Феромагнетики та їх основні властивості

Поряд із слабомагнітними речовинами діамагнетиками і парамагнетиками, існують сильно магнітні речовини - феромагнетики.

До феромагнетиків відносяться речовини, які мають від природи спонтанну намагніченість, тобто зберігають намагніченість при відсутності зовнішнього магнітного поля.

У діамагнетиках вектор намагніченості j лінійно змінюється із зростанням напруженості зовнішнього магнітного поля. У феромагнетиках при зростанні Н вектор jросте до насичення, а потім залишається постійним.

Магнітна проникність m у феромагнетиках може досягати значень, які вимірюються сотнями тисяч одиниць.

Магнітна проникність і магнітна індукція у феромагнетиках залежить від величини напруженості зовнішнього магнітного поля. (рис.14.6)

Рис.14.6

Як видно з рис. 14.6 в слабих магнітних полях індукція магнітного поля з ростом Н зростає досить швидко. В сильних магнітних полях через властивості насичення, зростання індукції магнітного поля феромагнетика не спостерігається.

Класичну теорію феромагнетизму розробив французький фізик Вейсс. В основу цієї теорії він поклав дві гіпотези. Перша з них полягає в тому, що для феромагнетиків властиве спонтанне намагнічування лише в певній області температур (починається біля абсолютного нуля і закінчується температурою Кюрі), яке не залежить від наявності зовнішнього намагнічувального поля. Однак досліди показують, що у випадку відсутності зовнішнього намагнічувального поля будь-яке феромагнітне тіло в цілому буде розмагнічене. Наступна гіпотеза стверджує, що нижче температури Кюрі будь-яке феромагнітне тіло поділяється на малі області, для яких характерне однорідне спонтанне намагнічування. Такі області називаються доменами.Лінійні розміри домен не перевищують 0,1 мм.

При відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти окремих домен орієнтовані у просторі хаотично, так що сумарний магнітний момент всього феромагнетика дорівнює нулю. Зовнішнє магнітне поле, що діє на феромагнетик, орієнтує магнітні моменти не окремих атомів, як це було у парамагнетиків, а цілих областей спонтанного намагнічування. З цих міркувань зрозуміло, що магнітне насичення настає тоді, коли вектори магнітних моментів всіх домен будуть встановлені паралельно до напрямку зовнішнього магнітного поля.

Для феромагнетиків властива така особливість намагнічування, як магнітний гістерезис (рис.14.7).

Рис.14.7

Нехай намагнічування феромагнетика до насичення (точка 1 на рис. 14.7) відбувається по кривій 01. Якщо далі зменшувати напруженість Н зовнішнього намагнічувального поля, то як показує дослід, розмагнічування феромагнетика відбуватиметься за кривою 1-2, розміщеної вище кривої намагнічування. Якщо напруженість намагнічувального поля досягне нуля Н=0, у феромагнетику спостерігається деяке залишкове намагнічування І_з, обумовлене тим, що і після припинення дії зовнішнього магнітного поля в частині доменів зберігається переважна орієнтація їхніх магнітних моментів. Щоб повністю розмагнітити даний зразок феромагнетика, треба створити намагнічувальне поле Н_к у протилежному напрямку. Величину цього поля Н_к називаютькоерцитивною силою. При дальшому збільшенні зовнішнього поля у протилежному напрямку, намагнічування зразка знову досягне насичення у точці 4. Повертаючись поступово до початкового намагнічування, дістанемо замкнуту криву, яка називається петлею гістерезису.

Залишкова намагніченість І_зі коерцитивна сила Н_к характеризують властивість феромагнетика намагнічуватись і зберігати це намагнічування для тих чи інших практичних цілей.

При намагнічуванні феромагнетика відбувається зміна його форми і об’єму. Це явище називають магнітострикцією, яке було відкрите Джоулем ще в середині 19 століття.

Сучасна теорія феромагнетизму була розроблена на початку минулого століття. Відповідальними за діамагнітні властивості феромагнетиків є власні магнітні моменти електронів (спінові магнітні моменти). При певних умовах в кристалах виникають так звані обмінні сили, які примушують магнітні моменти електронів встановлюватись паралельно один одному, внаслідок чого і виникають області спонтанного намагнічування – домени.

Природа феромагнетизму має квантове пояснення. За магнітні властивості феромагнетиків несуть відповідальність електрони недобудованих 3-d - оболонок феромагнетиків. В цих оболонках частина електронів мають не скомпенсовані спіни. Спін електрона – це невіддільна квантова властивість електрона. Тому природа феромагнетизму є спінова.

Площа петлі гістерезису чисельно дорівнює роботі перемагнічування. Чим менша площа петлі, тим менше енергії витрачається на перемагнічування феромагнетика.

Далі наведено приклади петлі гістерезису для різних типів феромагнетиків:

а)магнітожорсткий б) магнітом’який в) феромагнетик феромагнетик; феромагнетик; із незадовільними

магнітними

властивостями

Для кожного феромагнетика є своя температура, яку називають температурою Кюрі. При температурі Кюрі феромагнетик втрачає магнітні властивості і перетворюється у парамагнетик. При цій температурі зникають області спонтанного намагнічування, які називають доменами.

Д О Д А Т О К

Програма першої частини

Механіка

1. Кінематика руху матеріальної точки. Системи координат. Переміщення і швидкість руху. Пройдений шлях. Середні значення кінематичних величин.

2. Рух точки по колу. Кутова швидкість і кутове прискорення.

3. Тангенціальне і нормальне прискорення. Зв’язок між кінематичними величинами.

4. Поняття стану в класичній механіці. Маса і імпульс. Межі використання законів класичної механіки.

5. Перший закон Ньютона. Інерційні системи відліку. Сили в природі.

6. Другий закон Ньютона. Рівняння руху і його розв’язування.

7. Третій закон Ньютона. Закон збереження імпульсу. Рух центра мас.

8. Механічна робота як міра зміни енергії. Потужність. Кінетична енергія.

9. Консервативні і неконсервативні сили. Потенціальні поля. Потенціальна енергія. Зв’язок роботи з потенціальною енергією.

10. Сила і потенціальна енергія. Поняття градієнта.

11. Закон збереження і перетворення енергії в механіці.

12. Момент інерції матеріальної точки відносно нерухомої осі.

13. Моменти інерції найпростіших тіл: диск, стрижень, куля. Теорема Штейнера та її використання.

14. Момент імпульсу. Момент сили. Основне рівняння динаміки обертального руху. Кінетична енергія тіл які здійснюють обертальний рух.

15. Закон збереження моменту імпульсу і його використання. Гіроскопи.

16. Постулати спеціальної теорії відносності. Перетворення координат Лоренца.

17. Наслідки із перетворень координат Лоренца. Закон складання швидкостей.

18. Зв’язок маси і енергії.

Електрика

19. Електричний заряд. Закон збереження електричного заряду. Закон Кулона.

20. Електричне поле і його напруженість. Принцип суперпозиції полів. Поле точкового заряду.

21. Теорема Гаусса і її використання в найпростіших випадках.

22. Циркуляція електростатичного поля. Потенціал. Зв’язок потенціалу з напруженістю електричного поля.

23. Провідники в електричному полі. Розподіл зарядів в провіднику.

24. Електроємність окремого провідника. Конденсатори. Електроємність конденсаторів різної форми.

25. Енергія взаємодії електричних зарядів. Енергія окремого провідника і конденсатора.

26. Енергія електростатичного поля. Густина енергії електричного поля.

27. Провідники і ізолятори. Електричний струм. Умови існування електричного струму. Сторонні сили джерела струму.

28. Закон Джоуля-Ленца в інтегральній формі. Електричний опір. Потужність електричного струму.

29. Закони Ома для неоднорідної ділянки кола, ділянки кола і замкненого кола. Правила Кірхгофа та їх використання.

30. Закони Ома і Джоуля-Ленца в диференціальній формі. Густина струму в провіднику.

Електромагнетизм

31. Магнітне поле та його природа. Магнітна індукція. Закон Ампера.

32. Рівняння Максвелла. Взаємозв’язок електричних і магнітних полів.

33. Закон Біо-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиції магнітних полів.

34. Використання закону Біо-Савара-Лапласа в найпростіших випадках: прямолінійний провідник з струмом; коловий провідник з струмом; соленоїд з струмом.

35. Магнітний момент контуру з струмом.

36. Магнітне поле рухомого заряду. Сила Лоренца. Рух заряджених частинок в магнітному полі.

37. Ефект Холла. Магнітогазодинамічний генератор та його використання.

38. Принцип дії циклотрона.

39. Явище електромагнітної індукції. Правило Ленца.

40. Виведення закону електромагнітної індукції. Розглянути різні випадки.

41. Явище самоіндукції і взаємоіндукції. Індуктивність. Індуктивність соленоїда.

42. Струми при замиканні і розмиканні електричного кола.

43. Закон повного струму. Використання закону повного струму для розрахунку магнітного поля соленоїда і тороїда.

44. Магнітний потік. Теорема Гаусса для магнітного поля.

45. Робота переміщення провідника і контуру в магнітному полі.

46. Енергія магнітного поля. Густина енергії магнітного поля.

47. Намагнічуваність речовини. Струм і механізм намагнічування. Діа- і парамагнетики.

48. Циркуляція намагнічування. Вектор напруженості магнітного поля.

49. Магнітна сприйнятливість і магнітна проникність. Різні види магнетиків.

50. Феромагнетики. Природа феромагнетизму. Намагнічування феромагнетиків. Гістерезис. Залишкова намагнічуваність. Магнітом'ягкі і магнітожорсткі феромагнетики та їх використання.

Рекомендована література

1. Савельев И.В. Курс физики, т. 1, 2, 3.

2. Яворский Б.М. и др. Курс физики, т. 1, 2, 3.

3. Трофимова Т.И. Курс общей физики.

4. Чертов А.Г., Воробьев А.А., Задачник по физике.

5. Авдєєв С.Г. Лабораторний практикум з фізики, ч. 1.

ПЛАНИ ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ

Заняття 1. Кінематика поступального й обертального руху

1. Положення матеріальної точки в просторі. Радіус - вектор. Кінематичні величини. Кінематичні рівняння руху.

2. Швидкість. Миттєва швидкість. Середня швидкість. Абсолютне значення швидкості.

3. Прискорення. Нормальне і тангенціальне прискорення. Кінематичні рівняння рівно змінного руху.

4. Зіставлення кінематичних параметрів поступального й обертального рухів.

Задачі для самостійного розв’язування: 1-2, 1-8, 1-18, 1-25, 1-29,1-40,1-46, 1-55, 1-59.

Заняття 2. Динаміка поступального руху

1. Рівняння руху матеріальної точки в векторній і координатній формах.

2. Поняття сили. Сили пружності. Гравітаційна сила. Сила тертя.

3. Координати центра мас системи матеріальних точок. Рух центра мас.

4. Закон збереження імпульсу і його використання.

Задачі для самостійного розв’язування: 2-2, 2-3, 2-6, 2-13, 2-27,2-29, 2-31, 2-33.

Заняття 3. Механічна енергія. Закон збереження енергії

1. Робота постійної і змінної сили.

2. Середня і миттєва потужність.

3. Кінетична енергія матеріальної точки.

4. Потенціальна енергія тіла. Зв’язок потенціальної енергії з силою. Потенціальна енергія пружно-деформованого тіла. Потенціальна енергія гравітаційної взаємодії. Закон збереження енергії.

Задачі для самостійного розв’язування: 2-60, 2-68, 2-76, 2-84, 2-86, 2-92, 2-77.

Заняття 4. Динаміка обертального руху

1. Поняття моменту інерції тіла. Моменти інерції найпростіших тіл. Теорема Штейнера.

2. Основне рівняння динаміки обертального руху. Кінетична енергія обертального руху.

3. Закон збереження моменту імпульсу та його використання.

Задачі для самостійного розв’язування: 3-6, 3-13, 3-14, 3-25, 3-27, 3-31, 3-34, 3-36, 3-39, 3-45.

Заняття 5. Елементи теорії відносності

1. Постулати спеціальної теорії відносності. Перетворення координат Лоренца. Наслідки із перетворень координат Лоренца. Закон складання швидкостей.

2. Самостійна робота, складена із задач для самостійного розв’язування на 45 хв.

Заняття 6. Аналіз розв’язування задач самостійної роботи

Проведення індивідуальних співбесід; індивідуальні завдання та контроль їх виконання.

Заняття 7. Електричне поле. Електроємність

1. Напруженість електричного поля. Принцип суперпозиції.

2. Використання теореми Гаусса для розрахунку поля в окремих найпростіших випадках.

3. Потенціал електричного поля. Зв’язок потенціалу з напруженістю поля.

4. Електрична ємність окремого провідника і конденсаторів різної форми.

Задачі для самостійного розв’язування: 14-15, 14-17, 14-5, 14-7, 14-11, 14-21, 14-47, 15-15, 15-18, 17-3, 17-11, 18-4, 18-18.

Заняття 8. Закони електричного струму

1. Закон Джоуля-Ленца в інтегральній і диференціальній формах. Опір провідників. Потужність струму.

2. Закони Ома в інтегральній і диференціальній формах. Використання цих законів.

3. Правила Кірхгофа та їх використання.

Задачі для самостійного розв’язування: 19-1, 19-2, 19-13, 19-21, 19-27, 20-1, 20-3, 20-4, 20-6.

Заняття 9. Індукція магнітного поля. Закон Біо - Савара - Лапласа

1. Закон Ампера. Індукція магнітного поля. Напруженість магнітного поля.

2. Використання закону Біо – Савара - Лапласа.

3. Магнітний момент контуру з струмом.

Задачі для самостійного розв’язування: 21-5,21-10,21-13, 21-19, 21-31, 22-12, 22-19, 22-22.

Заняття 10. Рух електричного заряду в магнітному полі

1. Магнітне поле рухомого заряду.

2. Дія магнітного поля на рухомий заряд. Сила Лоренца.

3. Ефект Холла. Циклотрон.

Задачі для самостійного розв’язування: 21-33, 23-6, 23-17, 23-22, 23-29, 23-34, 23-35.

Заняття 11. Електромагнітна індукція

1. Закон електромагнітної індукції. Правило Ленца та його фізичний зміст.

2. Явище самоіндукції. Індуктивність котушки.

3. Струми замикання і розмикання кола. Струми Фуко.

Задачі для самостійного розв’язування: 24-5, 24-7,24-8,25-7,25-9, 25-25, 25-34, 25-42, 25-43.

Заняття 12. Закон повного струму. Енергія магнітного поля

1. Використання закону повного струму для розрахунку магнітного поля соленоїда і тороїда.

2. Енергія магнітного поля. Густина енергії магнітного поля.

Задачі для самостійного розв’язування: 24-1,24-2, 26-1, 26-2, 26-13, 26-14.

3. Самостійна робота на 45 хв.

Заняття 13. Аналізу розв’язування задач самостійної роботи.

1. Індивідуальні консультації та індивідуальні завдання.

Заняття 14. Підсумкове.

Література. Заплановані для практичних занять задачі взяті із “А.Г. Чертов, Задачник по физике”.

СПИСОК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

1-1. Дослідження прямолінійного руху в полі тяжіння за допомогою машини Атвуда.

1-3. Вивчення центрального удару куль.

1-5. Вивчення абсолютно пружного удару куль за допомогою конденсаторного хронометра.

1-6. Визначення моментів інерції тіл за допомогою трифілярного підвісу.

1-7. Визначення моменту інерції маятника Обербека.

1-9. Балістичний крутильний маятник.

1-10. Визначення моментів інерції тіл на основі закону збереження енергії.

1-12. Визначення кінематичних характеристик гіроскопа.

2-2. Вимірювання ємності конденсаторів.

2-3. Визначення відносної діелектричної проникності сегнетоелектриків.

2-5. Визначення електрорушійної сили джерела струму.

2-6. Вимірювання електричних опорів та визначення залежності опору металів від температури.

2-8. Вивчення законів Кірхгофа для розгалужених кіл.

2-10. Експериментальне визначення е.р.с. термопари.

2-11. Вивчення явища термоелектронної емісії.

3-1. Визначення індукції магнітного поля за допомогою балістичного гальванометра.

3-2. Визначення горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі за допомогою тангенс гальванометра.

3-5. Визначення індуктивності соленоїда.

3-7. Визначення відносної магнітної проникності магнетиків за допомогою містка Максвелла.

3-8. Дослідження кривих намагнічування та петель гістерезису феромагнетиків.

3-9. Визначення точки Кюрі феромагнетика.

ЛІТЕРАТУРА: С.Г.Авдєєв, Лабораторний практикум з фізики ч. 1.