Если в описанных выше опытах вместо сердечника из железа брать сердечники из других материалов, то также можно обнаружить изменение магнитного потока. Естественнее всего ждать, что наиболее заметный эффект дадут материалы, подобные по своим магнитным свойствам железу, т. е. никель, кобальт и некоторые магнитные сплавы. Действительно, при введении в катушку сердечника из этих материалов увеличение магнитного потока оказывается довольно значительным. Иными словами, можно сказать, что магнитная проницаемость их велика; у никеля, например, может достигать значения 50, у кобальта 100. Все эти материалы с большими значениями объединяют в одну группу ферромагнитных материалов.
Однако и все остальные «немагнитные» материалы также оказывают некоторое влияние на магнитный поток, хотя влияние это значительно меньше, чем у материалов ферромагнитных. С помощью очень тщательных измерений можно это изменение обнаружить и определить магнитную проницаемость различных материалов. При этом, однако, нужно иметь в виду, что в опыте, описанном выше, мы сравнивали магнитный поток в катушке, полость которой заполнена железом, с потоком в катушке, внутри которой имеется воздух. Пока речь шла о таких сильно магнитных материалах, как железо, никель, кобальт, это не имело значения, так как наличие воздуха очень мало влияет на магнитный поток. Но при исследовании магнитных свойств других веществ, в частности самого воздуха, мы должны, конечно, вести сравнение с катушкой, внутри которой воздуха нет (вакуум). Таким образом, за магнитную проницаемость мы принимаем отношение магнитных потоков в исследуемом веществе и в вакууме . Иными словами, за единицу мы принимаем магнитную проницаемость для вакуума (если , то ).
Измерения показывают, что магнитная проницаемость всех веществ отлична от единицы, хотя в большинстве случаев это отличие очень мало. Но особенно замечательным оказывается тот факт, что у одних веществ магнитная проницаемость больше единицы, а у других она меньше единицы, т. е. заполнение катушки одними веществами увеличивает магнитный поток, а заполнение катушки другими веществами уменьшает этот поток. Первые из этих веществ называются парамагнитными (), а вторые – диамагнитными (). Как показывает табл. 7, отличие проницаемости от единицы как у парамагнитных, так и у диамагнитных веществ невелико.
Нужно особенно подчеркнуть, что для парамагнитных и диамагнитных тел магнитная проницаемость не зависит от магнитной индукции внешнего, намагничивающего поля, т. е. представляет собой постоянную величину, характеризующую данное вещество. Как мы увидим § 149, это не имеет места для железа и других сходных с ним (ферромагнитных) тел.
Таблица 7. Магнитная проницаемость для некоторых парамагнитных и диамагнитных веществ
|
Парамагнитные вещества |
Диамагнитные вещества |
||
|
Азот (газообразный) |
Водород (газообразный) |
||
|
Воздух (газообразный) |
|||
|
Кислород (газообразный) |
|||
|
Кислород (жидкий) |
|||
|
Алюминий |
|||
|
Вольфрам |
|||
Влияние парамагнитных и диамагнитных веществ на магнитный поток объясняется, так же как и влияние веществ ферромагнитных, тем, что к магнитному потоку, создаваемому током в обмотке катушки, присоединяется поток, исходящий из элементарных амперовых токов. Парамагнитные вещества увеличивают магнитный поток катушки. Это увеличение потока при заполнении катушки парамагнитным веществом указывает на то, что и в парамагнитных веществах под действием внешнего магнитного поля элементарные токи ориентируются так, что направление их совпадает с направлением тока обмотки (рис. 276). Небольшое отличие от единицы указывает лишь на то, что в случае парамагнитных веществ этот добавочный магнитный поток очень невелик, т. е. что парамагнитные вещества намагничиваются очень слабо.
Уменьшение магнитного потока при заполнении катушки диамагнитным веществом означает, что в этом случае магнитный поток от элементарных амперовых токов направлен противоположно магнитному потоку катушки, т. е. что в диамагнитных веществах под действием внешнего магнитного поля возникают элементарные токи, направленные противоположно токам обмотки (рис. 277). Малость отклонений от единицы и в этом случае указывает на то, что дополнительный поток этих элементарных токов невелик.
Рис. 277. Диамагнитные вещества внутри катушки ослабляют магнитное поле соленоида. Элементарные токи в них направлены противоположно току в соленоиде
Называемой магнитной проницаемостью. Абсолютная магнитная проницаемость среды - это отношение B к H. Согласно Международной системе единиц она измеряется в единицах, называемых 1 генри на метр.
Числовое значение ее выражается отношением ее величины к величине магнитной проницаемости вакуума и обозначается µ. Данная величина именуется относительной магнитной проницаемостью (или просто магнитной проницаемостью) среды. Как величина относительная, она не имеет единицы измерения.
Следовательно, относительная магнитная проницаемость µ - величина, показывающая, в какое число раз индукция поля данной среды меньше (или больше) индукции вакуумного магнитного поля.
При воздействии на вещество внешним магнитным полем оно становится намагниченным. Каким образом это происходит? По гипотезе Ампера, в каждом веществе постоянно циркулируют микроскопические электротоки, вызванные движением электронов по своим орбитам и наличием у них собственного В обычных условиях это движение неупорядочено, и поля «гасят» (компенсируют) друг друга. При помещении тела во внешнее поле происходит упорядочивание токов, и тело становится намагниченным (т. е. обладающим своим полем).
Магнитная проницаемость всех веществ различна. Исходя из ее величины, вещества подлежат делению на три большие группы.
У диамагнетиков величина магнитной проницаемости µ - чуть меньше единицы. Например, у висмута µ = 0,9998. К диамагнетикам относятся цинк, свинец, кварц, медь, стекло, водород, бензол, вода.
Магнитная проницаемость парамагнетиков чуть-чуть побольше единицы (у алюминия µ = 1,000023). Примеры парамагнетиков - никель, кислород, вольфрам, эбонит, платина, азот, воздух.
Наконец, к третьей группе принадлежит целый ряд веществ (в основном это металлы и сплавы), чья магнитная проницаемость значительно (на несколько порядков) превышает единицу. Эти вещества - ферромагнетики. В основном сюда относятся никель, железо, кобальт и их сплавы. Для стали µ = 8∙10^3, для сплава никеля с железом µ=2.5∙10^5. Ферромагнетики обладают свойствами, отличающими их от других веществ. Во-первых, они обладают остаточным магнетизмом. Во-вторых, их магнитная проницаемость находится в зависимости от величины индукции внешнего поля. В-третьих, для каждого из них существует определенный порог температуры, называемый точкой Кюри , при котором он теряет ферромагнитные свойства и становится парамагнетиком. Для никеля точка Кюри - 360°C, для железа - 770°C.
Свойства ферромагнетиков определяет не только магнитная проницаемость, но и величина I, именуемая намагниченностью данного вещества. Это сложная нелинейная функция магнитной индукции, рост намагниченности описывается линией, именуемой кривой намагниченности . При этом, достигнув определенной точки, намагниченность практически перестает расти (наступает магнитное насыщение ). Отставание величины намагниченности ферромагнетика от растущей величины индукции внешнего поля называется магнитным гистерезисом . При этом существует зависимость магнитных характеристик ферромагнетика не только от его состояния в настоящий момент, но и от его предшествующей намагниченности. Графическое изображение кривой данной зависимости именуется петлей гистерезиса .
Благодаря своим свойствам, ферромагнетики повсеместно применяются в технике. Их используют в роторах генераторов и электродвигателей, при изготовлении сердечников трансформаторов и в производстве деталей электронно-вычислительных машин. ферромагнетиков используются в магнитофонах, телефонах, на магнитных лентах и других носителях.
Магнитное поле катушки определяется током и напряженность этого поля , а индукция поля . Т.е. индукция поля в вакууме пропорциональна величине тока. Если же магнитное поле создается в некой среде или веществе, то поле воздействует на вещество, а оно, в свою очередь, определенным образом изменяет магнитное поле.
Вещество, находящееся во внешнем магнитном поле, намагничивается и в нем возникает добавочное внутреннее магнитное поле. Оно связано с движением электронов по внутриатомным орбитам, а также вокруг собственной оси. Движение электронов и ядер атомов можно рассматривать как элементарные круговые токи.
Магнитные свойства элементарного кругового тока характеризуются магнитным моментом.
При отсутствии внешнего магнитного поля элементарные токи внутри вещества ориентированы беспорядочно (хаотически) и, поэтому общий или суммарный магнитный момент равен нулю и в окружающем пространстве магнитное поле элементарных внутренних токов не обнаруживается.
Влияние внешнего магнитного поля на элементарные токи в веществе состоит в том, что изменяется ориентация осей вращения заряженных частиц причем так, что их магнитные моменты оказываются направленными в одну сторону. (в сторону внешнего магнитного поля). Интенсивность и характер намагничивания у различных веществ в одинаковом внешнем магнитном поле значительно отличаются. Величину, характеризующую свойства среды и влияние среды на плотность магнитного поля, называют абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной проницаемостью среды (μ с ) . Это есть отношение = . Измеряется [μ с ]=Гн/м.
Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной μ о =4π 10 -7 Гн/м.
Отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной называют относительной магнитной проницаемостью μ c /μ 0 =μ. Т.е. относительная магнитная проницаемость – это величина, показывающая, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость среды больше или меньше абсолютной проницаемости вакуума. μ - величина безразмерная, изменяющаяся в широких пределах. Эта величина положена в основу деления всех материалов и сред на три группы.
Диамагнетики . У этих веществ 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.
Парамагнетики . У этих веществ μ > 1. К ним относятся – алюминий, магний, олово, платина, марганец, кислород, воздух и др. У воздуха = 1,0000031. . Эти вещества также, как и диамагнетики, слабо взаимодействуют с магнитом.
Для технических расчетов μ диамагнитных и парамагнитных тел принимается равной единице.
Ферромагнетики . Это особая группа веществ, играющих громадную роль в электротехнике. У этих веществ μ >> 1. К ним относятся железо, сталь, чугун, никель, кобальт, гадолиний и сплавы металлов. Эти вещества сильно притягиваются к магниту. У этих веществ μ = 600- 10 000. У некоторых сплавов μ достигает рекордных значений до 100 000. Следует отметить, что μ для ферромагнитных материалов непостоянна и зависит от напряженности магнитного поля, вида материала и температуры.
Большое значение µ в ферромагнетиках объясняется тем, что в них имеются области самопроизвольного намагничивания (домены), в пределах которых элементарные магнитные моменты направлены одинаково. Складываясь, они образуют общие магнитные моменты доменов.
В отсутствие магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы хаотически и суммарный магнитный момент тела или вещества равен нулю. Под действием внешнего поля магнитные моменты доменов ориентируются в одну сторону и образуют общий магнитный момент тела, направленный в ту же сторону, что и внешнее магнитное поле.
Эту важную особенность используют на практике, применяя ферромагнитные сердечники в катушках, что позволяет резко усилить магнитную индукцию и магнитный поток при тех же значениях токов и числа витков или, иначе говоря, сконцентрировать магнитное поле в относительно малом объеме.
Диэлектрическая проницаемость веществ
Вещество |
Вещество |
||
Газы и водяной пар |
Жидкости |
||
| Азот | 1,0058 | Глицерин | 43 |
| Водород | 1,00026 | Кислород жидкий (при t = -192,4 o C) | 1,5 |
| Воздух | 1,00057 | Масло трансформаторное | 2,2 |
| Вакуум | 1,00000 | Спирт | 26 |
| Водянной пар (при t=100 o C) | 1,006 | Эфир | 4,3 |
| Гелий | 1,00007 | Твердые тела |
|
| Кислород | 1,00055 | Алмаз | 5,7 |
| Углекислый газ | 1,00099 | Бумага парафинированная | 2,2 |
Жидкости |
Дерево сухое | 2,2-3,7 | |
| Азот жидкий (при t = -198,4 o C) | 1,4 | Лед (при t = -10 o C) | 70 |
| Бензин | 1,9-2,0 | Парафин | 1,9-2,2 |
| Вода | 81 | Резина | 3,0-6,0 |
| Водород (при t= - 252,9 o C) | 1,2 | Слюда | 5,7-7,2 |
| Гелий жидкий (при t = - 269 o C) | 1,05 | Стекло | 6,0-10,0 |
| Титанат бария | 1200 | ||
| Фарфор | 4,4-6,8 | ||
| Янтарь | 2,8 | ||
Примечание. Электрическая постоянная ԑ o (диэлектрическая проницаемость вакуума) равная: ԑ o = 1\4πс 2 * 10 7 Ф/м ≈ 8,85 * 10 -12 Ф/м
Магнитная проницаемость вещества
Примечание. Магнитная постоянная μ o (магнитная проницаемость вакуума) равна: μ o = 4π * 10 -7 Гн/м ≈ 1,257 * 10 -6 Гн/м
М агнитная проницаемость ферромагнетиков
В таблице приведены значения магнитной проницаемости для некоторых ферромагнетиков (веществ с μ > 1). Магнитная приницаемость для ферромагнетиков (железо, чугун, сталь, никель и др.) не постоянная. В таблице указаны максимальные значения.
1 Пермаллой-68 - сплав из 68% никеля и 325 железа; этот сплав применяют для изготовления сердечников трансформаторов.
Температура Кюри
Удельное электрическое сопротивление материалов
Сплавы высокого сопротивления
Название сплава |
Удельное электрическое сопротивление мкОМ м |
Состав сплава, % |
|||
Марганец |
Другие элементы |
||||
| Константан | 0,50 | 54 | 45 | 1 | - |
| Копель | 0,47 | 56,5 | 43 | 0,05 | - |
| Манганин | 0,43 | > 85 | 2-4 | 12 | - |
| Нейзильбер | 0,3 | 65 | 15 | - | 20 Zn |
| Никелин | 0,4 | 68,5 | 30 | 1,5 | - |
| Нихром | 1,1 | - | > 60 | < 4 | 30 < Cr ост. Fe |
| Фехраль | 1,3 | - | - | - | 12-15 Cr 3-4 Al 80 < Fe |
Температурные коэффициенты электрического сопротивления проводников
Проводник |
Проводник |
||
| Алюминий | Никель | ||
| Вольфрам | Нихром | ||
| Железо | Олово | ||
| Золото | Платина | ||
| Константан | Ртуть | ||
| Латунь | Свинец | ||
| Магний | Серебро | ||
| Манганин | Сталь | ||
| Медь | Фехраль | ||
| Нейзильбер | Цинк | ||
| Никелин | Чугун |
Сверхпроводимость проводников
- Примечания.
- Сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов и у большого числа сплавов и соединений.
- Сверхпроводником с наиболее высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние -23,2 К (-250,0 o C) - до недавного времени являлся германид ниобия (Nb 3 Ge). В конце 1986 г. был получен сверхпроводник с температурой перехода ≈ 30 К (≈ -243 o С). Сообщается о синтезе новых высокотемпературных сверхпроводников: керамик (изготовливается путем спекания оксидов бария, меди и лантана) с температурой перехода ≈ 90-120 К.
Удельное электрическое сопротивление некоторых полупроводников и диэлектриков
| Вещество | СтеклоТемпература, o С | Удельное сопротивление | |
| Ом м | Ом мм2/м | ||
Полупроводники |
|||
| Антимонид индия | 17 | 5,8 х 10 -5 | 58 |
| Бор | 27 | 1,7 х 10 4 | 1,7 х 10 10 |
| Германий | 27 | 0,47 | 4,7 х 10 5 |
| Кремний | 27 | 2,3 х 10 3 | 2,3 х 10 9 |
| Cеленид свинца (II) (PbSe) | 20 | 9,1 х 10 -6 | 9,1 |
| Сульфид свинца (II) (PbS) | 20 | 1,7 х 10 -5 | 0,17 |
Диэлектрики |
|||
| Вода дистиллированная | 20 | 10 3 -10 4 | 10 9 -10 10 |
| Воздух | 0 | 10 15 -10 18 | 10 21 -10 24 |
| Воск пчелиный | 20 | 10 13 | 10 19 |
| Древесина сухая | 20 | 10 9 -10 10 | 10 15 -10 16 |
| Кварц | 230 | 10 9 | 10 15 |
| Масло трансформаторное | 20 | 10 11 -10 13 | 10 16 -10 19 |
| Парафин | 20 | 10 14 | 10 20 |
| Резина | 20 | 10 11 -10 12 | 10 17 -10 18 |
| Слюда | 20 | 10 11 -10 15 | 10 17 -10 21 |
| Стекло | 20 | 10 9 -10 13 | 10 15 -10 19 |
Электрическое свойства пластмасс
| Название пластмассы | Диэлектрическая проницаемость | |
| Гетинакс | 4,5-8,0 | 10 9 -10 12 |
| Капрон | 3,6-5,0 | 10 10 -10 11 |
| Лавсан | 3,0-3,5 | 10 14 -10 16 |
| Органическое стекло | 3,5-3,9 | 10 11 -10 13 |
| Пенопласт | 1,0-1,3 | ≈ 10 11 |
| Полистирол | 2,4-2,6 | 10 13 -10 15 |
| Полихлорвинил | 3,2-4,0 | 10 10 -10 12 |
| Полиэтилен | 2,2-2,4 | ≈ 10 15 |
| Стеклотекстолит | 4,0-5,5 | 10 11 -10 12 |
| Текстолит | 6,0-8,0 | 10 7 -10 19 |
| Целлулоид | 4,1 | 10 9 |
| Эбонит | 2,7-3,5 | 10 12 -10 14 |
Удельное электрическое сопротивление электролитов (при t=18 o С и 10-процентной концентрации раствора)
Примчание. Удельноое сопротивление электролитов зависит от температуры и концентрации, т.е. от отношения массы растворенной кислоты, щелочи или соли к массе растворяющей воды. При указанной концентрации растворов увеличение температуры на 1 o С уменьшает удельное сопротивление раствора, взятого при 18 o С, на 0,012 гидроксида натрия, на 0,022 - для медного купороса, на 0,021 - для хлорида натрия, на 0,013 -для серной кислоты и на 0,003 - для 100 - процентной серной кислоты.
Удельное электрическое сопртивление жидкостей
Жидкость |
Удельное электрическое сопротивление, Ом м |
Жидкость |
Удельное электрическое сопротивление, Ом м |
| Ацетон | 8,3 х 10 4 | Расплавленные соли: | |
| Вода дистилированна | 10 3 - 10 4 | гидроксид калия (КОН; при t = 450 o C) | 3,6 х 10 -3 |
| Вода морская | 0,3 | гидроксид натрия (NaOH; при t = 320 o C) | 4,8 х 10 -3 |
| Вода речная | 10-100 | хлорид натрия (NaCI; при t = 900 o C) | 2,6 х 10 -3 |
| Воздух жидкий (при t = -196 o C) | 10 16 | сода (Na 2 CO 3 x10H 2 O; при t = 900 o C) | 4,5 х 10 -3 |
| Глицерин | 1,6 х 10 5 | Спирт | 1,5 х 10 5 |
| Керосин | 10 10 | ||
| Нафталин расплавленный (при (при t = 82 o C) | 2,5 х 10 7 | ||
Из многолетней технической практики нам известно, что индуктивность катушки сильно зависит от характеристик среды, где эта катушка находится. Если в катушку из медной проволоки, обладающую известной индуктивностью L0, добавить ферромагнитный сердечник, то при прочих прежних обстоятельствах токи самоиндукции (экстратоки замыкания и размыкания) в данной катушке многократно увеличатся, эксперимент это подтвердит, что и будет означать возросшую в несколько раз , которая теперь станет равна L.
Экспериментальное наблюдение
Допустим, что окружающая среда, вещество, заполняющее пространство внутри и вокруг описанной катушки, однородно, и порождаемое текущим по ее проводу током, локализовано только в этой обозначенной области, не выходя за ее границы.
Если катушка имеет тороидальную форму, форму замкнутого кольца, то данная среда вместе с полем окажется сосредоточена только внутри объема катушки, ибо снаружи тороида практически полностью магнитное поле отсутствует. Справедливо данное положение и для длинной катушки - соленоида, у которого все магнитные линии так же сосредоточены внутри - по оси.
Для примера допустим, что индуктивность некоторого контура или катушки без сердечника в вакууме равна L0. Тогда для такой же катушки, но уже в однородном веществе, которое заполняет пространство, где присутствуют магнитные силовые линии данной катушки, индуктивность пусть будет равна L. В этом случае получится, что отношение L/L0 – это есть ни что иное, как относительная магнитная проницаемость названного вещества (иногда говорят просто «магнитная проницаемость»).
Становится очевидно: магнитная проницаемость - это величина, которая характеризует магнитные свойства данного вещества. Она зачастую зависит от состояния вещества (и от условий окружающей среды, таких как например температура и давление) и от его рода.
Понимание термина
Введение термина «магнитная проницаемость», применительно к веществу, размещенному в поле магнитном, аналогично введению термина «диэлектрическая проницаемость» для вещества находящегося в поле электрическом.
Значение магнитной проницаемости, определяемое по приведенной выше формуле L/L0, может быть выражена и как отношение абсолютных магнитных проницаемостей данного вещества и абсолютной пустоты (вакуума).
Легко заметить: магнитная проницаемость относительная (она же - магнитная проницаемость) - это величина безразмерная. А вот абсолютная магнитная проницаемость - имеет размерность Гн/м, ту же самую, что у магнитной проницаемости (абсолютной!) вакуума (она же - магнитная постоянная).
Фактически видим, что среда (магнетик) влияет на индуктивность контура, и это однозначно свидетельствует о том, что изменение среды приводит к изменению магнитного потока Ф, пронизывающего контур, а значит и к изменению индукции В, применительно к любой точке магнитного поля.
Физический смысл данного наблюдения заключается в том, что при одном и том же токе катушки (при одной и той же магнитной напряженности H), индукция ее магнитного поля окажется в определенное количество раз больше (в некоторых случаях - меньше) в веществе с магнитной проницаемостью мю, чем в полном вакууме.
Это происходит потому, что , и сама начинает обладать магнитным полем. Вещества, способные таким образом намагничиваться, называют магнетиками.
Единица измерения абсолютной магнитной проницаемости - 1 Гн/м (генри на метр или ньютон на ампер в квадрате), то есть это магнитная проницаемость такой среды, где при напряженности Н магнитного поля, равной 1 А/м - возникает магнитная индукция величиной 1 Тл.
Физическая картина явления
Из вышеизложенного становится ясно, что различные вещества (магнетики) под действием магнитного поля контура с током намагничиваются, и в результате получается магнитное поле, являющееся суммой магнитных полей - магнитного поля от намагниченной среды плюс от контура с током, потому оно отличается по величине от поля только контура с током без среды. Причина намагничивания магнетиков кроется в существовании мельчайших токов внутри каждого их атома.
По значению магнитной проницаемости, вещества классифицируются на диамагнетики (меньше единицы - намагничиваются против приложенного поля), парамагнетики (больше единицы - намагничиваются по направлению приложенного поля) и ферромагнетики (сильно больше единицы - намагничиваются, и обладают намагниченностью после отключения приложенного магнитного поля).
Ферромагнетикам свойственен , поэтому понятие «магнитная проницаемость» в чистом виде к ферромагнетикам не применимо, но в некотором диапазоне намагничивания, в некотором приближении, можно выделить линейный участок кривой намагничивания, для которого получится оценить магнитную проницаемость.
У сверхпроводников магнитная проницаемость - 0 (поскольку магнитное поле полностью вытесняется из их объема), а абсолютная магнитная проницаемость воздуха почти равна мю вакуума (читай магнитной постоянной). У воздуха мю относительная чуть-чуть больше 1.