• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

ЕФФЕКТ ХОЛЛА

Якщо металеву пластину, вздовж якої протікає постійний електричний струм, помістити в перпендикулярне до неї магнітне поле, то між гранями, паралельними напрямку струму і поля, виникає різниця потенціалів(рис. 3.6):

,(3.18)

де b – ширина пластини, j – густина струму, B – магнітна індукція поля, R – стала Холла.

Це явище називають ефектом Холла або гальваномагнітним явищем.

Рис. 3.6. Ефект Холла

Ефект Холла пояснює електронна теорія. При відсутності магнітного поля струм в пластині зумовлений електричним полем (рис. 3.6). Потенціали точки 1 і точки 2 рівні. Носії струму – електрони – мають негативний заряд, тому швидкість їх впорядкованого руху направлена протилежно вектору густини струму .

При ввімкнені магнітного поля на кожний електрон буде діяти сила Лоренца:

.(3.19)

В результаті у електронів виникне складова швидкості направлена до верхньої гарні. Біля цієї грані утвориться надлишок електронів, відповідно біля нижньої грані – недостача електронів. Отже виникне поперечне електричне поле ,яке з полем утворює результуюче поле .Теперпотенціали точок 1 і 2 різні. Стала Холла:

,(3.20)

де n – концентрація електронів. Вимірявши сталу Холла, можна знайти концентрацію електронів в даному металі.

Ефект Холла можна спостерігати не тільки в металів, а й у напівпровідників, причому за знаком ефекту можна визначити якого типу напівпровідник.

4.3. МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИН

План лекції

3.3.1. Магнетики і їх намагнічування

3.3.2. Магнітне поле в магнетиках. Діамагнетики і парамагнетики

3.3.3. Феромагнетики та їх властивості. Магнітний гістерезиз

3.3.4. Магнітні матеріали і їх застосування

3.3.1. МАГНЕТИКИ 1 ЇХ НАМАГНІЧУВАННЯ

Магнітні моменти атомів (молекул) у тілі зорієнтовані безладно, і загальний магнітний момент тіла дорівнює нулю - тіло ненамагнічене. Якщо ж тіло внести в магнітне поле, то виникає часткова або повна орієнтація магнітних моментів атомів (молекул) і результу­ючий магнітний момент тіла стає відмінним від нуля - тіло намаг­нічується. При цьому змінюються властивості самого тіла: у ньому наводиться власне магнітне поле.

Усяке макроскопічне тіло прийнято називати магнетиком, ос­кільки воно здатне намагнічуватися під впливом зовнішнього магніт­ного поля. Проте різні тіла

намагнічуються по-різному, тому всі магнетики поділяють на три групи: діамагнетики, парамагнетики і феромагнетики.

Для кількісної оцінки ступеня намагнічення магнетика вводиться вектор намагніченості- .

, (3.21)

де - магнітна сприйнятливість магнетика.

Для діамагнетиків -від'ємна величина, для парамагнетиків - додатна, для феромагнетиків є функцією напруженості зов­нішнього поля, вона може досягти значень 10³ і більше.

З викладеного випливає, що вектор намагніченості може як збігатися з вектором напруженості зовнішнього поля, так і бути протилежно напрямленим до нього (у діамагнетиках).

3.3.2. МАГНІТНЕ ПОЛЕ В МАГНЕТИКАХ. ДІАМАГНЕТИКИ І ПАРАМАГНЕТИКИ

При розгляді магнітного поля струму в будь-якому середовищі потрібно враховувати, що до зовнішнього намагнічуючого поля до­дається внутрішнє поле поляризованого магнетика. Ці поля дають результуюче поле, яке визначається вектором магнітної індукції:

(3.22)

За змістом величину (3.22) треба було б назвати не магнітною індукцією, а напруженістю магнітного поля в магнетику, бо це - силова характеристика магнітного поля в середовищі.

У діамагнетикахвиявляється чистий діамагнітний ефект: вони намагнічуються в напрямі, протилежному до зовнішнього магнітного поля. Тому в неоднорідному магнітному полі діамагнетики виштовхуються в ті області, в яких зовнішнє магнітне поле слабше. Цим пояснюється те, що підвішений на нитці діамагнітний стержень намагається повернутись і вста­новитися в напрямі, перпендикулярному до , а діа­магнітні гази в полум'ї свічки виштовхуються з міжполюсного проміжку.

До діамагнетиків належать: Zn, Си, Ві, Sb, Aq, Аи, Рb, І, С, Нq, Sі, Н₂О (слабо), СO₂, смоли, скло, мармур, віск, благородні гази і більшість органічних сполук. Для них . Отже електромагнітні сили взаємодій у діамагнітному середовищі менші, ніж у вакуумі. З цих причин діа­магнетик непридатний для побудови електромагнітів.

Парамагнетикаминазивають речовини, атомам або молекулам яких властиві певні магнітні моменти.

До парамагнетиків належать: Сг, Мn, Sn, А1, Рt, Nа, К, О, N, оксид азоту, рідкісноземельні елементи, луги і лужноземельні елементи. Для них .

Коли немає магнітного поля, магнітні моменти окремих атомів розташовані безладно і парамагнетик ненамагнічений. Якщо ж парамагнетик внести в магнітне поле, то на кожний атом діятиме механічний обертальний момент. Тому магнітні моменти атомів нама­гатимуться встановитися в напрямі зовнішнього магнітного поля, вико­нуючи деякий час коливання відносно положень рівноваги.

Тепловий рух дезорієнтує упорядковані атомні магнітні моменти. Орієнтація тим гірша, чим вища темпера­тура і чим слабше магнітне поле. При досить сильному магнітному полі може настати насичення, і магнітні моменти всіх атомів повністю зорієнтуються в напрямі зовнішнього магнітного поля.

Отже, парамагнетики намагнічуються в напрямі навідного зов­нішнього магнітного поля. Намагнічені парамагнетики підсилюють зовнішнє магнітне поле. Тому парамагнетик втягується в міжполюсний проміжок.

3.3.3. ФЕРОМАГНЕТИКИ ТА ЇХ ВЛАСТИВОСТІ

Феромагнетиками називаються речовини, в яких власне магнітне поле може бути в багато разів (у сотні й тисячі) сильніше, ніж зовнішнє поле, яке зумовило намагнічення. До феромаг­нетиків належать (у кристалічному стані): залізо, нікель, кобальт, гадоліній, їх оксид й сполуки із сіркою. При дуже низьких темпера­турах феромагнітні властивості виявляють також диспрозій і ербій. До феромагнетиків належать сплави з не феромагнітних компонентів на основі марганцю і хрому: МnВі, МnSn, СгРt, СгS та ін.

Феромагнетики, як і парамагнетики, намагнічу­ються в напрямі зовнішнього магнітного поля, але феромагнетики мають свої особливості відмінні від властивостей парамагнетиків.

Рис. 3.7. Залежність віддля феромагнетика

1. Намагніченість і індукція й нелінійно залежать від напру­женості зовнішнього магнітного поля. На рис. 4.3.1 дано графічну залежність вектора намагніченості від . У слабких полях круто наростає із збільшенням , а потім сповільнюється і при досягає максимального значення, яке практично залишається не­змінним. У цьому стані, який Столєтов назвав насиченням, усі магнітні моменти атомів упорядковуються в напрямі зовнішнього магнітного поля. Дальше збільшення не зумовлює зростання .

Рис. 3.8. Петля гістерезису

2. Відносна магнітна проникність — не стала величина, вона залежить від . У слабкому магнітному полі швидко зростає, досягаючи максимуму, а потім спадає, наближаючись до одиниці, як для вакууму.

Максимальні значення дуже великі: для заліза - 5000, кремнистого заліза (3,3 % Sі) - 10 000, пермалою - 100 000.

3. Феромагнетики зберігають своє намагнічення після того, як перестає діяти зовнішнє магнітне поле.

Для дослідження цього явища помістимо ненамагнічений феро­магнітний стержень у котушку і збільшуватимемо в ній струм, почи­наючи від нуля. Тоді залежність вектора намагніченості від напруженості магнітного поля виразиться кривою (рис. 4.3.2). При = настає насичення. Якщо тепер зменшувати напруженість магнітного поля від до нуля, то графік вже не піде зво­ротним шляхом, а зобразиться кри­вою, яка лежить вище від первинної кривої. Отже, зменшен­ня не супроводиться відповідним зменшенням , спостерігається від­ставання розмагнічення.

Явище відставання (запізнення) змін намагнічення тіла від змін на­пруженості магнітного поля називається магнітним гістерезисом, а те намагнічення, яке зберігається після зникнення зовнішнього магнітного поля, називається залишко­вим намагніченням. При цьому частина магнітних моментів атомів залишається зорієнтованою в початковому напрямі. Залишкове на­магнічення вимірюється відрізком . Щоб знищити , збільшуватимемо у протилежному напрямі. При залишкове намагнічення зникає. Напруженість поля , при якій знищується залишкове намагні­чення , є мірою стійкості феромагнетика і називається затримую­чою, або коерцитивною силою.

Якщо ще збільшувати у протилежному напрямі, то знову настане насичення: стержень намагнітиться в протилежному до початкового напрямі. Якщо тепер зменшувати до нуля, то залишкове намагнічення стане -. Щоб його знищити, треба збільшувати .

ёКоли змінюється циклічно, крива намагнічення феромагнетика має вигляд замкнутої кривої, яка нази­вається петлею гістерезису.

Намагнічення феромагнетиків залежить від температури. З підви­щенням температури залишкове намагнічення зменшується і при певній температурі, яка називається точкою Кюрі, зникає зовсім. Це пояснюється досить інтенсивним тепловим рухом молекул феромагнетика і дезорієнтацією спінових магнітних моментів. Точка Кюрі для різних феромагнетиків неоднакова: для заліза 1053 К, нікелю 631 К, кобальту 1423 К, пермалою 823 К тощо. З переходом через точку Кюрі феромагнетик поводить себе в зовнішньому магнітному полі як парамагнетик.

При температурах нижчих від точки Кюрі феромагнетик природно розділяється на велику кількість досить малих областей самодовільного (спонтанного) намагнічення. Такі ділянки спонтанного намагнічення всередині феромагнетика називаються доменами.У межах окремих доменів магнітні моменти упорядковані й спрямовані в якомусь одному напрямі. Але домени всередині тіла зорієнтовані безладно, тому, коли зовнішнього магнітного поля немає, векторнасума магнітних моментів доменів дорівнює нулю і тіло в цілому ненамагнічене.

У випадку технічного намагнічування феромагнетика зовнішнє магнітне поле зорієнтовує магнітні моменти не окремих атомів (мо­лекул), як у парамагнетиках, а доменів

Існують речовини, в яких, на відміну від феромагнетиків, магнітні моменти зорієнтовані попарно антипарапельно. Можна ска­зати, що магнітні моменти утворюють ніби дві просторові підрешітки, вставлені одна в одну і намагнічені в протилежних напрямах. Такі речовини, в яких намагнічення обох підрешіток однакове за величиною, називаються антиферомагнетиками. До них належать деякі сполуки марганцю (МnО, МnS), хрому (NiСr, Сr₂О₃), ванадію (VО₂) тощо. Антиферомагнітний стан спостерігається нижче від певної температури, яка називається антиферомагнітною точкою Кюрі.

3.3.4. МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ I ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ

Дослідження О.Г. Столєтова дали можливість класифікувати магнітні матеріали на м'які і тверді.

До м'якихмагнітних матеріалів належать такі, для яких магнітна проникність велика, а коерцитивна сила мала (петля гістерезису вузька). Такими є чисте залізо, залізокремнієві сплави (трансфор­маторне і динамне залізо), залізонікелеві сплави та ін.

М'які магнітні матеріали використовують в установках із змінни­ми магнітними полями, наприклад у трансформаторах, індукційних котушках. При використанні таких осердь втрати енергії на пере­магнічування їх незначні.

До твердихмагнітних матеріалів належать такі, для яких коерци­тивна сила і залишкова індукція великі. Тверді магнітні матеріали використовують для побудови постійних магнітів, які є складовою частиною магнітоелектричних вимірю­вальних приладів, динаміків тощо.

Названі магнітні матеріали мають малий питомий опір, а тому у змінних магнітних полях спричинюють значні втрати енергії на індукційні струми. Щоб запобігти таким втратам, використовують напівпровідникові феромагнетики - ферити. Вони мають дуже великий опір.

Ферити - це тверді розчини оксиду заліза Fе₂О₃ і оксиду одно­валентного або двовалентного металу Ni, Zn, Sі, Сd, Си, Рb та ін. Виготовляють ферити спіканням при температурі 1100—1600 К добре перемішаних порошкоподібних компонент. Особливого значення набули магній-марганцеві ферити з коерцитивною силою 160 000— 240 000 А/м. їх використовують у запам'ятовуючих пристроях ЕВМ.

3.4. ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ. ЗАКОН ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ

План лекції

3.4.1. Потік магнітної індукції (магнітний потік)

3.4.2.Електромагнітна індукція. Досліди Фарадея

3.4.3. Закон Ленца

3.4.4. Основний закон електромагнітної індукції

3.4.1. ПОТІК МАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ (МАГНІТНИЙ ПОТІК)

Нехай лінії магнітної індукції пронизують якусь невелику пло­щину dS (рис. 3.9). Можна вважати, що в межах площини dS магнітне поле однорідне. Потоком вектора магнітної індукції, або магнітним потоком, називається скалярна фізична величина:

,(3.23)

де — зовнішня нормаль до площини dS, - проекція вектора напрям нормалі.

Повний потік через поверхню S буде:

.(3.24)

Рис. 3.9. Визначення магнітного потоку

Якщо магнітне поле однорідне, а поверхня плоска і перпендику­лярна до В, то

В=.Тоді:

.(3.25)

Найменування й одиниця Ф у СІ: 1Вб (вебер).

3.4.2. ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ. ДОСЛІДИ ФАРАДЕЯ

Вивчення магнетизму показало, що магнітне поле є невід'ємною компонентою електричного струму. Керуючись ідеєю про існування взаємозв'язків у явищах природи, М. Фарадей, слідом за відкриттям магнітного поля струму, зафіксував у записній книжці завдання: «Перетворити магнетизм в електрику».

М. Фарадей помітив, що коли замкнути струм в одній котушці, то в другій, сусідній з нею, котушці, замкнутій на гальванометр, виникає корот­кочасний струм. На різних дослідах М. Фарадей показав, що при всяких змінах магнітного поля в області, обмеженій контуром провідника, в останньому виникає електрорушійна сила індукції. Це явище Фарадей назвав електромагнітною індукцією, а наведений струм - індукційним.

Рис. 3.10. Досліди М.Фарадея з котушками

Досліди Фарадея проводять так: беруть котушку К₁ із струмом І₁, і котушку К₂ без струму. Кінці котушки К₂ приєднують до гальвано­метра (рис. 3.10). Індукційний струм І₂ виникає в тих випадках, коли: 1) котушки деформують або переміщують одну відносно одної; 2) коло К₁ замикають або розмикають; 3) змінюють реостатом R струм І_1. У першому випадку механічна енергія перетворюється на електричну. У другому й третьому випадках електричну енергію переносить з першого контура в другий магнітне поле струму І_1.

Рис. 3.11. Досліди М.Фарадея з постійним магнітом

В явищі електромагнітної індукції істотне значення має не зміна сили навідного струму І₁, а зміна його магнітного поля. Щоб переконатися в цьому, замість котушки К₁ беруть постійний магніт (рис. 3.11). Індукційний струм виникає у випадках відносного переміщення пос­тійного магніту й котушки.

Усі попередні досліди показують, що ЕРС електромагнітної ін­дукції виникає завжди тоді, коли змінюється потік ліній магнітної індукції Ф через площу, обмежену контуром К₂ (рис. 3.11), неза­лежно від того, чим зумовлена ця зміна потоку індукції.

Читайте також:

1. Еффекти
2. Єдиність еффективної оцінки в класі з фіксованим зсувом

Переглядів: 2060