Skąd się bierze naturalny magnetyzm?
advertisement
Skąd się bierze naturalny magnetyzm? Pole magnetyczne w cewce R r1 a1 r r2 a a2 A 0 l B dl B x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x 2,0 1 B(x) [mT] 2 1,0 0,5 x [m] 1 – cewka idealna 2 – cewka o długości 10 cm 3 – cewka o długości 18 cm I = 4 A, R = 3 cm 3 0,0 -0,30 -0,24 -0,18 -0,12 -0,06 0,00 2 nI cos 2 cos 1 L L x x 0 nI 2 2 B( x) 2 2 2 L L 2 2 x R 2 x R 2 L 1,5 0 0,06 0,12 0,18 0,24 0,30 Największa siła działająca na różne materiały gdy umieścimy je w pobliżu końca cewki dB 0 dx 2,0 dB 0 lub dx 1 1,5 3 B(x) [mT] 2 1,0 Pewne substancje są zawsze wypychane w kierunku wzrastającego wektora indukcji, inne w kierunku przeciwnym 0,5 0,0 -0,30 -0,24 -0,18 -0,12 -0,06 0,00 dB 0 dx 0,06 0,12 0,18 0,24 0,30 x [m] Diamagnetyki – odpychane przez magnes Paramagnetyki – przyciągane przez magnes Ferromagnetyki – bardzo silnie przyciągane Pole pętli z prądem dB 2 dB 1 a Idlr sin (dl , r ) o Idl dB o 3 4 r 4 r 2 A a r r o B dB 4 h Idl r r3 dl r I dl1 dl2 O B dB sin l B o 4 2R 0 IR R 2 h 3 2 2 R r R h , sin 2 R o I 4 R 2 h 2 2R pm IS o 2 2 dl o 4 R2 h2 R IR 2 R 2 h 3 2 2 2 2R 0 IR R 2 h B 3 2 2 o 2 R 2 h2 dl IR 2 R 2 h 3 2 2 o 2 magnetyczny moment dipolowy R pm 2 h 3 2 2 Atomy tworzące materię zawierają krążące po orbitach zamkniętych elektrony – mikroskopijne pętle z prądem – prądy molekularne. Moment magnetyczny takiej pętli pm IS W przypadku wielu materiałów te mikropętle są przypadkowo rozłożone w przestrzeni, tak że ich wypadkowy moment magnetyczny = 0. Przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne może tak zorientować mikropętle, że momenty magnetyczne dodadzą się – następuje namagnesowanie substancji. W niektórych materiałach mikropętle są zorientowane, tak że moment magnetyczny jest różny od zera – magnesy. Moment magnetyczny atomu mv L r I Moment pędu elektronu w atomie wodoru Lrp L mrv Natężenie prądu e I T 2r T Okres obiegu elektronu po orbicie kołowej v ev ev evr 2 I pm IS r 2r 2r 2 evrm e pm L 2m 2m Moment pędu ma przeciwny znak do momentu magnetycznego e pm L 2m moment magnetyczny elektronu jest proporcjonalny do jego momentu pędu. Zgodnie z teorią Bohra moment pędu jest skwantowany: L n, n 1,2, Moment magnetyczny elektronu en pm , n 1,2, 2m h 2 Wielkość momentu magnetycznego elektronu na 1 orbicie e B 9.274 10 24 Am 2 2m nosi nazwę magnetonu Bohra. Paramagnetyzm B 9.274 1024 Am2 Atomy niektórych substancji posiadają moment magnetyczny rzędu magnetonu Bohra. Po umieszczeniu takiej substancji w zewnętrznym polu magnetycznym o indukcji B0 na każdy moment magnetyczny będzie działał moment siły orientując go zgodnie z kierunkiem pola. Wtedy pole wewnętrzne B’ pochodzące od mikropętli będzie sumować się z polem zewnętrznym, dając pole wypadkowe B Bo B' Takie substancje nazywamy paramagnetykami. B Bo 0 M wektor namagnesowania 1 M V pmi i Wektor namagnesowania = moment magnetyczny przypadający na jednostkę objętości materiału (analog wektora polaryzacji). Względna przenikalność magnetyczna B r B0 liczba mówiąca ile razy pole magnetyczne wewnątrz próbki jest większe od pola magnetycznego próżni. Wielkość m r 1 jest podatnością magnetyczną. m r 1 Dla paramagnetyków m 0 r 1 Wektor namagnesowania m M B 0 r Proces ustawiania momentów magnetycznych jest zakłócany przez ruchy cieplne. Temperaturowa zależność wektora namagnesowania B M C T Prawo Curie (Piotra) C – stała Curie, zależna od rodzaju materiału. Próbka paramagnetyczna jest wciągana w obszar niejednorodnego pola magnetycznego. Diamagnetyzm W nieobecności zewnętrznego pola magnetycznego wypadkowy moment magnetyczny = 0. Zewnętrzne pole magnetyczne wpływa na ruch elektronów w atomach, wywołując powstanie dodatkowych pętli z prądem. Generowane pole przez pętle jest zawsze skierowane przeciwnie do zewnętrznego pola – tak zachowują się diamagnetyki. Podatność magnetyczna diamagnetyków m 0 r 1 m r 1 Próbka diamagnetyczna jest wypychana przez niejednorodne pole magnetyczne paramagnetyk diamagnetyk Materiał Paramagnetyki Uran Platyna Aluminium Sód Tlen (gaz) Diamagnetyki Bizmut Rtęć Srebro Węgiel (diament) Ołów Chlorek sodu Miedź Podatność magnetyczna przy t = 20C 40·10-5 26·10-5 2.2·10-5 0.72·10-5 0.19·10-5 -16.6·10-5 -2.9·10-5 -2.6·10-5 -2.1·10-5 -1.8·10-5 -1.4·10-5 -1.0·10-5 Ferromagnetyzm Ściany domenowe W strukturze ferromagnetyków można wyróżnić mikrokopowe obszary – domeny magnetyczne, w których atomowe momenty magnetyczne ustawione są zgodnie. W niezorientowanej próbce domeny są zorientowane chaotycznie względem siebie, w obecności pola magnetycznego dążą do równoległego ustawienia względem pola – domeny ustawione zgodnie z zewnętrznym polem rosną kosztem pozostałych. Całkowity moment magnetyczny pojedynczej domeny jest tysiące razy większy od magnetonu Bohra, porządkujące działanie pola zewnętrznego jest większe niż w przypadku paramagnetyków. Względna przenikalność magnetyczna ferromagnetyków osiąga wartości rzędu 103 – 105. Ferromagnetyki – żelazo, kobalt, nikiel, wiele stopów. Każda próbka ferromagnetyka podgrzana powyżej pewnej temperatury krytycznej – temperatury Curie – staje się paramagnetykiem. Zanika oddziaływanie prowadzące do powstawania domen magnetycznych. Dla żelaza TC = 1043 K. Krzywa namagnesowania ferromagnetyka pętla histerezy B 0 H Rośnie temperatura materiału. B 0 H magnetyzm resztkowy Proces magnesowania i rozmagnesowywania próbki – cykliczne przeorientowywanie jej momentów – związany jest ze stratami energii dostarczanej przez zewnętrzne pole. Straty energii są tym większe im szersza jest pętla histerezy. Zastosowanie ferromagnetyków Rdzenie transformatorów, elektromagnesów, silników, generatorów i innych urządzeń gdzie występują prądy zmienne – jak najwęższa pętla histerezy – tzw. miękkie żelazo. Magnesy trwałe – jak najszersza pętla histerezy, a więc jak największy magnetyzm resztkowy – stal, stop aluminium, niklu i kobaltu (Alnico). Magnetyzm resztkowy jest rzędu 1 T. Warstwy czynne dysków komputerowych, taśm magnetycznych – materiały o pośredniej szerokości – łatwe przemagnesowywanie nie wymagające stosowania silnych pól przy zapisie i kasowaniu informacji.
