Magnetizmas

Straipsnis iš Vikipedijos, laisvosios enciklopedijos.

Magnetizmas - fundamentalusis fizikinis fenomenas, pasireiškiantis pritraukiančiąja ir atstumiančiąja jėga atsirandančia tarp magnetų, įmagnetintų medžiagų ir lygiagrečių laidininkų, per kuriuos teka elektros srovė. Tos jėgos vadinamos magnetinėmis jėgomis, o laukas, kuriame jos veikia - magnetiniu lauku. Magnetizmas priklauso prie elektromagnetizmo, kuris yra viena iš keturių pagrindinių jėgų fizikoje.

[taisyti] Apžvalga

[taisyti] Magnetizmas kaip fundamentalioji gamtos jėga

Informacija šiame straipsnyje nėra sutvarkyta.
Jei galite, prašome sutvarkyti šį puslapį. Tik tada bus galima ištrinti šį pranešimą.
Priežastys, dėl kurių straipsnis laikomas nesutvarkytu, aiškinamos straipsnyje Nesutvarkyti straipsniai.

Magnetinio lauko savybes patogu tirti elementariuoju rėmeliu - labai mažu uždaru plokščiu kontūru, kuriuo teka elektros srovė. Kontūro forma neturi reikšmės, bet paprastumo dėliai galima įsivaizduoti jį esantį stačiakampį, kurio dvi kraštinės lygiagrečios laidininkui, sukūrusiam tiriamąjį lauką. Tiesaus laidininko srovės magnetinis laukas vieną kontūro kraštinę traukia, o kitą - stumia: kontūrą veikia didžiausias sukimo momentas M, kai atstumai nuo laidininko iki abiejų kontūro kraštinių vienodi. Tas momentas tiesiog proporcingas kontūro plotui S, srovės stiprumui jame I ir tam tikrai magnetinio lauko charakteristikai, vadinamai magnetine indukcija B. Magnetinę indukciją galima apibūdinti kaip elementaraus rėmelio sukimo momentą, tenkantįjo ploto ir srovės jame vienetui, t.y.:

B=\frac{M}{IS}

Sandauga IS = Mm vadinama kontūro magnetiniu momentu.

Magnetinio lauko kryptimi laikoma sraigto judėjimo kryptis, kai jo galvutė sukama suorientuoto lauke rėmelio srovės kryptimi.

Srovė, tekanti ilgu laidininku, sukuria magnetinį lauką, kurio magnetinė indukcija tiesiog proporcinga srovei ir atvirkščiai proporcinga atstumui nuo laidininko

B_0=\frac{ \mu_0 }{2 \pi\ r}= \mu_0 \frac{I}{l};

čia

B0 - magnetinė indukcija T;

r - atstumas nuo laidininko m;

l - apskritimo, kurio spindulys r, ilgis m;

μ 0 = 4 π · 10-7 - magnetinė konstanta \frac{H}{m};

I - srovės stiprumas laidininke A.

Magnetinį lauką piimta vaizduoti magnetinės indukcijos linijomis, pasižyminčiomis šitokiomis savybėmis:

  • jų tankis proporcingas lauko indukcijai;
  • jos niekur neprasideda ir nepasibaigia - yra uždaros;
  • jų kryptis sutampa su lauko kryptimi.

Tiesaus laidininko su srove magnetinio lauko jėgų linijos - tai koncentriški apskritimai, kurių tankis atvirkščiai proporcingas spinduliui.

Magnetinį lauką sukuria ne tik laidininku tekanti srovė, bet ir kai kurios medžiagos, vadinamos feromagnetikais (geležis, nikelis, kobaltas, kai kurie metalų lydiniai ir oksidai).

Magnetinių reiškinių priežastis ir čia yra elektros krūvių (elektronų) judėjimas: elektronai skrieja apie branduolius uždaromis orbitomis, nutolusiomis nuo branduolio tam tikru atstumu ir, be to, dar sukasi apie savo ašį. Sukimosi momentas vadinamas spinu. Jis ir yra pagrindinis magnetinių reiškinių medžiagoje kaltininkas. Besisukantis apie savo ašį elektronas - tai mažytis kontūras su srove, turintis magnetinį momentą Mm. Nustatyta, kad du elektronai gali būti vienoje orbitoje, jei jie turi priešingus spinus, todėl paprastai atomo elektronai skrieja poromis. Tokia pora neturi magnetinio momento, nes abiejų elektronų magnetiniai momentai kompensuoja vienas kitą. Jei atomo elektronų skaičius lyginis, tai ir atomas neturi magnetinio momento. Bet ir nelyginis elektronų skaičius atome yra nepakankama magnetinio momento buvimo salyga. Mat, jei nesukompensuoti elektronai yra išorinėje orbitoje, tai atskiras atomas turi magnetinį momentą, o medžiagoje tie nesukompensuoti elektronai pasidaro bendri keliems atomams, sudaro antilygiagrečias poras, ir jų magnetinis momentas pasinaikina.

Feromagnetinės medžiagos turi nesukompensuotų elektronų vidinėse orbitose.

Medžiagos magnetinės savybės, jų sukuriamas magnetinis laukas apibūdinamas magnetingumu J - magnetinių momentų skaičiumi tūrio vienete:

J=\frac{ \Sigma\ M_m }{V}.

Medžiagos magnetinio lauko indukcijos ir magnetingumo priklausomybė šitokia:

B_m={ \mu\ J }.

Jei magnetinių momentų daug ir jų kryptys vienodos - magnetingumas didelis, jei jų kryptys įvairios - bendrasis magnetinis momentas lygus nuliui, ir medžiaga neįmagnetinta. Įmagnetinta kuria nors kryptimi medžiaga bus tokia, kurios magnetiniai momentai pasukti ta kryptimi. Magnetinės jėgos tarp atskirų atomų yra mažos ir nepajėgia suorentuoti atskirų magnetinių momentų viena kryptimi. Elektrostatinės jėgos tarp išorinių orbitų elektronų yra daug didesnės (išorinių orbitų elektronai yra žymiai arčiau vienas kito). Tos jėgos orentuoja gretimų atomų išorinių orbitų ašis lygiagrečiai, o tuomet ir jų magnetiniai laukai pasidaro lygiagretūs, ir gan didelės feromagnetiko sritys savaime įgauna vienodą magnetinio magnetinio lauko kryptį. Savaiminio įmagnetinimo sritys vadinamos domenais. Visame medžiagos gabale susidaro ne vienas, o daug įvairios krypties domenų, nes bet kuri sistema stengiasi turėti mažiausią potencinę energiją, o įsimagnetinus visam medžiagos gabalui, atsirastų didelės potencinės energijos išorinis magnetinis laukas. Be to, feromagnetikai yra kristalinės struktūros arba sudaryti iš atskirų dalelyčių, tarp kurių yra didesni ar mažesni tarpeliai. Vienas domenas negali apimti kelių kristalų ar dalelyčių. Kūno potencinė energija mažiausia, jei jame yra daug domenų. Mat, jie savaime išsidėsto taip, kad jų lauko linijos eina ne pro išorinę erdvę, o tik pro gretimus atitinkamos krypties domenus. Kokio tad didumo tie domenai? Mažėjant domenų tūriui, mažėja išorinio magnetinio lauko energija, bet gausėja tokių atomų, kurių gretimų atomų magnetiniai momentai yra skirtingų krypčių, ir todėl didėja tų laukų sąveikos arba ryšio, energija. Domenų tūris yra toks, kad jų potencinė energija būtų minimali, ir įvairiose medžiagose gali svyruoti nuo 10-1 iki 10-9 cm³. Domenus vieną nuo kito skiria apie 4 · 10-6 cm storio pereinamosios sritys - Blocho sienelės, kuriose magnetinio lauko kryptis palaipsniui kinta. Domenus galima pamatyti pro mikroskopą, pabarsčius lygiai nušlifuotą feromagnetiką smulkiais geležies milteliais. Geležies milteliai susirenka ties Blocho sienelėmis. Feromagnetiko kristaluose atomai išsidėstę tam tikra periodiškai pasikartojančia tvarka. Kristalams įmagnetinti įvairiomis kryptimis reikalingi skirtingi magnetiniai laukai - vienomis didesni, kitomis - mažesni. Tas reiškinys vadinamas magnetine antizotropija. Išmagnetinto feromagnetiko kristale domenų magnetingumo kryptis negali būti bet kokia - tų krypčių esti keletas ir jos vadinamos lengvosiomis magnetingumo kryptimis.

Pažiūrėkime, kas vyksta feromagnetike, įnešus jį į palaipsniui stiprėjantį magnetinį lauką. Pradžioje magnetingumas didėja, nes didėja tūris jų domenų, kurių savojo magnetingumo kryptys artimos išorinio magnetinio lauko krypčiai. Domenas didėja tol, kol visas kristalas tampa vienu domenu, įmagnetintu artimiausia išoriniam laukui lengvąja magnetingumo kryptimi.

Toliau stiprėjant išoriniam laukui, jo indukcijos veikiami domenų kristalų magnetiniai momentai pasukami išorinio lauko linkme. Toks feromagnetiko būvis, kai visu domenų magnetingumo kryptis sutampa su išorinio lauko kryptimi, vadinamas prisotinimu, o toks magnetingumas - soties magnetingumu. Toliau stiprėjant laukui, medžiagos būvis beveik nesikeičia. Esant vidutinio stiprumo laukams, abu procesai - domenų tūrio didėjimas ir magnetinės krypties sukimasis - vyksta tuo pačiu metu.

Iš pradžių, kol išorinis laukas dar silpnas, medžiagos magnetingumas keičiasi labai nežymiai - augančių domenų sienelės pasislenka nedaug - tik iki pirmųjų jų kelyje pasitaikančių kliūčių. O kliūtys - tai visuomet esančios medžiagoje priemaišų dalelytės, tuštumos ir kristalų formos defektai. Ties tokiomis kliūtimis Blocho sienelė kuriam laikui sustoja. Išnešus medžiagą iš lauko, sienelės gryšta į pradinę padėtį ir medžiaga išsimagnetina, t.y. procesas yra grįžtamas.

Kai lauko stiprumas pasidaro pakankamas kliūčiai nugalėti, sienelė ją peršoka ir per labai trumpą laiką (10-8 - 10-12 s) paslenka tam tikrą atstumą. Šuoliu pakitus kai kurių tūrių magnetingumui, atsiranda sūkūrinės elektros srovės, kurių energija, pavirtusi šiluma, išsisklaido. Dabar išnešus feromagnetiką iš lauko, medžiaga lieka įmagnetinta, nes kai kurių domenų Blocho sienelės nebegali grįžti į pradinę padėtį - kliūtims nugalėti reikia priešingos krypties lauko energijos.

Šuoliškas medžiagos magnetingumo didėjimas, tolygiai iš leto stiprinant lauką, vadinamas Barkhauzeno efektu.

Medžiagą išnešus iš prisotinančio lauko, jos magnetingumas sumažėja iki soties liekamojo magnetingumo Jr, nes visų domenų-kristalų magnetiniai momentai pasisuka į artimiausias lengvąsias magnetingumo kryptis.

Tokiu būdu, įnešus feromagnetiką į magnetinį lauką, magnetinė indukcija jame bus lygi išorinio ir vidinio laukų indukcijų sumai:

B_ \Sigma\ = B_0+B_m=B_0+ \mu_0 J.

Be to, medžiagos indukcija proporcinga išorinio lauko indukcijai:

B_ \Sigma\ = \mu\ B_0;

čia \mu\ = \frac{B_ \Sigma\ }{B_0} -- proporcingumo koeficientas, vadinamas santykine magnetine skverbtimi, parodo, kiek kartų atstojamoji medžiagos indukcija didesnė už išorinio lauko indukciją.

Kadangi medžiagos indukcija yra magnetingumo ir magnetinės konstantos sandauga, tai analogiškai išreiškiama ir vakuumo indukcija - ji lygi magnetinės konstantos ir magnetinio lauko stiprumo H sandaugai:

B_ \Sigma\ = \mu\ \mu_0 H = \mu_a H;

čia \mu_a = \mu_0 \mu\ - absoliutinė magnetinė skverbtis \frac{H}{m},

Kadangi indukcijos medžiagoje priklausomybė nuo lauko stiprumo nėra tiesinė, tai ir santykinė magnetinė skverbtis priklauso nuo lauko stiprumo.

Permalojaus 79HM pradinio įmagnetinimo kreivė
Enlarge
Permalojaus 79HM pradinio įmagnetinimo kreivė

Kreivė parodanti kaip keičiasi išmagnetinto feromagnetiko magnetingumas, stiprinant lauką, vadinama pradinio įmagnetinimo kreive.

Įnešus prisotintą feromagnetiką į palaipsniui stiprėjantį priešingos krypties magnetinį lauką, jo magnetingumas mažės ir, laukui pasiekus tam tikrą reikšmę, jo visai neliks. Toks lauko stiprumas vadinamas koercityvine jėga - jis permagnetina apytiksliai pusę visos, prieš tai prisotintos priešinga kryptimi medžiagos. Vadinasi, feromagnetiko indukcija priklauso ne tik nuo to, koks buvo medžiagos būvis, prieš ją įnešant į magnetinį lauką.

Laukui toliau stiprėjant, medžiagoje atsiranda ir auga priešingos krypties magnetingumas, kol vėl pasiekiamas prisotinimas.

Vėl pakeitus išorinio lauko kryptį, medžiagoje vyksta analogiški procesai, ir visą medžiagos permagnetinimo ciklą galima grafiškai atvaizduoti ribine histerezės kilpa.

6-ojo tipo juostelės ribinė histerezės kilpa
Enlarge
6-ojo tipo juostelės ribinė histerezės kilpa

Permagnetinimo ciklą galima atlikti ir esant silpnesniems laukams - tuomet gaunamos dalinės histerezės kilpos, kurios telpa ribinėje.