunife II |
50Cu,20Ni 2,5Co |
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50Cu, 21Ni, 29Co |
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Kuniko II |
São compostos de óxido de ferro Fe 2 O 3 com óxidos de outros metais: ZnO, NiO. As ferritas são feitas de uma mistura em pó de óxidos desses metais.
O nome das ferritas é determinado pelo nome de um metal mono e bivalente, cujo óxido faz parte da ferrita:
Se ZnO é ferrita de zinco
NiO é ferrita de níquel.
As ferritas têm um cubo estrutura de cristal, semelhante à rede de espinélio encontrada na natureza: MgO·Al 2 O 3 . A maioria dos compostos deste tipo, como o minério de ferro magnético natural FeO·Fe 2 O 3 , possui propriedades magnéticas. No entanto, a ferrita de zinco e a ferrita de cádmio não são magnéticas. Estudos mostraram que a presença ou ausência de propriedades magnéticas é determinada pela estrutura cristalina desses materiais e, em particular, pelo arranjo de íons metálicos e de ferro bivalentes entre os íons de oxigênio. No caso da estrutura espinélio comum, quando os íons Zn ++ ou Cd ++ estão localizados no centro do tetraedro de oxigênio, não há propriedades magnéticas. Com a estrutura do chamado espinélio invertido, quando os íons Fe+++ estão localizados no centro do tetraedro de oxigênio, o material possui propriedades magnéticas. As ferritas, que, além do óxido de ferro, contêm apenas um óxido, são chamadas de simples. Fórmula química ferrita simples:
MeO x Fe 2 O 3 ou MeFe 2 O 4
Ferrita de zinco - ZnFe 2 O 4, ferrita de níquel - NiFe 2 O 4.
Nem todas as ferritas simples são magnéticas. Portanto, o CdFe 2 O 4 é uma substância não magnética.
As melhores características magnéticas são possuídas por ferritas complexas ou mistas, que são soluções sólidas de uma na outra. Neste caso, ferritas não magnéticas também são usadas em combinação com ferritas magnéticas simples. A fórmula geral para as ferritas de níquel-zinco amplamente utilizadas é a seguinte:
mNiO Fe 2 O 3 + nZnO Fe 2 O 3 + pFeO Fe 2 O 3 , (4.8)
onde os coeficientes m, n e p determinam as razões quantitativas entre os componentes. A composição percentual dos componentes desempenha um papel significativo na obtenção de certas propriedades magnéticas do material.
As mais utilizadas na CEA são as ferritas magnéticas moles mistas: níquel-zinco, manganês-zinco e lítio-zinco.
Vantagens das ferritas– estabilidade das características magnéticas em uma ampla faixa de frequência, baixas perdas por correntes parasitas, baixo coeficiente de atenuação da onda magnética, bem como facilidade de fabricação de peças de ferrite.
Desvantagens de todos os ferrites– fragilidade e uma dependência pronunciada das propriedades magnéticas da temperatura e influências mecânicas.
Estes são materiais compostos que consistem em partículas finamente dispersas de um material magneticamente macio conectado por algum dielétrico orgânico ou inorgânico. Como MMM finamente disperso, ferro carbonílico, alsifers e algumas variedades de permalloys são usados. Como dielétrico - resinas epóxi ou baquelite, poliestireno, vidro líquido, etc.
O objetivo dos dielétricos não é apenas conectar partículas de material magnético, mas também criar camadas isolantes elétricas entre elas e, assim, aumentar a resistência elétrica do magnetodielétrico. Isso reduz drasticamente as perdas por correntes parasitas e possibilita a operação em frequências de 10 a 100 MHz (dependendo da composição).
As características magnéticas dos magnetodielétricos são um pouco mais baixas do que as cargas ferromagnéticas originais. Apesar disso, os magnetodielétricos são usados para a fabricação de núcleos de unidades REA de alta frequência. Isso se deve à alta estabilidade das características magnéticas e à possibilidade de fabricar núcleos de formato complexo a partir delas. Além disso, os produtos feitos de dielétricos são caracterizados por alto acabamento superficial e precisão dimensional.
Os melhores magnetodielétricos são preenchidos com permalloy de molibdênio ou ferro carbonílico.
