Магнетиктердің түрлері және қасиеттері

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Курстық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 32 бет
Таңдаулыға:

Мазмұны

Кіріспе . . . 4

Магниттік құбылыстар физикасының даму тарихы . . . 5

І. Магнетиктердің түрлері және қасиеттері . . . 6

1. 1. Парамагнетиктер. Парамагнетиктердің магниттелу механизмі және магниттелу коэффициенті . . . 11

1. 1. 1. Парамагнетиктердің басқа магнетиктерден айырмашылығы және техникада қолданылуы . . . 14

1. 2. Диамагнетиктер. Диамагнетиктердің магниттелу механизмі және олардың магниттелу коэффициенті . . . 15

1. 2. 1. Диамагнетиктердің басқа магнетиктерден айырмашылығы және практикада қолданылуы . . . 18

1. 3. Ферромагнетиктер. Магниттік гистерезис. Кюри нүктесі . . . 20

1. 3. 1 Ферромагнетиктердің басқа магнетиктерден айырмашылығы және практикада қолданылуы . . . 24

1. 4. Антиферромагнетиктер . . . 25

1. 5. Ферримагнетиктер . . . 30

Қорытынды . . . 34

Пайдаланылған әдебиеттер . . . 36

Кіріспе

Магниттік құбылыстар физикасының даму тарихы.

Курстық жұмыстың мақсаты: Сыртқы магнит өрісіне магнетиктерді орналастырғанда байқалатын құбылыстарды және магнетиктердің магниттік өтімділігін, диа-, пара-, ферро- магнетиктердің өзара айырмашылықтарын оқып-үйрену.

Курстық жұмыстың міндеті:

магнетиктердің түрлеріне анықтама беру
пара-, диа-, ферро- магнетиктерге тән қасиеттерді анықтау
магнетиктердің өзара айырмашылықтарын көрсету
пара-, диа-, ферро- магнетиктердің техникада қолданылуын меңгеру.

Зерттеу нысаны : Магнетиктер және олардың түрлері.

Курстық жұмыстың құрылымы: Курстық жұмыс кіріспеден, негізгі бөлімі бір тараудан, бес тараушадан тұрады.

Тарау Магнетиктердің түрлері және қасиеттері деген тақырыпқа арналады, одан кейін магнетиктердің түрлеріне жеке-жеке тараушаларда тоқталамын.

Сонымен, бірінші тараушада Парамагнетик және оның магниттелу механизмі, магниттелу коэффициенті, практикада қолданылу шегі және басқа магнетиктерден айырмашылығы сияқты мәселелерге тоқталамын.

Ал екінші тараушада Диамагнетик және оның магниттелу механизмі, магниттелу коэффициенті, практикада қолданылу шегі және басқа магнетиктерден айырмашылығы сияқты мәселелерді қарастырамын.

Үшінші тараушада Ферромагнетиктер. Магниттік гистерезис. Кюри нүктесі. Ферромагнетиктердің басқа магнетиктерден айырмашылығы және практикада қолданылуына толық сипаттама беремін.

Төртінші тарауша магнетиктердің негізгі үш түрінен басқа арналады. Осы сияқты бесінші тарауша ферримагнетиктерге арналады.

Тарау мен тараушалардан соң жұмысты қорытындылаймын. Қорытынды курстық жұмыстағы материалдарды бір жүйеге келтіріп, негізгілерін еске түсіріп, мынадай негізгі сұрақтарға «Магнетик дегеніміз не? Магнетиктердің қандай түрлері бар? Магнетиктер түрлерінің өзара айымашылықтары мен қолданылу шегі қандай?» деген сұрақтарға қысқаша түсінік беремін.

Пайдаланылған әдебиеттерде курстық жұмыстарды жазуда пайдаланылған оқулықтардың тізімін көрсетемін.

Магнетизм «магнит» туралы ұғым гректің магнезия немесе Магнесса қаласының маңында өндірілген темірді тарататын тастардың қасиетіне байланысты осы жердің атымен аталған деген аңыз бар. Осы мәліметті Лукреций өзінің «Заттардың табиғаты» деп аталатын еңбегінде алғаш рет келтірген. Ғылыми көпшілік әдебиеттерде тарту қасиетіне ие болатын тасты алғаш тапқан бақташы Магнессаның құрметіне аталған деп те жорамалдайды. Магнетизм бойынша алғаш монографиялық еңбекті В. Гильберт жазды. Бұл еңбекте өзіне дейінгі магнетизм туралы теориялық және тәжірибеден алынған мәліметермен бірге өз зерттеулерінде келтірді. Магниттік құбылыстардың жан-жақты зерттеулері 1820 жылдан басталды. Осы жылы француз ғылым академиясының отырысында Х. Эрстед алғаш рет тұрақты ток жүріп тұрған өткізгіштің маңына орналастырылған магнит бағдарлағышының бұрылатындығын бақыласа, одан жеті күн өткеннен кейін сондай отырыста екінші бір француз физигі М. Ампер тоғы бар өткізгіштердің бір-бірімен әсерлесетіндігін тәжірибе жүзінде көрсетті. Міне осы 1820 жыл ғылымда магниттік құбылыстар физикасының дүниеге келген жылы деп есептелінеді.

Бүгінде магниттік құбылыстар физикасының даму тарихын ғылымда үш жартығасырлық кезеңдерге: 1820-1870, 1870-1920, 1920-1970 бөліп қарастырып келеді.

Бірінші кезең Х. Эрстед ашқан электр тогы мен магнетизм арасындағы байланысты тағайындаған уақыттан басталады. Осы жылдары М. Ампер заттың магниттік құбылысын түсіндіру үшін «молекулалық ток» ұғымын енгізді. Ампер уақытында заттың электрондық құрылысы туралы дамымағандығын еске алсақ бұл ғылыми болжам - «гипотеза » заттың магниттік қасиетін түсіндіруде ток пен магниттің эквивалленттілігі туралы теорема идеясын дәлелдеді. М. Фарадей 1831 жылы өзінің электромагниттік индукция заңын ашып, Бургманстың тәжірибесін қайталай отырып, ғылымда диа- және парамагнетик туралы ұғымдар енгізді. Сонымен бірге заттың диамагнетикалық қасиетін зерттей отырып, магнит өрісі туралы ұғым қалыптастырды. Ал 1845 жылы магнит өрісіне орналастырылған шыныдағы жарықтың поляризация жазықтығының айналу құбылысын ашты. Сонымен магниттік құбылыстар физикасының дамуының бірінші жарты ғасырлық кезеңі Максвеллдің классикалық электродинамикадағы теңдеулерінің жазылуымен аяқталды.

Екінші кезең ферромагнетиктердің сыртқы магнит өрісіндегі қасиеттерін зерттеуден басталды. Орыс ғалымы А. Г. Столетов «Темірдің магниттелу функциясы» деп аталатын еңбегінде $\mu = f(H)$ тәуелділігін зерттей отырып, оның сызықтық функция болмайтындығын дәлелдеді. ХІХ ғасырдың 90-жылдарында ғылымда электрон ашылып, 1896 жылы Зееман магнит өрісінде спектр сызықтарының ыдырайтындығы туралы эффектіні ашты, Лоренц оның электрондық теориясын жасады. Лармор 1897 жылы магнит өрісіндегі электронның «прецессиясы» туралы теореманы дәлелдеі. Осы жылдары Пьер Кюри диамагниттік қабылдағыштың температураға тәуелсіздігін, парамагниттердің магниттік қабылдағыштарының температураға кері пропорционалдығын тағайындады. 1905 жылы П. Ланжеван молекулалық ток туралы М. Ампер гипотезасы мен Лармордың электронның «прецессия» туралы теоремасы және Лоенцтің электрондық теорияларына сүйене отырып, диа- және парамагниттіліктің классикалық теориясын ұсынды.

Вейсс 1907 жылы ферромагниттіліктің заманауи теориясын жасады. Осы жылдары В. К. Аркадьев айнымалы магнит өрісінде ферромагниттердің магниттік қасиеттерін резонанс құбылысын бақылау мақсатында зерттеді.

Үшінші кезеңінде М. Паули заттың магниттік қасиетін бағалау үшін Н. Бор магнетоны магнетизмнің электрондық квантын, 1925 жылы Гаусмит пен Уленбек электронның спинге ие болатындығын, ал В. Гейзенберг, И. Френкель және Блох ферромагниттіліктің кванттық теориясын жасады. Техникалық магнитттелу процесі туралы Н. С. Акулов өз теориясын әрі қарай дамытты. Жоғары жиілікті техниканың дамуына байланысты екінші дүниежүзілік соғыстан кейін физиктермен материалисттердің алдында Фуко тогы аз бір жақты өткізгішке ие болатын магнитті материалдарды алып, олардың магниттік қасиеттерін зерттеу алда тұрды. Осындай жұмысты 1947 жылы француз физигі Л. Неель орындады. Ол материалдар металл тотықтары мен үш валлентті темір тотықтарының $\left( MeO, \ {Fe}_{2}O_{3} \right)$ қосындысынан алынды. Оларды жалпы түрде ферриттер деп атайды. Ферриттерде Джоуль-Ленц жылуы көп бөлінбейді де, олардың магнитік қасиеттері жақсы сақталады.

Ферриттердің магниттік қасиетін түсіндіру үшін магниттік құбылыстар физикасында жанама өзара әсерлесу алмасу энергиясының теориясы жасалды.

Магниттік құбылыстар физикасының төртінші даму кезеңіне: жұқа ферромагнитті пленкалардың, сирек кездесетін металдардың магнитті қасиеттері, аморфты, сұйық және органикалық заттардың; биомагниттілік, магнитохимия т. б. қасиеттері зерттелуде. Микроәлемнің магниттік қасиеттері мен астрофизикадағы өте әлсіз өзара әсерлеулер 1820 жылы Эрстед жасаған тәжірибелердің баламасы болуы да мүмкін. [4]

І. Магнетиктердің түрлері және қасиеттері. Қозғалыстағы электр зарядтары мен магниттік моменті бар денелерге әсер ететін күштік өріс - магнит өрісі деп аталады. Магнит өрісі магниттік индукция векторымен (В) сипатталады. Магниттік индукция векторының мәні магнит моменті бар қозғалыстағы электр зарядына және денелерге өрістің берілген нүктесінде әсер етуші күшті анықтайды. “Магнит өрісі” терминін 1845ж. ағылшын физигі М. Фарадей енгізген. Ол электрдің өзара әсері сияқты магниттің де өзара әсері бірыңғай материялық өріс арқылы беріледі деп санаған. Электромагниттік өрістің классикалық теориясын Дж. Максвелл жасаған (1873) . Магнит өрісінің көздері - магниттелген денелер, тогы бар өткізгіштер және қозғалыстағы зарядталған денелер. Магнит өрісі зарядталған микробөлшектердің (электрон, протон, ион), сондай-ақ, микробөлшектердің меншікті (спиндік) магнит моменті болуының нәтижесінде пайда болады. Магнит өрісінің кернеулігі (Н) мен магнит индукциясы (В) - өрістің күштік сипаттамасы. Кернеулік векторы өріс пайда болған орта қасиетіне тәуелсіз шама болса, индукция векторы қарастырылатын денедегі қорытқы өрісті сипаттайды. Сондай-ақ, индукция векторы магнит өрісінде қозғалған зарядқа әсер ететін күшті, магнит моменті бар денеге магнит өрісінің тигізетін әсерін, өріс тарапынан байқалатын басқа да әсерлерді анықтайды. [2]

Осы уақытқа дейін магнит өрісі бос кеңістікте деп (вакуумда) қарастырдық. Енді заттардың керісінше магнит өрісіне тигізетін әсеріне тоқталсақ және магнит өрісіне әсер ете алатын затты магнетик деп атаймыз.

Магнетиктер деп сыртқы магнит өрісін өзгертсе, болмаса өздігінен магнит өрісін тудыра алатын ортаны айтады. Магнетиктер негізінен үш топқа: -диа, -пара, -ферро магнетиктерге бөлінеді. Диамагнетиктерге сыртқы магнит өрісі жоқ кезінде атомдарының (молекулаларының) магниттік моменттері нөлге тең магнетиктер, ал парамагнетиктерге сыртқы магнит өрісі жоқ кезінде атомдарының (молекулаларының) магниттік моменті нөлге тең магнетиктер жатады. Ферромагнетиктерге сыртқы магнит өрісі жоқ кезінде де макроскопиялық облыстарының (домендерінің) магниттік моменттері нөлге тең емес, бірақ қалыпты жағдайда тұтас магниттелген күйде болмайтын магнетиктер жатады. Егер кез келген магнетикті сыртқы магнит өрісіне қойса, ол магниттеледі, яғни магнетик құрамына кіретін атомдардың магниттік моменттері қосылып, қосымша магнит өрісін тудырады. Сондықтан магнетиктердегі магнит өрісі сыртқы өрістен өзгеше болып шығады. Ампер магнетиктердегі магнит өрісінің макроскопиялық токтардың (өткізгіштік токтардың) вакуумде тудыратын магнит өрісінен (сыртқы өрістен) өзгеше болу себебін түсіндіру үшін, сыртқы магнит өрісі бар кезде магнетик атомдарының (молекулаларының) аумағында молекулалық токтар пайда болады, яғни атомдар магниттік моменттер алады.

Кез келген материалдық денелердiң азды-көптi магниттiк қасиеттерi болады, олай болса осы денелердi құрайтын жеке молекулалар мен атомдардың, сол сияқты электрондар мен атомдық ядролардың да магниттiк қасиеттерi болады. Сондықтан заттардың магниттiк қасиеттерi олардың атомдары мен электрондарының құрылымына және олардың өзара әсерлесу сипатына байланысты.

Ампер болжамы бойынша заттардың молекулалары iшiнде дөңгелек токтар бар. Бұл токтар молекулалық токтар деп аталады. Сыртқы магнит өрiсi жоқ кезде осы токтардың осьтерi бейберекет орналасады, сөйтiп олардың магнит өрiсiнiң орташа мәнi нөлге тең (1, а-сурет) . Сыртқы магнит өрiсiнiң әсерiнен осы дөңгелек токтар бағдарланып бұл токтар өздерiнiң меншiктi магнит өрiсiн жасайды (1, б-сурет) . Сөйтiп осы өрiс бұрынғы сыртқы магнит өрiсiн күшейтедi.

1-сурет 2-сурет

Электрондық теория бойынша атомдардағы электрондар дөңгелек орбита бойынша қозғалатындығын бiлемiз. Егер дөңгелек ток процесiн қарастырсақ, онда тұйық орбитамен айналып жүрген электрон да осы ток тәрiздi. Яғни атом iшiнде электрон радиусы дөңгелек орбита бойынша сызықтық жылдамдықпен қозғалып жүрсiн (2-сурет) . [1]

Егер электрон 1 с уақыт iшiнде N рет айналса, онда орбита бойымен тасымалданған еN зарядтың шамасы I тоққа шамалас болады, яғни

I=еN

Мұндағы айналым саны N мына формула бойынша анықталады:

$N = \frac{\vartheta}{2\pi r}$

мұндағы r - электрондық орбитаның радиусы, $\vartheta$ - электронның сызықтық жылдамдығы. Сөйтiп, осы тогы бар контурдың магниттiк қасиетiн магнит моментi арқылы сипаттауға болады. Сонда шамасы орбиталды магниттiк моментi деп аталады. Ол мынаған тең:

мұндағы - орбитаның (контурдың) ауданы. Дөңгелек орбита үшін

. (3)

векторының бағыты, токтың бағытымен оң бұрандалы, электронның бағытымен сол бұрандалы жүйе құрайды. Орбита бойымен қозғалатын электронның мынадай импульс моментi болады

. (4)

Осы векторын электронның орбиталды механикалық импульс моментi деп атайды. векторы қозғалыс бағытымен оң бұранда жүйесiн құрайды. Сөйтiп және векторының бағыттары қарама-қарсы болады. Сондықтан (3) және (4) өрнектердi еске ала отырып, яғни олардың магнит моменттерi мен механикалық моменттерiнің ара қатынасын алайык:

$\frac{}{L} = \frac{e\ \overrightarrow{\vartheta\ }\overrightarrow{r}}{2m\overrightarrow{\vartheta\ }\overrightarrow{r}} = \frac{e}{2m}$ (5)

Электрон зырылдауық сияқты ядроны айнала қозғалады. Бұл жағдай гиромагниттiк және магнито-механикалық деп аталатын құбылыстардың негiзiне жатады, магнетиктi магниттеуден ол айналады, керiсiнше, магнетиктi айналдырудан ол магниттеледi.

Магнит моментi ( ${\overrightarrow{P}}_{m}) \$ мен механикалық момент арасындағы байланысты бiрiншi рет 1915 ж. Эйнштейн мен де Гааз бақылаған болатын.

Электрондардың меншiктi моменттерiнiң болуын электронды өз осiнен айналып тұрған зарядталған шар ретiнде қарастыра отырып түсiндiруге болады. Осыған сәйкес электронның меншiктi механикалық моментi спин деп аталады. Спин тек электронға ғана емес, басқа да элементар бөлшектерге тән қасиет.

(6)

мұндағы

, , ,

Атомның магнит моментi оның құрамына енетiн электрондардың орбиталды және меншiктi моменттерiнен, сондай-ақ. ядроның магнит моментiнен тұрады. Ядроның магнит моментi электрондардың моменттерiнен едәуiр кем болады, сондықтан көп мәселелердi қарастырғанда оны ескермей атомның магнит моментi электрондардың магнит моменттерiнiң векторлық қосындысына тең деп есептеймiз:

. (7)

Молекулалардың магнит моменттерiн олардың құрамына кiретiн электрондардың магнит моменттерiнiң қосындысына тең деп есептеймiз.

Өткiзгiштерде өтетiн токтардың магнит өрiсiндегi кез келген магнетик ерекше күйге келедi - осыны магниттелу деп атайды. Сөйтiп, магнетик магниттелген күйде қосымша магнит өрiсiнiң индукциясын бередi, осы микротоктың индукциясы өткiзгiштердегi ток туғызатын сыртқы магнит индукциясымен, яғни қосылады. [1]

Сонымен, жалпы магнит индукциясының векторы дегенiмiз макроскопиялық және микроскопиялық токтар туғызатын магнит индукция векторларының қосындысы болып табылады

. (8)

Қандай токтың болса да тудыратын магнит өрісі күш сызықтарының тұйық болатындығынан:

$\oint_{S}^{}{\overrightarrow{B_{0}}d\overrightarrow{S} = \oint_{S}^{}{\overrightarrow{B_{0}}d\overrightarrow{S}} + \oint_{S}^{}\overrightarrow{B'}}d\overrightarrow{S} = 0$ (9)

Олай болса, магнетиктердегі магнит өрісі де тұйық бет бойымен алынған ағыны нөлге тең болады екен. (9) өрнектің дифференциалдық түрін Гаусс-Остроградский теоремасын пайдаланып жазуға болады. Сонда:

$div = 0$ (10)

Енді магнит өрісінен тұйық контур бойымен алынған интегралды - оның циркуляциясын қарастырайық:

$\oint_{L}^{}{\overrightarrow{B}d\overrightarrow{l} = \oint_{L}^{}{\overrightarrow{B_{0}}d\overrightarrow{l}} + \oint_{L}^{}\overrightarrow{B'}}d\overrightarrow{l}$ (11)

Соңғы теңдіктің оң жағындағы бірінші интегралдың өткізгіштік токтардың алгебралық қосындысымен анықталатынын білеміз, ал екінші интеграл молекулалық токтармен анықталуға тиісті:

$\oint_{L}^{}{\overrightarrow{B}d\overrightarrow{l} = \mu_{0}\sum_{}^{}{I_{i} +}}\mu_{0}\sum_{}^{}I_{m}$ (12)

Интеграл алынатын L контур өткізгіштік токтармен қатар молекулалық токтарды да қамтиды. Осы контурдың $dl$ элементімен қамтылатын молекулалық токтар үшін осы $dl$ кесіндімен, ал табанының ауданы молекулалық ток контурының ауданына тең цилиндр қарастырамыз. Центрлері көлемі $S_{m}dlcos\alpha$ көлбеу цилиндрдің ішінде жататын молекулалық токтар $dl$ элементпен қамтылады. (3-сурет) . Егер бірлік көлемдегі молекулалар саны n болса,

3-сурет

$dl$ элементпен қамтылатын қорытқы ток:

$dI_{m} = I_{m}nS_{M}dlcos\alpha$ (13)

Бұл өрнектегі $I = P_{m} \bullet n$ -бірлік көлемнің магнтителгіштігінің абсолюттік шамасы:

$\ dI_{m} = Idlcos\alpha = \overrightarrow{I}d\overrightarrow{l}$ (14)

Бүкіл L контурмен қамтылатын молекулалық токтың шамасы:

$\sum_{}^{}I_{m} = \oint_{L}^{}{\overrightarrow{I}d\overrightarrow{l}}$ (15) Соңғы өрнекті (12) өрнекке қойсақ,

$\oint_{L}^{}{\overrightarrow{B}d\overrightarrow{l} = \mu_{0}\sum_{}^{}{I_{i} +}}\mu_{0}\oint_{L}^{}{\overrightarrow{I}d\overrightarrow{l}}$ (16)

болмаса,

$\oint_{L}^{}{\left( \frac{\overline{B}}{\mu_{0}} - \overline{I} \right) d\overrightarrow{l} = \sum_{}^{}I_{i}}$ (17)

Интеграл астында жақшалар ішінде орналасқан шама $\overrightarrow{H}$ әрпімен белгіленеді және магнит өрісі кернеулігі деп аталады:

$\overrightarrow{H} = \frac{\overline{B}}{\mu_{0}} - \overline{I}$ (18)

L контурмен қамтылатын өткізгіштік токтардың алгебралық қосындысын ток тығыздығынан L контурға тірелген $S_{l}$ бет арқылы алынған ағын түрінде жазуға болатынын еске алсақ, (17) өрнекті:

$\oint_{L}^{}{\overrightarrow{H}d\overrightarrow{l} = \int_{S_{L}}^{}{\overrightarrow{j}ds}}$ (19)

деп жазуға болады.

Сонымен магнетиктердегі магнит өрісін сипаттау үшін тек өткізгіштік токтармен анықталатын магнит өрісі кернеулігі деген физикалық шама кіргізуге болады екен. (19) өрнек магнетиктердегі магнит өрісі үшін ток заңы болып табылады. Егер магнит өрісін сипаттайтын векторларды электр өрісін сипаттайтын векторлармен салыстырсақ, магнит өрісінің кернеулігі $\overrightarrow{H}$ электр өрісі ығысу векторына $\overrightarrow{D}$ , ал магнит өрісі индукция векторы $\overrightarrow{B}$ электр өрісі кернеулігіне $\overrightarrow{Е}$ ұқсас шамалар. Бұл шамалардың арасында өзара сәйкестіктің болмауы электрлік және магниттік құбылыстарды зерттеудің бастапқы кезінде солай аталып кетуіне байланысты. [3]

1. 1. Парамагнетиктер. Парамагнетиктердің магниттелу механизмі және магниттелу коэффициенті.

Көптеген тәжiрибелердiң нәтижесiнде, кеңiстiктi түгел толтырып тұратын бiртектi магнетиктер iшiнде қосымша магнит индукциясы бастапқы магнит индукциясымен не бағыттас, не оған қарама-қарсы бағытта болады.

1) Егер және векторлары бағыттас болса, онда олар қосылып ( ) жалпы ортаның магнит өрiсiн күшейтедi де, ортаның магнит өтiмдiлiгi болады. Осындай қасиеттерi бар заттар парамагниттi деп аталады;

2) Егер және векторлары бiр-бiрiне қарама-қарсы бағытталса, онда ортаның жалпы магнит өрiсi әлсiрейдi де, ортаның магнит өтiмдiлiгi болады. Мұндай қасиеттерi бар заттар диамагниттi деп аталады;

3) Негiзiнде барлық диамагниттi және парамагниттi заттар үшін болады. Бiрақ кейбiр заттар үшiн , сондықтан осындай ерекше қасиеттерi бар заттар ферромагниттi деп аталады. Бұлардың магнит өтiмдiлiгi үлкен болады. Осындай заттарға мәселен пермаллой ( ) жатады.

Жоғарыда молекулалық токтардың табиғаты туралы айтқанбыз. Олай болса, парамагниттi заттар iшiндегi магнит өрiсiнің қосынды векторын сол сияқты түсiндiруге болады.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.