Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
§ 63. Магнитные свойства веществ и их использованиеКак упомянуто в § 57, все вещества по величине их магнитной проницаемости
Рис. 238. Схема буквопечатающего телеграфного аппарата Якоби (вверху — передающий аппарат, внизу — принимающий). Возбуждение магнитных свойств в парамагнитных и ферромагнитных веществах при приближении к ним магнита или при помещении их в магнитное поле тока представляет собой явление, которое в некоторой мере сходно с поляризацией диэлектрика. При приближении наэлектризованного тела к диэлектрику диэлектрик поляризуется; электрические диполи в диэлектрике обращаются к наэлектризованному телу зарядами противоположного знака, и поэтому диэлектрик в пустоте всегда притягивается наэлектризованным телом. При удалении влиявшего наэлектризованного тела поляризация исчезает. Точно так же и магнитные свойства большинства тел почти исчезают, коль скоро устранена причина, вызывавшая их. Все эти тела, в той или иной мере намагничивающиеся в магнитном поле, размагничиваются при устранении поля. Исключение составляют сталь, магнетит и некоторые специальные сплавы. Магнитные свойства стали, возбужденные магнитным полем, длительно сохраняются при удалении последнего. Сталь служит поэтому материалом для изготовления искусственных магнитов (в особенности хромовая, вольфрамовая и кобальтовая сталь). Любое вещество, способное намагничиваться, представляют себе состоящим из бесчисленного множества молекулярных магнитов, которые размещены в беспорядке. Каждой молекуле этого вещества (железа, никеля и т. д.) приписывают, таким образом, свойства элементарного магнита. Благодаря беспорядочному размещению молекулярных магнитов общее их действие равно нулю и вещество не намагничено. На эти молекулярные магниты действуют, во-первых, упругие силы, которые их удерживают в положении равновесия, и, во-вторых, сила, аналогичная трению, — коэрцитивная (задерживающая) сила. Когда какое-либо вещество, способное намагничиваться, например железо, внесено в пространство, где действуют магнитные силы, внешние магнитные силы ориентируют молекулярные магнитики, железо поляризуется. После того как все молекулярные магниты уже установились в направлении внешних магнитных сил, дальнейшее увеличение поляризации становится невозможным, достигается состояние магнитного насыщения. Если устранить действие внешних магнитных сил, вызвавших намагничивание, то упругие силы начинают поворачивать молекулярные магнитики в прежнее положение; однако вследствие параллельной ориентировки молекулярные магниты действуют друг на друга, и упругие силы уже не в состоянии возвратить их полностью в прежнее беспорядочное состояние; получается явление остаточного магнетизма. Ориентированное расположение молекулярных магнитиков является, в сущности, неустойчивым, но оно поддерживается коэрцитивной силой, о происхождении которой могут быть сделаны различные гипотезы. С изложенной точки зрения, вещество является тем более намагниченным, чем большая степень упорядоченности достигнута в расположении молекулярных магнитов. Каково бы ни было происхождение коэрцитивной силы, можно с уверенностью сказать, что тепловое движение молекул должно разрушать ориентацию молекулярных магнитиков. Действительно, опыт показывает, что при нагревании намагничивание ослабевает. При сильном нагреве (железа до Остаточная намагниченность уменьшается также при сотрясениях, так как сотрясения расстраивают ориентацию молекулярных магнитов. Но в процессе намагничивания те же сотрясения играют благоприятную роль, так как они ослабляют силу трения между элементарными магнитиками. Железный стержень в магнитном поле намагничивается сильнее, если слегка ударять по этому стержню молотком. Заметим, что если мы хотим долго сохранять постоянные магниты намагниченными, то необходимо, прежде всего, охранять их от действия посторонних магнитных полей. Для этого их делают подковообразными и «замыкают» при хранении небольшим куском железа — якорем. Кроме того, необходимо охранять магниты от больших сотрясений и резких изменений температуры.
Рис. 239. Магнитные силы втягивают парамагнитную жидкость в пространство между полюсами магнита. Так как по обобщенному закону Кулона сила взаимодействия магнитных полюсов обратно пропорциональна магнитной проницаемости среды, то очевидно, что в парамагнитной среде магнитные полюсы взаимодействуют с силой меньшей, чем в вакууме, а в диамагнитной среде, наоборот, с силой большей, чем в вакууме. Увеличение силы взаимодействия магнитных полюсов в диамагнитной среде обусловливается тем, что диамагнитная среда намагничивается противоположно парамагнитной среде. Парамагнитное тело, помещенное между полюсами магнитов, намагничивается так, что вблизи положительного полюса магнита в парамагнитном теле появляется отрицательный полюс. Образовавшиеся разноименные полюсы притягиваются друг к другу, поэтому парамагнитные тела всегда втягиваются в пространство между полюсами сильного магнита (рис. 239). В противоположность этому диамагнитное тело, помещенное между полюсами магнита, намагничивается так, что близ каждого полюса магнита в диамагнитном теле образуются одноименные магнитные полюсы, поэтому диамагнитное тело выталкивается из пространства меоюду полюсами магнита (рис. 240 и 241). Вследствие намагничивания тело приобретает некоторый магнитный момент
При однородности и изотропности вещества для стержня, параллелепипеда или цилиндра, имеющих длину I и намагниченных так, что их торцовые поверхности, имеющие площадь
Рис. 240. Пламя выталкивается из пространства между полюсами магнита, так как газы, составляющие пламя, диамагнитны.
Рис. 241. Стерженек, изготовленный из парамагнитного вещества, будучи подвешен между полюсами магнита, устанавливается вдоль прямой, проходящей через полюсы магнита; стержень из диамагнитного вещества устанавливается перпендикулярно к этой линии. Действительно, в этом случае, если принять за магнитные полюсы торцовые поверхности и считать здесь поле однородным, магнитный момент намагниченного тела
(рис. 242). Податливость вещества намагничиванию определяется отношением намагниченности
Магнитная восприимчивость Представим себе, что какое-либо вещество намагничивается током, пропущенным через соленоид. В вакууме магнитная индукция внутри соленоида была бы равна напряженности магнитного поля, создаваемого током:
Рис. 242.
Рис. 243. к выводу уравнения Но напряженность поля в этом зазоре можно рассматривать как сумму напряженности
Поскольку зазор настолько тонок, что поле в нем может считаться однородным, напряженность поля, созданного магнитными полюсами
где А так как по сказанному выше —
и следовательно, уравнение (28) можно переписать так:
Сокращая все члены этого уравнения на
или
Мы видим, таким образом, что магнитная восприимчивость парамагнитных и ферромагнитных веществ является положительной величиной, тогда как у диамагнитных веществ (для которых В монокристаллах магнитная восприимчивость, вообще говоря, не одинакова для различных направлений, и в связи с этим Еектор намагниченности Парамагнитными телами являются марганец, хром, платина, алюминий, растворы солей железа. Наибольшей диамагнитностью обладает висмут. В меньшей, мере диамагнитны цинк, свинец, медь, серебро, золото, сера, воск, смолы, большая часть солей, некоторые газы. Вода слабо диамагнитна. Ниже приведены величины магнитной проницаемости для некоторых веществ. Магнитная проницаемость некоторых веществ (см. скан) Ферромагнитные вещества, которые отличаются большими значениями магнитной проницаемости, обладают соответственно большей величиной магнитной восприимчивости. Помимо этого, характерной особенностью ферромагнитных веществ является непостоянство величины В качестве примера рассмотрим кривую, представленную на рис. 244. Здесь по оси абсцисс отложены значения напряженности магнитного поля внутри ферромагнетика, а по оси ординат — соответствующие значения магнитной проницаемости
Рис 244. Зависимость магнитной проницаемости от напряженности поля для железа. При дальнейшем увеличении напряженности
Рис. 245. Зависимость магнитной индукции от напряженности поля для железа. Вследствие зависимости проницаемости Воспользовавшись данными относительно зависимости точек этой кривой получены путем перемножения значений Характерные черты магнитных свойств ферромагнетиков впервые экспериментально выяснены выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1872 г.).А. Г. Столетов показал, что при увеличении напряженности поля намагниченность
Рис. 246. Зависимость индукции от напряженности поля в железе, стали и чугуне. Так, из рис. 246 можно видеть, что при увеличении напряженности намагничивающего поля от А. Г. Столетов обнаружил, что особенности ферромагнетиков не исчерпываются поясненной выше зависимостью напряженности намагничивающего поля. Помимо этого, как показал А. Г. Столетов, на значение Чтобы познакомиться с этим явлением, представим себе, что в соленоид вложен стержень из ферромагнетика. Пропустив ток через обмотку соленоида и увеличивая постепенно его силу, а следовательно, и напряженность намагничивающего поля
Рис. 247. Петля гистерезиса Очевидно, гистерезис обусловлен тем, что ферромагнетики обладают способностью сохранять в себе остаточное намагничивание, несмотря на то, что поле, которым оно было создано, уменьшилось. Если напряженность намагничивающего поля уменьшится до нуля, то, как показывает рис. 247, кривая Устранить остаточный магнетизм, т. е. Если напряженность обратного поля — Дальнейшее увеличение Снова переменив здесь направление тока и увеличивая его, мы пойдем по отрезку кривой Описанный круговой процесс называется гистерезисным циклом, а изображающая его замкнутая кривая — петлей гистерезиса. Площадь, очерченная петлей гистерезиса, определяет рассеяние энергии в тепло при перемагничивании. Если постепенно увеличивать амплитуду Наиболее полной характеристикой различия свойств ферромагнетиков является форма максимальной гистерезисной петли. На рис. 248 представлены для сравнения петли установившегося режима мягкого железа и закаленной стали. Крутой ход намагничивания и размагничивания в мягком железе обусловлен, как нетрудно понять, малой величиной коэрцитивной силы С другой стороны, следует отметить, что, несмотря на столь большое различие в «прочности намагничивания» железа и стали, их остаточный магнетизм отличается незначительно, причем у железа (вопреки распространенному убеждению) он больше, чем у стали. В этом нас убеждает сравнение отрезков на осях ординат на рис. 248. При нагревании намагниченность насыщения ферромагнитного вещества уменьшается: предельная высота кривых индукции В в зависимости от напряженности намагничивающего поля
Рис. 248. Максимальные гистерезисные петли для железа и стали.
Рис. 249. Зависимость индукции в железе от намагничивающего поля при разных температурах. Выше этой температуры вещество утрачивает свои ферромагнитные свойства; оно становится парамагнитным и его магнитная восприимчивость определяется законом Кюри — Вейса:
где С — константа Кюри, Для железа точкой Кюри является температура 769° С Точки Кюри некоторых металлов Замечательным является тот факт, что многие сплавы обладают лучшими магнитными свойствами, чем чистые металлы. Высокими магнитными качествами обладают сплавы железа с никелем. Сплавы, содержащие 40—80% никеля, обнаруживают весьма малую величину потерь на гистерезис. Сплав, содержащий 78% никеля, так называемый пермаллойх), обладает исключительной способностью намагничиваться в самых слабых полях порядка сотых, даже тысячных долей гаусса (на рис. 250 сопоставлена магнитная проницаемость пермаллоя и чистого железа). От материалов, применяемых для изготовления постоянных магнитов, требуются большие значения коэрцитивной силы
Рис. 250. Магнитная проницаемость пермаллоя и чистого железа. Материалы, применяемые в технике переменных токов, должны легко, без заметных гистерезисных потерь, подвергаться перемагничиванию. Поэтому они должны отличаться самой малой величиной коэрцитивной силы и в то же время большой величиной магнитного насыщения. Такие свойства называют магнитной мягкостью. Этими свойствами обладают чистое железо, железо с примесью кремния и некоторые специальные сплавы. Как видно из приводимой таблицы, сплавы железа с никелем (пермаллой и гиперник) отличаются магнитной Мягкостью и высоким значением магнитной проницаемости. Вместе с тем для чистого никеля Указанный в таблице сплав кобальта, никеля и железа—перминвар — отличается тем, что его магнитная проницаемость при небольших напряженностях намагничивающего поля Полная картина намагничивания ферромагнитного тела определяется не только свойствами ферромагнитного вещества, но и формой тела. Здесь можно было бы повторить многое из того, что было сказано в § 20 о поляризации Свойства магнитно-твердых материалов (см. скан) Свойства магнитно-мягких материалов (см. скан) диэлектриков. Методы вычисления магнитного момента намагниченного тела и электрического момента поляризованного диэлектрика во многом сходны. Напряженность внешнего поля, в которое мы вносим ферромагнитное тело, уменьшается внутри ферромагнитного тела на величину, которую называют обратным (или размагничивающий полем. В частности, для ферромагнитного шара (аналогично формуле, приведенной на стр. 87)
Вычисление обратного поля и учет его влияния на остаточную намагниченность тела (это влияние не одинаково для тел разной формы) во многих случаях представляют довольно сложную задачу. Выдающиеся по своему практическому значению теоретические и экспериментальные исследования в этой области (а также в области исследования магнитных свойств тел в знакопеременных полях высокой частоты) были выполнены Владимиром Константиновичем Аркадьевым. Полученные им и другими учеными выводы освещены в обширной монографии К, Аркадьева «Электромагнитные процессы в металлах» (1934-1936гг.).
Рис. 251. Железные опилки притягиваются к намагниченному телу не только у полюсов, но и вблизи трещин и пустот. Если внутри намагничиваемого тела имеются неоднородности, например вкрапления вещества с иным значением магнитной проницаемости, трещины, пустоты, то это существенно сказывается на той деформации внешнего намагничивающего поля, которая вызывается намагничиванием такого тела у его поверхности. Посыпая такое тело железными опилками и слегка встряхивая его, можно заметить, что опилки собираются не только у полюсов намагниченного тела, но и в тех местах его поверхности, под которыми имеются трещины, пустоты или вкрапления постороннего вещества (рис. 251). Это обстоятельство было использовано рядом советских ученых, создавших так называемый порошковый метод магнитной дефектоскопии. Этот метод сейчас широко применяется для обнаружения невидимых глазом пороков в ответственных деталях машин, изготовляемых из железа и стали. Проверяемое изделие намагничивают током и поливают керосином, в котором взвешены мельчайшие пылинки ферромагнетика.
Рис. 252. Изменение длины при намагничивании (магнитострикция). На том же принципе выявления каким-либо способом неоднородностей магнитного поля, вызываемых пороками изделия, основаны и другие методы магнитной дефектоскопии. Так, например, для проверки состояния рельсов, в которых со временем образуются трещинки, способные привести к железнодорожной катастрофе, применяют магнитный дефектоскоп следующего устройства. По рельсам катится тележка с электромагнитами которые намагничивают некоторый участок рельса. Между полюсами электромагнитов помещено чувствительное реле; оно автоматически сигнализирует о наличии неоднородностей поля, вызываемых трещинками в рельсах. Аналогично устроены магнитные дефектоскопы для проверки на заводе некоторых серийно выпускаемых деталей машин. При намагничивании происходит некоторое изменение размеров тела - магнитострикция. На рис» 262 показано относительное изменение длины стержня из стали, железа, никеля и кобальта при увеличении напряженности намагничивающего поля от
Рис. 254. Схема магнитного (пермаллоевого) тензометра.
Рис. 253. Пакет никелевых пластин магнитострикционного излучателя. Такие небольшие изменения намагничиваемого тела оказались тем не менее достаточными для практического применения магнитострикции в излучателях ультразвуковых волн. На рис. 253 пояснена принципиальная схема магнитострикционного ультразвукового излучателя: переменный ток, производя частые перемагничивания пакета никелевых пластин, вызывает пульсирующее изменение их размеров, что и порождает в окружающей среде ультразвуковые волны. При этом увеличение амплитуды колебания продольных размеров никелевых пластин достигается резонансом между частотой намагничивающего тока и частотой собственных механических колебаний излучателя. Подобного рода излучатели используются, в частности, для измерения глубины дна по принципу эхолота (в этом случае их монтируют на днище корабля).
Рис. 255. Характеристика магнитного пермаллоевого тензометра Следует отметить, что у некоторых ферромагнитных тел магнитная проницаемость существенно изменяется, когда тело растягивают или сжимают в пределах упругой деформации. Например, для железо-никелевых сплавов (с содержанием никеля 60—65%) относительное изменение магнитной восприимчивости в 200—300 раз превышает величину относительной упругой деформации у. На основе этого Н. С. Акулов разработал магнитный метод измерения деформаций и упругих напряжений. На рис. 254 показана схема магнитного тензометра, изготовленного из пермаллоевой полоски, концы которой припаивают или приклеивают к поверхности деформируемой детали. Полоска имеет две маленькие обмотки: одна из них питается током звуковой частоты, в другой индуцируется ток (§ 72), электродвижущую силу которого измеряют. Эта индуцированная электродвижущая сила зависит от потока магнитной индукции в полоске пермаллоя, а поток индукции в соответствии с величиной магнитной восприимчивости зависит от механического напряжения, которое растягивает тензометр (рис. 255). Высокие магнитные свойства некоторых ферромагнетиков были использованы во второй мировой войне в магнитных минах. Магнитные мины, установленные на некоторой глубине, взрываются в момент, когда над миной, не касаясь ее, проходит корабль. Массивный металлический корпус корабля, намагничиваясь в магнитном поле Земли, создает на расстоянии 10-15 м поле напряженностью в сотые доли эрстеда. Когда корабль проходит над миной, магнитное реле мины, реагируя на местное искажение магнитного поля Земли, вызываемое кораблем, замыкает цепь тока портативной батареи гальванических элементов, что приводит к взрыву запала, а вследствие детонации и к взрыву мины. Чтобы обезопасить корабль от магнитных мин, в корпусе корабля прокладывают кабели в виде ряда витков обмотки и пропускают через них постоянный ток, размагничивающий металлические части корабля. Очистку фарватера от магнитных мин осуществляют специальные легкие суда, которые посредством кабелей («электромагнитных тралов») создают достаточно далеко за кормой сильное магнитное поле, вызывающее взрыв магнитных мин. Разработка высококачественных ферромагнитных материалов позволила улучшить электрические машины и разнообразные приборы автоматической сигнализации и управления, увеличить дальность телеграфной и телефонной связи, повысить чувствительность многих измерительных приборов, в частности приборов магнитной разведки руд, усовершенствовать электроакустические аппараты, в том числе аппараты звукового кино, осуществить магнитную запись звука (§ 95) и т. д. Свойства парамагнитных веществ при сверхнизких температурах используются в магнитном методе глубокого охлаждения тел (стр. 329).
|
1 |
Оглавление
|