Магниттік материалдардың негізгі концепциялары

Магнитті диполь моменті

Бірдей сыртқы магниттік тартылғанда, әртүрлі материалдар өте әртүрлі жауап беруге болады. Бұл негізгі себептерге сеніммен кіргенше, біз магниттік диполдердің магниттік әрекетке қалай әсер етуін түсінуіміз керек. Бұл түсінік магниттік диполь моментін зерттеу арқылы басталады.

Магниттік диполь моменті, қысқаша магниттік момент деп аталатын, электромагнетизмде негізгі концепция болып табылады. Бұл, акымды айналмаға және теңдетілген магниттік тартының ортақтығын түсіну және өлшемдеу үшін өте қолданыстағы инструмент болып табылады. Акымды айналмаға, ауданы A және I акымы бар, магниттік моменті мына түрде анықталады:

Ескерту: Аудан вектор ретінде анықталған, бұл магниттік моментті де векторлық шама етеді. Екеуі де бірдей бағытта.

Магниттік моменттің бағыты айналмаға перпендикуляр. Ол оң жұлдыздық ережесін қолдану арқылы табылады - егер сіздің оң қолыңыздың бас пальцын акымдың ағысу бағытына байланысты ирісіп, сіздің бас палеці магниттік момент векторының бағытын көрсетеді. Фигурасы 1-де көрсетілген.

Айналманың магниттік моменті тек ағып өтуінен және оның ішіне енгізген аудандық аралықтан гана анықталады. Айналма формасына байланысы жоқ.

Күш моменті және магниттік момент

Фигурасы 2-ге қараңыз, мұнда теңдетілген магниттік тарты ішінде жатқан акымды айналма көрсетілген.

Жоғарыда көрсетілген фигурада:

•  I - акымды көрсетеді.

• B - магниттік тарты векторын көрсетеді.

• u - магниттік моментті көрсетеді.

• θ - магниттік момент векторы мен магниттік тарты векторы арасындагы бұрышын көрсетеді.

Айналмаға қарама-қарсы жағдайларда әсер ететін күштер бір-бірін тереңдетеді, сондықтан айналмаға әсер етен күш нөлге тең. Бірақ, айналма магниттік күш моментіне тап болады. Айналмаға әсер етен күш моментінің өлшемі мына түрде беріледі:

Теңдіктен (2) біз тезірек күш моменті (t) магниттік моментпен тікелей байланысты екендігін көре аламыз. Бұл себепті, магниттік момент магнит сыяқты әсер етеді; сыртқы магниттік тартының ішінде ол күш моментін тәсілді. Бұл күш моменті айналманы тұрақты теңсіздік позициясына айналдыруға үміттенеді.

Тұрақты теңсіздік, магниттік тарты айналмаға перпендикуляр болғанда (яғни, θ=0^o ) жетілдіреді. Егер айналма бұл позициядан аз қалыптаса, күш моменті айналманы теңсіздік позициясына қайтару үшін әсер етеді. Күш моменті θ=180^o болғанда да нөлге тең. Бірақ, бұл жағдайда, айналма тұрақты емес теңсіздікте болады. θ=180^o ден аз қалыптасу, күш моментін айналманы бұл нүктеден алып, θ=0^o ка қарай қытайлауға әкеледі.

Неге магниттік момент маңызды?

Көптеген құрылғылар акымды айналма мен магниттік тартының әрекетіне тәуелді. Мысалы, электр моторының күш моменті, мотордың магниттік тартысы мен акымды айналма құрылғыларының әрекетіне негізделген. Бұл әрекетте, құрылғылар айналған сайын потенциалдық энергия өзгереді.

Магниттік момент пен сыртқы магниттік тартының әрекеті, магниттік жүйеде потенциалдық энергияны жасайды. Экі вектор арасындағы бұрыш, системада сақталған энергия (U) өлшемін анықтайды, мына теңдік арқылы көрсетілген:

Төменде бірнеше маңызды конфигурациялар үшін сақталған энергия өлшемдері көрсетілген:

Когда θ=0^o, система тұрақты теңсіздік позициясында, және сақталған энергия минимумға жетеді, U=-uB.

Когда θ=90^o, сақталған энергия U=0-ге жетеді.

Когда θ=180^o, сақталған энергия максимумға жетеді, U=uB. Бұл конкретті позиция тұрақты емес теңсіздік позициясын көрсетеді.

Атомдық модель арқылы жалпы магниттік моментті түсіну

Магниттік материалдар қалай магниттік тарты жасайды, түсіну үшін кванттық механикаға кіріс керек. Бірақ, бұл тақырып бұл мақаланың аймағынан тыш. Біз магниттік момент және классикалық атомдық модельді қолдану арқылы, материалдардың сыртқы магниттік тартымен қалай әрекет етуін түсіну үшін өте маңызды ақпарат алуға болады.

Бұл модель, электронды атомдық ядроның айналуы мен өзінің осінен айналуы деп сипаттайды, Фигурасы 3-те көрсетілген.

Электрондар, атомдар және объекттердің жалпы магниттік моменті

Электрондың орбиталық қозғалысы, ойыншық акымды айналмаға ұқсас. Сондықтан, ол магниттік момент жасайды (жоғарыда көрсетілген (u1)). Сол сияқты, электрондың айналуы да магниттік момент (u2) жасайды. Электрондың жалпы магниттік моменті, бұл екеуінің векторлық қосындысы болып табылады.

Атом үшін, оның жалпы магниттік моменті, оның барлық электрондарының магниттік моменттерінің векторлық қосындысы болып табылады. Атомдың протондары да магниттік дипольге ие, бірақ олардың жалпы әсері, электрондарға салыстырғанда адатта есеулі болады.

Объекттің жалпы магниттік моменті, оның ішіндегі барлық атомдардың магниттік моменттерінің векторлық қосындысы арқылы анықталады.

Магниттік вектор

Материалдың магниттік қасиеттері, оның бөлшектерінің магниттік моменттерінен анықталады. Мақалада бұрын айтылған сияқты, бұл магниттік моменттер ойыншық магниттер ретінде қарастырылады. Материалды сыртқы магниттік тартыға қоятында, материалдың ішіндегі атомдық магниттік моменттері, қолданылған тартымен әрекет етеді және күш моментін тәсілдеді. Бұл күш моменті, магниттік моменттерді бір бағытта қойылуға әкеледі.

Дененің магниттік абалы, материалдың ішіндегі атомдық магниттік моменттер саны мен олардың қойылу дәрежесіне байланысты. Егер микроскопиялық акым айналмаларының магниттік моменттері таңдаулы қойылса, олар бір-бірін тереңдетеді, сонымен қатар нөлге жеткізілетін жалпы магниттік тарты. Дененің магниттік абалын сипаттау үшін, магниттік векторды енгіземіз. Ол, материалдың бір бірлік көлеміндегі жалпы магниттік момент болып табылады:

мұнда V - материалдың көлемін көрсетеді.

Материалды сыртқы магниттік тартыға қоятында, оның магниттік моменттері қойылады, магниттік вектордың өлшемі артады. Магниттік вектордың қасиеттері, материалдың параметрмагнитті, ферромагнитті немесе диамагнитті болуына байланысты әсерленеді.

Параметрмагнитті және ферромагнитті материалдар, тұрақты магниттік моменттерге ие атомдардан тұрады. Сол сияқты, диамагнитті материалдардың атомдық магниттік моменттері тұрақты емес.

Жалпы магниттік тартын табу: проницаемость және магниттік әсерден тышқырылуу

Егер материалды магниттік тартының ішіне қою, онда материалдың ішіндегі жалпы магниттік тарты екі айырмашылық басқарушысы бар:

• Сыртқы қолданылған магниттік тарты (B0).

• Сыртқы тартына қолданылатын материалдың магниттік әсерден тышқырылууы (Bm).

Материалдың ішіндегі жалпы магниттік тарты, бұл екеуінің қосындысы болып табылады:

B0 - акымды айналмаға қолданылады; Bm - магниттік затқа қолданылады. Дәлелденгенімен, Bm магниттік векторға пропорционалды:

мұнда μ0 - бос орның проницаемостьсы деп аталатын тұрақты. Сондықтан, бізде:

Магниттік вектор да сыртқы тартымен мына теңдік арқылы байланысты:

мұнда грек әріп χ - магниттік әсерден тышқырылуу деп аталатын пропорционалды фактор. χ өлшемі, материалдың түріне байланысты.

Соңғы екеуінің теңдіктерін біріктіріп, бізде:

Теңдіктің маңызы және салыстырмалық проницаемость

Бұл теңдік, материалдың ішіндегі жалпы магниттік тартының, сыртқы қолданылған магниттік тартыны 1+x коэффициентімен көбейткенге тең екендігін көрсетеді. Бұл коэффициент, салыстырмалық проницаемость деп аталады, материалдың магниттік тартыға қалай әрекет етуін сипаттау үшін маңызды параметр болып табылады. Салыстырмалық проницаемость, адатта ur деп белгіленеді.

Артқы қисында

Магниттік материалдар, трансформаторлар, моторлар және деректерді сақтау құрылғылары сияқты көптеген қолданыстарда маңызды. Дененің магниттік абалы, материалдың ішіндегі атомдық магниттік моменттер санына және сыртқы магниттік тартының қолданысында олардың қалай қойылуына байланысты. Мақалада бірнеше рет айтылған сияқты, магниттік материалдарды параметрмагнитті, диамагнитті және ферромагнитті типтеріне бөліп түсіну үшін бұл критерийлерді қолдануға болады. Бұл категорияларды келесі мақалада қысқаша қарастырамыз.