регистрация /  вход

Магнитоэлектрические преобразователи (стр. 1 из 2)

Лабораторная работа

«Магнитоэлектрические преобразователи»

Цель: Исследовать магнитное поле постоянного магнита, используя датчик Холла.

Общие понятия

Магнетизм — форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля.

Магнитное поле — составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля.

Основными источниками магнитного поля являются орбитальные и спиновые магнитные моменты элементарных частиц, атомов и молекул.

В макроскопическом масштабе источниками магнитного поля являются электрический ток (ток заряженных частиц) и постоянные магниты (магнитные моменты электронов в атомах). Основной (силовой) характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции

, совпадающий в вакууме с вектором напряженности магнитного поля. В международной системе единиц СИ магнитная индукция измеряется в Тесла (Тл).

Магнит — тело, обладающее собственным магнитным полем.

Постоянный магнит — изделие из жёсткого материала с высокой остаточной магнитной индукцией, сохраняющее состояние намагниченности в течение длительного времени.

Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля.

Электромагнит — устройство, магнитное поле которого создаётся только при протекании электрического тока. Как правило, это катушка-соленоид, со вставленным внутрь железным сердечником с большой магнитной проницаемостью µ ~ 104 .

Рис. 1. Постоянный магнит

Рис. 2. Картина силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом в форме стержня. Железные опилки на листе бумаги

Классификация веществ по магнитным свойствам

  • магнитно не упорядоченные вещества:
    • диамагнетики;
    • парамагнетики.
  • вещества с дальним магнитным порядком (магнетики):
    • ферромагнетики;
    • антиферромагнетики;
    • ферримагнетики.
  • вещества с ближним магнитным порядком:
    • спиновые стекла;
    • суперпарамагнитные ансамбли частиц.
  • молекулярные магниты и кластеры.
  • плазма.
  • элементарные частицы.

По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.

Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков — антиферромагнетики и ферримагнетики. В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.

Электрон, вращающийся вокруг атома, можно рассматривать как циклический электрический ток очень малой силы и радиуса, индуцирующий магнитное поле. Фактически же, все электроны, вращаясь вокруг атомов, производят свое магнитное поле, и каждый атом, как следствие, обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле, или суперпозицию магнитных полей отдельных электронов.

В атомах одних элементов равное число электронов вращается во всевозможных направлениях, и их магнитные поля взаимно гасятся. В атомах других элементов орбиты электронов могут быть ориентированы таким образом, что часть электронов производит магнитные поля, остающиеся некомпенсированными за счет полей электронов, обращающихся в противоположном направлении. И когда такие магнитные поля, связанные с вращением электронов по орбите оказываются одинаково направленными у всех атомов кристаллической структуры вещества, вокруг вещества создаётся стабильное и достаточно сильное магнитное поле.

Магнитные свойства вещества зависят от конфигурации электронных орбит атомов. Даже после разбиения на отдельные атомы железо, например, сохранит свои ферромагнитные свойства. А вот при дальнейшем дроблении можно получить лишь элементарные частицы, которые собственными магнитными свойствами не обладают, и описать природу магнетизма будет уже нельзя. Магнитные свойства вещества зависят исключительно от конфигурации элементарных частиц в составе атома и организации кристаллических доменов, но не от свойства заряженных частиц атомной структуры.

Любой фрагмент такого вещества представляет собой маленький магнит с четко выраженными северным и южным полюсами. Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества.

Диамагнетики

В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше — на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока.

Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.

Парамагнетики

В большинстве веществ внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких веществ нет. В то же время эти вещества обладают собственным ненулевым локальным магнитным моментом (например, нескомпенсированный атомный магнитный момент).

При помещении такого вещества в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого вещества. Вещества, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками. Стоит, однако убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. То есть, парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.

Ферромагнетики

Ферромагнетики — вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (температуры Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах).

(Температура Кюри — температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества. К примеру, при температуре ниже температуры Кюри ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью, вызванной упорядоченной ориентацией магнитных моментов атомов. При температуре выше температуры Кюри упорядоченность разрушается из-за сильных тепловых колебаний атомов. В результате этого ферромагнетик становится парамагнетиком. Аналогичные фазовые переходы могут наблюдаться не только в ферромагнетиках, но и в антиферромагнетиках, в сегнето- и антисегнетоэлектриках, в упорядоченных сплавах.)

Дальний ферромагнитный порядок заключается в следующем. Атомам (или ионам) при температуре ниже температуры Кюри оказывается энергетически выгодно выстроиться таким образом, что их магнитные поля оказываются однонаправленными и усиливают друг друга. Намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов. Такой объем вещества принято называть доменом. В каждом домене магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Благодаря этому возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материала.

Среди химических элементов ферромагнитными свойствами обладают переходные элементы Fe, Со и Ni и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Но, Er. Также обладают ферромагнитными свойствами многочисленные металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами, сплавы и соединения Cr и Mn с неферромагнитными элементами, соединения ZrZn2 и Zrx M1-x Zn2 (где М – это Ti, Y, Nb или Hf, 0 £ x £1), Au4 V, Sc3 In и др., а также некоторые соединения металлов группы актиноидов (например, UH3 ).

Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов, например Fe или Со в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях, аморфных полупроводниках, в обычных органических и неорганических стеклах, халькогенидах (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т.п. К известным неметаллическим ферромагнетикам относятся, например, ионные соединения типа La1-x Cax MnO5 (0,4 > x > 0,2), EuO, Eu2 SiO4 , EuS, EuSe, EuI2 , CrB3 и т.п. У большинства из них температура Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB3 значение температуры Кюри ~ 100 К.