Магнитная проницаемость различна для разных сред и зависит от ее свойств, поэтому принято говорить о магнитной проницаемости конкретной среды (имея вввиду ее состав, состояние, температуру и т. д.).
В случае однородной изотропной среды магнитная проницаемость μ:
μ = В/(μ o Н),
В анизотропных кристаллах магнитная проницаемость - тензор.
Большинство веществ по значению магнитной проницаемости делятся на три класа:
- диамагнетики (μ < 1 ),
- парамагнетики (μ > 1 )
- ферромагнетики (обладающие более выраженными магнитными свойствами, например железо).
Магнитная проницаемость сверхпроводников равна нулю.
Абсолютная магнитная проницаемость воздуха приблизительно равна магнитной проницаемости вакуума и в технических расчетах принимается равной 4π · 10 -7 Гн/м
μ = 1 + χ (в единицах СИ);
μ = 1 + 4πχ (в единицах СГС).
Магнитная проницаемость физического вакуума μ =1, так как χ=0.
Магнитная проницаемость показывает, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость данного материала больше магнитной постоянной, т.е., во сколько раз магнитное поле макротоков Н усиливается за счет поля микротоков среды. Магнитная проницаемость воздуха и большинства веществ, за исключением ферромагнитных материалов, близка к единице.
В технике используется несколько видов магнитной проницаемости в зависимости от конкретных применений магнитного материала. Относительная магнитная проницаемость показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между проводами с током изменяется по сравнению с вакуумом. Численно равна отношению абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной. Абсолютная магнитная проницаемость равна произведению магнитной проницаемости на магнитную постоянную.
У диамагнетиков χμχ>0 и μ > 1. В зависимости от того, измеряется ли μ ферромагнетиков в статическом или переменном магнитном поле, ее называют соответственно статической или динамической магнитной проницаемостью.
Магнитная проницаемость ферромагнетиков сложным образом зависит от Н . Из кривой намагничивания ферромагнетика можно построить зависимость магнитной проницаемости от Н.
Магнитную проницаемость, определенную по формуле:
μ = В/(μ o Н),
называют статической магнитной проницаемостью.
Она пропорциональна тангенсу угла наклона секущей, проведенной из начала координат через соответствующую точку на основной кривой намагничивания. Предельное значение магнитной проницаемости μ н при напряженности магнитного поля, стремящейся к нулю, называют начальной магнитной проницаемостью. Эта характеристика имеет важнейшее значение при техническом использовании многих магнитных материалов. Экспериментально ее определяют в слабых магнитных полях с напряженностью порядка 0, 1 А/м.
§ 40. Намагничивание стали. Магнитная проницаемость
Для усиления магнитного поля и придания ему определенной формы в различных электрических машинах и аппаратах широко применяют ферромагнитные материалы: железо, кобальт, никель и их сплавы - сталь и др.
Если ферромагнитный материал поместить в катушку и пропустить по ее виткам электрический ток, то под воздействием магнитного поля, созданного током, материал намагнитится. Это значит, что в материале образуется собственное магнитное поле, полученное в результате сложения магнитных полей (магнитных моментов) отдельных атомов.
Изменение силы тока в катушке приводит к изменению напряженности ее магнитного поля H
, что вызывает изменение магнитной индукции В
в сердечнике этой катушки.
На рис. 36 показаны графики изменения магнитной индукции в зависимости от напряженности намагничивающего магнитного поля. Такие графики называются кривыми намагничивания. Для различных материалов и их марок кривые намагничивания различны. При небольших значениях напряженности поля Н
магнитная индукция в материале быстро увеличивается, намагничивание происходит примерно пропорционально изменению напряженности, а затем, по мере увеличения напряженности магнитного поля, возрастание магнитной индукции материала замедляется.
Состояние материала, при котором дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля не приводит к возрастанию его намагниченности, называется магнитным насыщением
.
Магнитные свойства материалов характеризуются их абсолютной магнитной проницаемостью μ а. Она определяется отношением магнитной индукции В
к напряженности магнитного поля Н
и измеряется в генри/метр (гн/м
)
Абсолютная магнитная проницаемость вакуума μ а = 4π · 10 -7 гн/м
. Для воздуха и других неферромагнитных материалов она незначительно отличается от μ а и при технических расчетах принимается равной 4π · 10 -7 гн/м
.
Так как абсолютная магнитная проницаемость для вакуума и указанных выше материалов практически одинакова, то μ а называется магнитной постоянной
μ 0 .
Абсолютная магнитная проницаемость μ а ферромагнитных материалов непостоянна и во много раз превышает магнитную проницаемость вакуума.
Число, показывающее, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость μ а ферромагнитного материала больше магнитной постоянной μ 0 , называется относительной магнитной проницаемостью
μ или сокращенно магнитной проницаемостью
(табл. 5).
Пример.
Сталь в определенных условиях обладает абсолютной магнитной проницаемостью (μ а = 0,0008792 гн/м
. Вычислить относительную магнитную проницаемость μ этой стали.
Решение
. Магнитная постоянная μ 0 = 4π · 10 -7 гн/м
, тогда относительная магнитная проницаемость
Как видно из кривых намагничивания (см. рис. 36), способность материалов намагничиваться - их магнитная проницаемость - в слабых магнитных полях велика, а затем с ростом индукции постепенно уменьшается.
Следовательно, магнитная проницаемость ферромагнитных материалов - величина изменяющаяся, зависящая от степени их намагничивания.
Таблица 5
Наибольшая относительная магнитная проницаемость некоторых материалов
При одной и той же напряженности магнитного поля магнитная индукция в стали больше, чем в чугуне. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость стали больше магнитной проницаемости чугуна.
Магнитная индукция прямо пропорциональна напряженности поля H
и абсолютной магнитной проницаемости μ а намагничиваемого материала.
Диэлектрическая проницаемость веществ
Вещество |
Вещество |
||
Газы и водяной пар |
Жидкости |
||
| Азот | 1,0058 | Глицерин | 43 |
| Водород | 1,00026 | Кислород жидкий (при t = -192,4 o C) | 1,5 |
| Воздух | 1,00057 | Масло трансформаторное | 2,2 |
| Вакуум | 1,00000 | Спирт | 26 |
| Водянной пар (при t=100 o C) | 1,006 | Эфир | 4,3 |
| Гелий | 1,00007 | Твердые тела |
|
| Кислород | 1,00055 | Алмаз | 5,7 |
| Углекислый газ | 1,00099 | Бумага парафинированная | 2,2 |
Жидкости |
Дерево сухое | 2,2-3,7 | |
| Азот жидкий (при t = -198,4 o C) | 1,4 | Лед (при t = -10 o C) | 70 |
| Бензин | 1,9-2,0 | Парафин | 1,9-2,2 |
| Вода | 81 | Резина | 3,0-6,0 |
| Водород (при t= - 252,9 o C) | 1,2 | Слюда | 5,7-7,2 |
| Гелий жидкий (при t = - 269 o C) | 1,05 | Стекло | 6,0-10,0 |
| Титанат бария | 1200 | ||
| Фарфор | 4,4-6,8 | ||
| Янтарь | 2,8 | ||
Примечание. Электрическая постоянная ԑ o (диэлектрическая проницаемость вакуума) равная: ԑ o = 1\4πс 2 * 10 7 Ф/м ≈ 8,85 * 10 -12 Ф/м
Магнитная проницаемость вещества
Примечание. Магнитная постоянная μ o (магнитная проницаемость вакуума) равна: μ o = 4π * 10 -7 Гн/м ≈ 1,257 * 10 -6 Гн/м
М агнитная проницаемость ферромагнетиков
В таблице приведены значения магнитной проницаемости для некоторых ферромагнетиков (веществ с μ > 1). Магнитная приницаемость для ферромагнетиков (железо, чугун, сталь, никель и др.) не постоянная. В таблице указаны максимальные значения.
1 Пермаллой-68 - сплав из 68% никеля и 325 железа; этот сплав применяют для изготовления сердечников трансформаторов.
Температура Кюри
Удельное электрическое сопротивление материалов
Сплавы высокого сопротивления
Название сплава |
Удельное электрическое сопротивление мкОМ м |
Состав сплава, % |
|||
Марганец |
Другие элементы |
||||
| Константан | 0,50 | 54 | 45 | 1 | - |
| Копель | 0,47 | 56,5 | 43 | 0,05 | - |
| Манганин | 0,43 | > 85 | 2-4 | 12 | - |
| Нейзильбер | 0,3 | 65 | 15 | - | 20 Zn |
| Никелин | 0,4 | 68,5 | 30 | 1,5 | - |
| Нихром | 1,1 | - | > 60 | < 4 | 30 < Cr ост. Fe |
| Фехраль | 1,3 | - | - | - | 12-15 Cr 3-4 Al 80 < Fe |
Температурные коэффициенты электрического сопротивления проводников
Проводник |
Проводник |
||
| Алюминий | Никель | ||
| Вольфрам | Нихром | ||
| Железо | Олово | ||
| Золото | Платина | ||
| Константан | Ртуть | ||
| Латунь | Свинец | ||
| Магний | Серебро | ||
| Манганин | Сталь | ||
| Медь | Фехраль | ||
| Нейзильбер | Цинк | ||
| Никелин | Чугун |
Сверхпроводимость проводников
- Примечания.
- Сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов и у большого числа сплавов и соединений.
- Сверхпроводником с наиболее высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние -23,2 К (-250,0 o C) - до недавного времени являлся германид ниобия (Nb 3 Ge). В конце 1986 г. был получен сверхпроводник с температурой перехода ≈ 30 К (≈ -243 o С). Сообщается о синтезе новых высокотемпературных сверхпроводников: керамик (изготовливается путем спекания оксидов бария, меди и лантана) с температурой перехода ≈ 90-120 К.
Удельное электрическое сопротивление некоторых полупроводников и диэлектриков
| Вещество | СтеклоТемпература, o С | Удельное сопротивление | |
| Ом м | Ом мм2/м | ||
Полупроводники |
|||
| Антимонид индия | 17 | 5,8 х 10 -5 | 58 |
| Бор | 27 | 1,7 х 10 4 | 1,7 х 10 10 |
| Германий | 27 | 0,47 | 4,7 х 10 5 |
| Кремний | 27 | 2,3 х 10 3 | 2,3 х 10 9 |
| Cеленид свинца (II) (PbSe) | 20 | 9,1 х 10 -6 | 9,1 |
| Сульфид свинца (II) (PbS) | 20 | 1,7 х 10 -5 | 0,17 |
Диэлектрики |
|||
| Вода дистиллированная | 20 | 10 3 -10 4 | 10 9 -10 10 |
| Воздух | 0 | 10 15 -10 18 | 10 21 -10 24 |
| Воск пчелиный | 20 | 10 13 | 10 19 |
| Древесина сухая | 20 | 10 9 -10 10 | 10 15 -10 16 |
| Кварц | 230 | 10 9 | 10 15 |
| Масло трансформаторное | 20 | 10 11 -10 13 | 10 16 -10 19 |
| Парафин | 20 | 10 14 | 10 20 |
| Резина | 20 | 10 11 -10 12 | 10 17 -10 18 |
| Слюда | 20 | 10 11 -10 15 | 10 17 -10 21 |
| Стекло | 20 | 10 9 -10 13 | 10 15 -10 19 |
Электрическое свойства пластмасс
| Название пластмассы | Диэлектрическая проницаемость | |
| Гетинакс | 4,5-8,0 | 10 9 -10 12 |
| Капрон | 3,6-5,0 | 10 10 -10 11 |
| Лавсан | 3,0-3,5 | 10 14 -10 16 |
| Органическое стекло | 3,5-3,9 | 10 11 -10 13 |
| Пенопласт | 1,0-1,3 | ≈ 10 11 |
| Полистирол | 2,4-2,6 | 10 13 -10 15 |
| Полихлорвинил | 3,2-4,0 | 10 10 -10 12 |
| Полиэтилен | 2,2-2,4 | ≈ 10 15 |
| Стеклотекстолит | 4,0-5,5 | 10 11 -10 12 |
| Текстолит | 6,0-8,0 | 10 7 -10 19 |
| Целлулоид | 4,1 | 10 9 |
| Эбонит | 2,7-3,5 | 10 12 -10 14 |
Удельное электрическое сопротивление электролитов (при t=18 o С и 10-процентной концентрации раствора)
Примчание. Удельноое сопротивление электролитов зависит от температуры и концентрации, т.е. от отношения массы растворенной кислоты, щелочи или соли к массе растворяющей воды. При указанной концентрации растворов увеличение температуры на 1 o С уменьшает удельное сопротивление раствора, взятого при 18 o С, на 0,012 гидроксида натрия, на 0,022 - для медного купороса, на 0,021 - для хлорида натрия, на 0,013 -для серной кислоты и на 0,003 - для 100 - процентной серной кислоты.
Удельное электрическое сопртивление жидкостей
Жидкость |
Удельное электрическое сопротивление, Ом м |
Жидкость |
Удельное электрическое сопротивление, Ом м |
| Ацетон | 8,3 х 10 4 | Расплавленные соли: | |
| Вода дистилированна | 10 3 - 10 4 | гидроксид калия (КОН; при t = 450 o C) | 3,6 х 10 -3 |
| Вода морская | 0,3 | гидроксид натрия (NaOH; при t = 320 o C) | 4,8 х 10 -3 |
| Вода речная | 10-100 | хлорид натрия (NaCI; при t = 900 o C) | 2,6 х 10 -3 |
| Воздух жидкий (при t = -196 o C) | 10 16 | сода (Na 2 CO 3 x10H 2 O; при t = 900 o C) | 4,5 х 10 -3 |
| Глицерин | 1,6 х 10 5 | Спирт | 1,5 х 10 5 |
| Керосин | 10 10 | ||
| Нафталин расплавленный (при (при t = 82 o C) | 2,5 х 10 7 | ||
Магнитные свойства веществ
Подобно тому, как электрические свойства вещества характеризуются диэлектрической проницаемостью, магнитные свойства вещества характеризуются магнитной проницаемостью.
Благодаря тому, что все вещества, находящиеся в магнитном поле, создают собственное магнитное поле, вектор магнитной индукции в однородной среде отличается от вектора в той же точке пространства в отсутствие среды, т. е. в вакууме.
Отношение называется магнитной проницаемостью среды.
Итак, в однородной среде магнитная индукция равна:
Величина m у железа очень велика. В этом можно убедиться на опыте. Если вставить в длинную катушку железный сердечник, то магнитная индукция, согласно формуле (12.1), увеличится в m раз. Следовательно, во столько же раз увеличится поток магнитной индукции. При размыкании цепи, питающей намагничивающую катушку постоянным током, во второй, небольшой катушке, намотанной поверх основной, возникает индукционный ток, регистрируемый гальванометром (рис. 12.1).
Если в катушку вставлен железный сердечник, то отклонение стрелки гальванометра при размыкании цепи будет в m раз больше. Измерения показывают, что магнитный поток при внесении в катушку железного сердечника может увеличиться в тысячи раз. Следовательно, магнитная проницаемость железа огромна.
Существует три основных класса веществ с резко различающимися магнитными свойствами: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.
Ферромагнетики
Вещества, у которых, подобно железу, m >> 1, называются ферромагнетиками. Кроме железа, ферромагнетиками являются кобальт и никель, а также ряд редкоземельных элементов и многие сплавы. Важнейшее свойство ферромагнетиков – существование у них остаточного магнетизма. Ферромагнитное вещество может находиться в намагниченном состоянии и без внешнего намагничивающего поля.
Железный предмет (например, стержень), как известно, втягивается в магнитное поле, т. е. перемещается в область, где магнитная индукция больше. Соответственно, он притягивается к магниту или электромагниту. Это происходит потому, что элементарные токи в железе ориентируются так, что направление магнитной индукции их поля совпадает с направлением индукции намагничивающего поля. В результате железный стержень превращается в магнит, ближайший полюс которого противоположен полюсу электромагнита. Противоположные же полюса магнитов притягиваются (рис. 12.2).
Рис. 12.2 
СТОП! Решите самостоятельно: А1–А3, В1, В3.
Парамагнетики
Существуют вещества, которые ведут себя подобно железу, т. е. втягиваются в магнитное поле. Эти вещества называются парамагнитными . К их числу относятся некоторые металлы (алюминий, натрий, калий, марганец, платина и др.), кислород и многие другие элементы, а также различные растворы электролитов.
Так как парамагнетики втягиваются в поле, то линии индукции создаваемого ими собственного магнитного поля и намагничивающего поля направлены одинаково, поэтому поле усиливается. Таким образом, у них m > 1. Но от единицы m отличается крайне незначительно, всего на величину порядка 10 –5 ...10 –6 . Поэтому для наблюдения парамагнитных явлений требуются мощные магнитные поля.
Диамагнетики
Особый класс веществ представляют собой диамагнетики , открытые Фарадеем. Они выталкиваются из магнитного поля. Если подвесить диамагнитный стерженек возле полюса сильного электромагнита, то он будет отталкиваться от него. Следовательно, линии индукции созданного им поля направлены противоположно линиям индукции намагничивающего поля, т. е. поле ослабляется (рис. 12.3). Соответственно у диамагнетиков m < 1, причем отличается от единицы на величину порядка 10 –6 . Магнитные свойства у диамагнетиков выражены слабее, чем у парамагнетиков.
Рис. 12.3
Рис. 12.4
|
К диамагнетикам относятся висмут, медь, сера, ртуть, хлор, инертные газы и практически все органические соединения. Диамагнитным является пламя, например пламя свечи (главным образом за счет углекислого газа). Поэтому пламя выталкивается из магнитного поля (рис. 12.4).