Magnetik materiallar haqida asosiy tushunchalar

Magnetik moment

Ayni tashqi magnet maydoniga qarab, turli materiallar o'zaro farqli reaksiyalarni ko'rsatishlari mumkin. Bu jarayonning asosiy sababini tushunish uchun, avvalo, magnet dipozitlarining magneetik xususiyatlarni boshqarish usullarini bilishimiz kerak. Bu tushuncha, magnetik moment bilan bog'liq bo'lib, uni o'rganishdan boshlanadi.

Magnetik moment, ya'ni qisqacha aytganda, magnet momenti - bu elektrmagnitikda asosiy tushunchadir. U orqali, elektrli kontur va to'g'ri chizilgan magnet maydoni orasidagi ta'sirni tushunish va aniqlash mumkin. Elektrli konturning (yuza A va joriy I) magnet momenti quyidagicha aniqlanadi:

Eslatma: Yuza vektor sifatida belgilangan, shuning uchun magnet moment ham vektordir. Ikki vektorda bir xil yo'nalishi mavjud.

Magnet momentning yo'nalishi kontur yuzasiga perpendikulyar. O'ng qollingiz unchalik parmaklaringizni joriy oqish yo'nalishiga qarama-qarshi qilib egirsangiz, bosh parmingiz magnet moment vektorining yo'nalishini ko'rsatadi. Buni 1-figura aytilib beradi.

Konturning magnet momenti faqat undan o'tkazilayotgan joriy va u ichiga oladigan yuza orqali aniqlanadi. Konturning shakli uga ta'sir qilmaydi.

Moment va magnet moment

2-figuraga qarang, bu figuralarda to'g'ri chizilgan magnet maydoni ichidagi elektrli kontur tasvirlangan.

Yuqorida ko'rsatilgan figurada:

•  I - joriy.

• B - magnet maydon vektori.

• u - magnet moment.

• θ - magnet moment vektori va magnet maydon vektori orasidagi burchak.

Konturing qarama-qarshi tomonlari orasidagi kuchlar o'zaro qarama-qarshilikni ta'minlaydi, shuning uchun konturga ta'sir etuvchi umumiy kuch nolga teng. Amma konturda magnet moment mavjud. Bu momentning konturga ta'sir etuvchi kuchi quyidagicha hisoblanadi:

2-formuladan, biz aniq ko'rishimiz mumkin ki, moment (t) magnet moment bilan o'zaro bog'liq. Chunki magnet moment magnit kabi ishlaydi; tashqi magnet maydoniga joylashtirilganda, u momentga ega bo'ladi. Bu moment har doim konturni mustahkam barqarorlik holatiga soxlaydi.

Mustahkam barqarorlik holati, magnet maydon kontur yuzasiga perpendikulyar bo'lganda (ya'ni, θ=0°) erishiladi. Agar kontur bu holatdan ozroq siljib ketadi, moment konturni barqarorlik holatiga qaytaradi. Moment θ=180° da ham nolga teng bo'ladi. Amma bu holatda kontur mustahkam emas. θ=180° dan ozroq siljish, konturni 0° ga qaratib ketadi.

Nega magnet moment muhim?

Ko'plab qurilmalar elektrli kontur va magnet maydon orasidagi ta'sirga asoslangan. Masalan, elektr motoridagi torq, motorning magnet maydoni va elektrli konduktorlar orasidagi ta'sir natijasida paydo bo'ladi. Bu ta'sir davomida, potentsial energiya konduktorlar aylanayotganda o'zgaradi.

Magnet moment va tashqi magnet maydon orasidagi ta'sir, bizning magnet tizimimizda potentsial energiyani hosil qiladi. Ushbu ikki vektor orasidagi burchak, tizimda saqlangan energiyani (U) aniqlaydi, quyidagi formulada ko'rsatilgandek:

Quyidagi muhim holatlarda saqlangan energiya qiymatlari quyidagicha:

Agar θ=0°, tizim mustahkam barqarorlik holatida, va saqlangan energiya eng past qiymatga erishadi, U=-uB.

Agar θ=90°, saqlangan energiya U=0 ga erishadi.

Agar θ=180°, saqlangan energiya eng yuqori qiymatga erishadi, U=uB. Bu holat mustahkam emas barqarorlik holatini ifodalaydi.

Atom modeli orqali umumiy magnet momentni tushunish

Magnet materiallar qanday magnet maydonni hosil qilishini to'liq tushunish uchun kvant mexanikadan foydalanish zarur. Amma bu maqola bu mavzuni o'z ichiga olmaydi, lekin biz hali ham klassik atom modeli va magnet moment tushunchasidan foydalanib, materiallar tashqi magnet maydon bilan qanday muloqot qilishini tushunishimiz mumkin.

Bu model elektronni atom yadro orqali aylanayotgan va o'z o'qida aylanayotgan qilib tasvirlaydi, 3-figurada ko'rsatilgandek.

Elektronlar, atomlar va ob'ektlarning umumiy magnet momenti

Elektronning orbital harakati kichik joriyli konturga o'xshaydi. Shuning uchun, u magnet moment (figurada u1 deb belgilangan) hosil qiladi. Xuddi shunday, elektronning spin harakati ham magnet moment (u2) hosil qiladi. Elektronning umumiy magnet momenti, bu ikki magnet momentning vektor yig'indisidir.

Atomning umumiy magnet momenti, uning barcha elektronlari orasidagi magnet momentlarning vektor yig'indisidir. Atomning protonlari ham magnet dipolga ega, amma ularning umumiy ta'siri elektronlarga nisbatan noqoldir.

Ob'ektning umumiy magnet momenti, uning ichidagi barcha atomlarning magnet momentlarning vektor yig'indisidir.

Magnetlash vektori

Materialning magnet xususiyatlari, uning tarkibiy zarrachalarning magnet momentlari orqali aniqlanadi. Maqolada bahs etilganidek, bu magnet momentlarni kichik magnitlar deb o'ylash mumkin. Materialni tashqi magnet maydonga joylashtirganda, uning ichidagi atomli magnet momentlari tashqi maydonga ta'sir qiladi va momentga ega bo'lib, ularning bir hil yo'nalishga qaratishga urinadi.

Substance ning magnet holati, materialda mavjud atomli magnet momentlarning soni va ularning bir hil yo'nalishdagi darajasi orqali aniqlanadi. Agar mikroskopik joriyli konturlar tomonidan yaratilgan magnet momentlarning yo'nalishi tasodifiy bo'lsa, ular o'zaro bekor qilishga urinadi, natijada nolga yaqin umumiy magnet maydon hosil bo'ladi. Substance ning magnet holatini tavsiflash uchun, biz magnetlash vektorini kirityapmiz. U substance ning bir birlik hajmi bo'lgan materialning umumiy magnet momenti bilan belgilanadi:

bu yerda V - material hajmi.

Materialni tashqi magnet maydoniga joylashtirganda, uning magnet momentlari bir hil yo'nalishga qaratiladi, shuning uchun magnetlash vektorining qiymati oshadi. Magnetlash vektorining xususiyatlari, materialning paramagnit, ferromagnit yoki diamagnitligiga qarab o'zgaradi.

Paramagnit va ferromagnit materiallar, doimiy magnet momentga ega atomlardan iborat. Diamagnit materiallarning atomli magnet momentlari esa doimiy emas.

Umumiy magnet maydonni topish: penetratsiya va suzgunlik

Materialni magnet maydon ichiga joylashtirsa, material ichidagi umumiy magnet maydon ikki alohida manbadan keladi:

• Tashqi qo'yilgan magnet maydon (B0).

• Tashqi maydonga javob berishda materialning magnetlashi (Bm).

Material ichidagi umumiy magnet maydon, bu ikki komponentning yig'indisidir:

B0 elektrli konduktor tomonidan hosil qilinadi; Bm esa materialning magnetlashi tomonidan hosil qilinadi. Ko'rsatilishi mumkin ki, Bm magnetlash vektori bilan proporsional:

bu yerda μ0 - bo'sh fazoda penetratsiya deb ataladigan doimiy son. Shuning uchun, biz quyidagicha yozishimiz mumkin:

Magnetlash vektori ham tashqi maydon bilan quyidagi formulada belgilangan proporsional munosabatga ega:

bu yerda Yunon harfi χ - magnet suzgunlik deb ataladigan proporsional faktor. χ qiymati material turiga qarab o'zgaradi.

Oxirgi ikki formulani birlashtirish orqali, biz quyidagicha yozishimiz mumkin:

Formulaning ahamiyati va nisbiy penetratsiya

Bu formula intuitiv tushunishga ega: u material ichidagi umumiy magnet maydonning tashqi qo'yilgan magnet maydonning 1+x ko'paytmasiga teng ekanini ko'rsatadi. Bu faktor, nisbiy penetratsiya deb ataladi, va materialning magnet maydonga qanday javob berishini belgilovchi muhim parametrdir. Nisbiy penetratsiya, adashlab urinmasdan, ur bilan belgilanadi.

Turli materiallarning magnet suzgunligi

4-figura, uch turli materialning to'g'ri chizilgan magnet maydon ichida qanday muloqot qilishini tasvirlaydi. Materialning ichki sohasi sarig rangli to'rtburchak bilan belgilangan.

Turli materiallarning magnet suzgunligi

4(a)-figurada, material ichidagi magnet maydon chiziqlari, tashqaridagi maydon chiziqlariga nisbatan ko'proq ajratilgan. Bu, diamagnit material ichidagi umumiy magnet maydonning tashqi qo'yilgan maydondan qisqaroq ekanligini ko'rsatadi. Diamagnit materiallar uchun, magnet suzgunlik (X) kichik salbiy qiymatga ega. Masalan, 300 K da mis'da, temirning magnet suzgunligi –9.8 × 10⁻⁶. Natijada, material tashqi maydonni ichki bo'lgan qismidan qisman rad etadi.

4(b)-figura, paramagnit materialning javobini ko'rsatadi. Bu yerda, material ichidagi magnet maydon chiziqlari, tashqi maydon chiziqlariga nisbatan ko'proq qoplangan. Bu, material ichidagi umumiy magnet maydonning tashqi maydondan ortiqcha ekanligini anglatadi. Paramagnit materiallar uchun, X kichik musbat qiymatga ega. Mis'ol uchun, 300 K da litiyning magnet suzgunligi 2.1 × 10⁻⁵.

Nihoyat, 4(c)-figurada, ferromagnit material, magnet maydon chiziqlarini o'zgartiradi va ularni material ichiga o'tkazadi. Material magnitlashtiriladi va ichki maydonni ortiqcha oshiradi. Ferromagnit materiallar uchun, X qiymati 1,000 dan 100,000 gacha bo'lgan oralig'ida musbat qiymatga ega. Ularning yuqori magnet suzgunligi sababli, ular tashqi qo'yilgan maydondan juda ko'p yutuq qiladi.

Ferromagnit materiallar uchun, X doimiy emas. Demak, magnetlash (M) tashqi qo'yilgan magnet maydon (B0) bilan o'zaro chiziqli bog'liq emas.

Yakunlash

Magnet materiallar, transformatorlar, motorlar va ma'lumotlarni saqlash qurilmalar kabi turli sohalar uchun muhim. Substance ning magnet holati, materialda mavjud atomli magnet momentlarning soni va ularning tashqi maydon ichida qanday bir hil yo'nalishga qaratishiga bog'liq. Qisqacha bahs etilganidek, biz materiallarni paramagnit, diamagnit va ferromagnitligiga qarab uch turga bo'lishimiz mumkin. Biz keyinchalik maqolada, bu toifalarni yanada to'liq tahlil qilamiz.