Объясните в чем разница магнитной проницаемостью и абсолютной магнитной проницаемостью
Разница между Магнитной проницаемостью и Магнитной восприимчивостью
Магнитная проницаемость и Магнитная восприимчивость являются количественными показателями магнитных свойств материалов и веществ.
Основное различие между Магнитной проницаемостью и Магнитной восприимчивостью заключается в том, что Магнитная проницаемость описывает способность материала поддерживать формирование магнитного поля внутри себя, тогда как Магнитная восприимчивость описывает, притягивается ли материал к магнитному полю или отталкивается от него. Магнитная восприимчивость является безразмерной величиной.
Виды магнетиков
Содержание
Что такое Магнитная проницаемость?
Относительная магнитная проницаемость различных Парамагнетиков и Диамагнетиков
Различные материалы имеют разные значения магнитной проницаемости. Например, диамагнитный материал имеет относительную магнитную проницаемость менее 1, тогда как парамагнитный материал имеет значение, немного превышающее 1.
Это означает, что, когда парамагнитный материал находится под воздействием внешнего магнитного поля, он становится слегка намагниченным (имеющий направление магнитного поля такое же, как во внешнем магнитном поле). Кроме того, существуют ферромагнитные материалы, который не обладают относительной магнитной проницаемостью.
Диамагнетики и Парамагнетики
Что такое Магнитная восприимчивость?
Магнитная восприимчивость — это мера магнитных свойств материала, которая указывает, притягивается ли материал или отталкивается от внешнего магнитного поля. Это количественное измерение магнитных свойств.
Разные материалы имеют различные значения магнитной восприимчивости. Парамагнитные материалы имеют магнитную восприимчивость больше нуля, тогда как диамагнитные материалы имеют значение меньше нуля. Это означает, что диамагнитные материалы имеют тенденцию отталкиваться от магнитного поля, в то время как парамагнитный материал притягивается к магнитному полю. Магнитная восприимчивость материала определяется следующим соотношением.
где М — намагниченность вещества на единицу объема материала, а Н — напряженность внешнего магнитного поля.
В чем разница между Магнитной проницаемостью и Магнитной восприимчивостью?
Заключение — Магнитная проницаемость против Магнитной восприимчивости
Магнитная проницаемость подразделяется на относительную, которая безразмерная и на абсолютную, которая имеет размерность Генри на метр, тогда как Магнитная восприимчивость является безразмерной величиной. Основное различие между Магнитной проницаемостью и Магнитной восприимчивостью заключается в том, что Магнитная проницаемость описывает способность материала поддерживать формирование магнитного поля внутри себя, тогда как Магнитная восприимчивость говорит нам, притягивается ли материал к магнитному полю или отталкивается от него.
Объясните в чем разница магнитной проницаемостью и абсолютной магнитной проницаемостью
Многочисленные опыты свидетельствуют о том, что все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются и создают собственное магнитное поле, действие которого складывается с действием внешнего магнитного поля:
Диамагнетиками называются вещества, в которых внешнее магнитное поле ослабляется. Это значит, что магнитные поля атомов таких веществ во внешнем магнитном поле направлены противоположно внешнему магнитному полю (µ Рис. 2
2) собственным вращением (спином) электронов (спиновой магнитный момент) (рис. 2).
Для любознательных. Магнитный момент контура равен произведению силы тока в контуре на площадь, охватываемую контуром. Его направление совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля в середине контура с током.
Так как в атоме плоскости орбит различных электронов не совпадают, то вектора индукций магнитных полей [1], созданные ими (орбитальные и спиновые магнитные моменты), направлены под разными углами друг к другу. Результирующий вектор индукции многоэлектронного атома равен векторной сумме векторов индукций полей, создаваемых отдельными электронами. Не скомпенсированными полями обладают атомы с частично заполненными электронными оболочками. В атомах с заполненными электронными оболочками результирующий вектор индукции равен 0.
Подробнее механизм намагничивания диамагнетиков описан здесь: Слободянюк А.И. Физика 10. §13.3 Типы магнетиков.
Вещества, в которых внешнее магнитное поле усиливается в результате сложения с магнитными полями электронных оболочек атомов вещества из-за ориентации атомных магнитных полей в направлении внешнего магнитного поля, называются парамагнетиками (µ > 1).
Парамагнетики очень слабо усиливают внешнее магнитное поле. Магнитная проницаемость парамагнетиков отличается от единицы лишь на доли процента. Например, магнитная проницаемость платины равна 1,00036. Из – за очень малых значений магнитной проницаемости парамагнетиков и диамагнетиков их влияние на внешнее поле или воздействие внешнего поля на парамагнитные или диамагнитные тела очень трудно обнаружить. Поэтому в обычной повседневной практике, в технике парамагнитные и диамагнитные вещества рассматриваются как немагнитные, то есть вещества, не изменяющие магнитное поле и не испытывающие действия со стороны магнитного поля. Примерами парамагнетиков являются натрий, кислород, алюминий (μ = 1,00023).
В парамагнетиках молекулы обладают собственным магнитным полем. В отсутствии внешнего магнитного поля из-за теплового движения вектора индукций магнитных полей атомов и молекул ориентированы хаотически, поэтому их средняя намагниченность равна нулю (рис. 4, а). При наложении внешнего магнитного поля на атомы и молекулы начинает действовать момент сил, стремящийся повернуть их так, чтобы их поля были ориентированы параллельно внешнему полю. Ориентация молекул парамагнетика приводит к тому, что вещество намагничивается (рис. 4, б).
Полной ориентации молекул в магнитном поле препятствует их тепловое движение, поэтому магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры. Очевидно, что с ростом температуры магнитная проницаемость парамагнетиков уменьшается.
Ферромагнетики
Вещества, значительно усиливающие внешнее магнитное поле, называются ферромагнетиками (никель, железо, кобальт и др.). Примерами ферромагнетиков являются кобальт, никель, железо (μ достигает значения 8·10 3 ).
Само название этого класса магнитных материалов происходит от латинского имени железа — Ferrum. Главная особенность этих веществ заключается в способности сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля, все постоянные магниты относятся к классу ферромагнетикам. Кроме железа ферромагнитными свойствами обладают его «соседи» по таблице Менделеева — кобальт и никель. Ферромагнетики находят широкое практическое применение в науке и технике, поэтому разработано значительное число сплавов, обладающих различными ферромагнитными свойствами.
Таким образом, и в не намагниченном состоянии внутри ферромагнетика существуют сильные магнитные поля, ориентация которых при переходе от одного домена к другому меняется случайным хаотическим образом. Если размеры тела значительно превышают размеры отдельных доменов, то среднее магнитное поле, создаваемое доменами этого тела, практически отсутствует.
Если поместить ферромагнетик во внешнее магнитное поле B0, то магнитные моменты доменов начинают перестраиваться. Однако механического пространственного вращения участков вещества не происходит. Процесс перемагничивания связан с изменением движения электронов, но не с изменением положения атомов в узлах кристаллической решетки. Домены, имеющие наиболее выгодную ориентацию относительно направления поля, увеличивают свои размеры за счет соседних «неправильно ориентированных» доменов, поглощая их. При этом поле в веществе возрастает весьма существенно.
Свойства ферромагнетиков
1) ферромагнитные свойства вещества проявляются только тогда, когда соответствующее вещество находится в кристаллическом состоянии;
2) магнитные свойства ферромагнетиков сильно зависят от температуры, так как ориентации магнитных полей доменов препятствует тепловое движение. Для каждого ферромагнетика существует определенная температура, при котором доменная структура полностью разрушается, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Это значение температуры называется точкой Кюри. Так для чистого железа значение температуры Кюри приблизительно равно 900°C;
3) ферромагнетики намагничиваются до насыщения в слабых магнитных полях. На рисунке 6 показано, как изменяется модуль индукции магнитного поля B в стали с изменением внешнего поля B0:
4) магнитная проницаемость ферромагнетика зависит от внешнего магнитного поля (рис. 7).
Это объясняется тем, что вначале с увеличением B0 магнитная индукция B растет сильнее, а, следовательно, μ будет увеличиваться. Затем при значении магнитной индукции B’0 наступает насыщение (μ в этот момент максимальна) и при дальнейшем увеличении B0 магнитная индукция B1 в веществе перестает изменяться, а магнитная проницаемость уменьшается (стремится к 1):
5) у ферромагнетиков наблюдается остаточная намагниченность. Если, например, ферромагнитный стержень поместить в соленоид, по которому проходит ток, и намагнитить до насыщения (точка А) (рис. 8), а затем уменьшать ток в соленоиде, а вместе с ним и B0, то можно заметить, что индукция поля в стержне в процессе его размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда B0 = 0 (ток в соленоиде выключен), индукция будет равна Br (остаточная индукция). Стержень можно вынуть из соленоида и использовать как постоянный магнит. Чтобы окончательно размагнитить стержень, нужно пропустить по соленоиду ток противоположного направления, т.е. приложить внешнее магнитное поле с противоположным направлением вектора индукции. Увеличивая теперь по модулю индукцию этого поля до Boc, размагничивают стержень (B = 0).
При дальнейшем увеличении B0 можно намагнитить стержень до насыщения (точка А’).
Уменьшая теперь B0 до нуля, получают опять постоянный магнит, но с индукцией –Br (противоположного направления). Чтобы вновь размагнитить стержень, нужно снова включить в соленоид ток первоначального направления, и стержень размагнитится, когда индукция B0 станет равной Boc. Продолжая увеличивать я B0, снова намагничивают стержень до насыщения (точка А).
Таким образом, при намагничивании и размагничивании ферромагнетика индукция B отстает от B0. Это отставание называется явлением гистерезиса. Изображенная на рисунке 8 кривая называется петлей гистерезиса.
Гистерезис (греч. ὑστέρησις — «отстающий») — свойство систем, которые не сразу следуют за приложенными силам.
Вид кривой намагничивания (петли гистерезиса) существенно различается для различных ферромагнитных материалов, которые нашли очень широкое применение в научных и технических приложениях. Некоторые магнитные материалы имеют широкую петлю с высокими значениями остаточной намагниченности и коэрцитивной силы, они называются магнитно-жесткими и используются для изготовления постоянных магнитов. Для других ферромагнитных сплавов характерны малые значения коэрцитивной силы, такие материалы легко намагничиваются и перемагничиваются даже в слабых полях. Такие материалы называются магнитно-мягкими и используются в различных электротехнических приборах — реле, трансформаторах, магнитопроводах и др.
Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость вещества
Проведение второго опыта дает понять, что наличие магнитного потока значительно больше, чем в первом. Если повторить процесс, но с задействованием сердечника разной толщины, то получаем максимальный поток при полном заполнении соленоида железом, то есть при плотно навитой обмотке на сердечнике. Имеем, что:
Увеличение магнитного потока при введении сердечника в соленоид обусловлено появлением магнитного потока, создаваемого совокупностью ориентированных амперовых молекулярных токов, и присоединение его к уже имеющемуся магнитному потоку от тока обмотки соленоида. Происходит ориентировка молекулярных токов под влиянием магнитного поля, их суммарный момент больше не равняется нулю, потому как происходит возникновение дополнительного магнитного поля.
Магнитная проницаемость. Измерения
Величина μ характеризует магнитные свойства среды и называется магнитной проницаемостью (относительной магнитной проницаемостью).
Она является безразмерной характеристикой вещества. Если происходит увеличение потока Φ в μ раз, это говорит о том, что магнитная индукция B → в сердечнике во столько же раз больше, чем в вакууме при том же токе в соленоиде. Запись примет вид:
Если формула B → = μ H → применится в опыте с сердечником, тогда при его отсутствии:
Равенство B → = μ B 0 → выполняется, поэтому
Магнитная восприимчивость вещества
Обычно связь вектора намагниченности J → и вектора напряженности в каждой точке магнетика обозначается:
χ является магнитной восприимчивостью. Величина безразмерная. Если вещество неферромагтиное и обладает небольшим полем, то χ не зависит от напряженности, является скалярной величиной.
Анизотропные среды предполагают χ в качестве тензора, направления J → и H → не совпадают.
Связь между магнитной восприимчивостью и магнитной проницаемостью
Из определения вектора напряженности магнитного поля:
Напряженность приобретает вид:
При сравнении B → = μ μ 0 H → и H → = B → μ 0 1 + χ → B → = μ 0 ( 1 + χ ) H → :
Следует применить выражение, которое показывает связь напряженности магнитного поля и намагниченности, то есть:
Далее произведем поиск поля в центре витка с током, так как необходимо вычислить намагниченность в этой точке.
Произведем подстановку d H = 1 4 π I d l R 2 в H = ∮ d H :
Вычисляем с числовыми выражениями:
Магнитная восприимчивость находится из
Магнитное поле молекулярных токов будет равно:
По формуле находим полное поле в стержне:
Магнитная проницаемость — тип, справочная таблица. Что такое магнитометр
Магнитная проницаемость основных материалов, таблица.
Относительная магнитная проницаемость материала (случается ее называют просто «магнитной проницаемостью») это: отношение магнитной проницаемости среды к магнитной проницаемости вакуума µ0:
MediumPermeability- µ — (Гн/м) Relative permeabilityμ / μ0
| Воздух | 1.25663753*10−6 | 1.00000037 |
| Алюминий | 1.256665*10−6 | 1.000022 |
| Аустенитная нержавеющая сталь | 1.260*10−6 — 8.8*10−6 | 1.003–7 |
| Вакуум (µ0) | 4π*10−7 | 1 |
| Вода | 1.256627*10−6 | 0.999992 |
| Водород | 1.2566371*10−6 | 1 |
| Висмут | 1.25643*10−6 | 0.999834 |
| Дерево | 1.25663760*10−6 | 1.00000043 |
| Железо (чистота 99.8%) | 6.3*10−3 | 5000 |
| Железо (99.95% чистое Fe отожженное в водороде) | 2.5*10−1 | 200000 |
| Железо-кобальтовые сплавы | 2.3*10−2 | 18000 |
| Медь | 1.256629*10−6 | 0.999994 |
| Никель-цинковый феррит — магнит | 2.0*10−5 – 8.0*10−4 | 16 – 640 |
| Мартенситная нержавеющая сталь (отожженная) | 9.42*10−4 — 1.19*10−3 | 750 – 950 |
| Мартенситная нержавеющая сталь (закаленная) | 5.0*10−5 — 1.2*10−4 | 40 – 95 |
| NANOPERM® — магнитомягкий нанокристаллический сплав | 1.0*10−1 | 80000 |
| Неодимовый магнит | 1.32*10−6 | 1.05 |
| Никель | 1.26*10−4 — 7.54*10−4 | 100 – 600 |
| Пермаллой (сплав 80% никеля и 20% железа) | 1.0*10−2 | 8000 |
| Платина | 1.256970*10−6 | 1.000265 |
| Сарфир | 1.2566368*10−6 | 0.99999976 |
| Сверхпроводники | 0 | 0 |
| Углеродистая сталь | 1.26*10−4 | 100 |
| Ферритная нержавеющая сталь (отожженная) | 1.26*10−3 — 2.26*10−3 | 1000 – 1800 |
| Фторопласт 4, Ф-4, Teflon | 1.2567*10−6 | 1 |
Магнитометр. Что это такое?
Как следует уже из самого названия, магнитометр – это прибор, предназначенный для измерения параметров магнитного поля и магнитных свойств отдельных материалов. В зависимости от того изменения показателей какого рода фиксирует устройство, его могут называть следующими терминами:
Когда работают мю-метры и каппа-метры, можно выяснить соответственно магнитную проницаемость и магнитную восприимчивость. А также существуют приборы для фиксации магнитного момента. Но есть и более узкое определение магнитометров – это аппараты, замеряющие напряженность, градиент и направление поля. Определение необходимых параметров производится различными способами.
Необходимо учитывать, что одни приборы фиксируют абсолютные значения полевых характеристик, а другие отражают изменение поля с течением времени или в разных точках пространства.
Принцип работы.
Схема магнитометра может сильно отличаться, но в любом случае он работает по одной и той же методике. Магнитное поле может быть охарактеризовано следующим:
Но есть еще одна важная характеристика магнитного поля – магнитная индукция. По направлению ее вектора определяется направление силы, воздействующей на северный полюс магнита. Чтобы понять, как все это работает, полезно рассмотреть устройство магнитометрического датчика HMC5883L от Honeywell. Меняющийся коэффициент усиления влияет на восприимчивость датчика. Для считывания данных предусмотрено 12 регистров с разрядностью 8.
Регистр режима задает основной сценарий действия: непрерывное измерение либо разовый замер и переход в режим ожидания. Если запрос идет не программно, а аппаратно, используется дублирование данных через вывод DRDY. Но не все так просто – требуется учитывать не только показания датчиков, но и воздействия на них различных помех.
Если проигнорировать этот момент, может оказаться так, что модуль сбился и измеряет совсем не то, что нужно.
Предположим, требуется произвести измерения удельной намагниченности насыщения. Образец, который нужно исследовать, и постоянный магнит крепятся на тонком стержне, соединенном с вибрационным узлом. Колебания стержня могут происходить с различной частотой, но в любом случае под углом 90 градусов к полю, создаваемому электромагнитом. Радиотехнические компоненты системы призваны усиливать, очищать и эффективно обрабатывать сигнал. Когда постоянный магнит и образец колеблются, появляется электродвижущая сила в особых катушках. Сами катушки позиционируют по отношению к постоянному магниту так, чтобы на их положение не влияли вибрационные колебания.
Но описанное устройство, как нетрудно понять по некоторым моментам, может применяться преимущественно в лабораторных условиях. Возможности его использования «в поле» существенно ограничены. Для полевых измерений предназначены уже совершенно другие магнитометры, которые не требуют изготовления и выделения образцов. Как именно работает такая техника – коммерческая тайна производителей. В любом случае, нужно ли производить измерения остаточной намагниченности или делать что-то еще, важно знать алгоритм калибровки методом наименьших квадратов.
Максимально упрощенно излагая суть этого метода (основанного на высшей математике), можно указать, что он подразумевает подбор функции, дающей значения, максимально близкие к полученным по итогам эксперимента. Сумма квадратов отклонений во всех критических важных точках должна быть как можно меньшей, в идеале – сведенной к нулю.
Обязательным условием для применения такого алгоритма является знание вектора магнитного поля земли. Если же вернуться к математической стороне дела, то можно сказать, что тут нужны линейные преобразования матриц в трехмерном пространстве. А отсюда следует, что придется использовать показания по трем осям сразу.
Немного отстранившись от всей этой зауми, можно разобраться, как действует магнитометр на основе тонкопленочных магниторезисторов. Такая техника выпускается ведущими иностранными фирмами. Магниторезисторы обычно размещают на одной кремниевой подложке и соединяют мостовым способом.
Поскольку сопротивление резисторов сложно подогнать при производстве, нельзя игнорировать напряжение смещения. Параметры датчиков очень сильно зависят от фактической температуры.
Диамагнетик.
Но это не является решением проблемы. Во-первых, силовые линии одного магнита всё равно будут достигать другого магнита, то есть магнитное поле только уменьшается в толще диамагнетика, но не исчезает совсем. Во-вторых, если магниты замурованы в толще диамагнетика, то мы не можем их двигать и поворачивать относительно друг друга.
А если сделать из диамагнетика просто плоский экран, то этот экран будет пропускать сквозь себя магнитное поле. Причем, за этим экраном магнитное поле будет точно такое же, как если бы этого диамагнитного экрана не было бы вообще.
Это говорит о том, что даже замурованные в диамагнетик магниты не испытают на себе ослабления магнитного поля друг друга. В самом деле, ведь там, где находится замурованный магнит, прямо в объеме этого магнита диамагнетик попросту отсутствует. А раз там, где находится замурованный магнит, отсутствует диамагнетик, то значит, оба замурованных магнита на самом деле взаимодействуют друг с другом точно также, как если бы они не были замурованы в диамагнетике. Диамагнетик вокруг этих магнитов также бесполезен, как и плоский диамагнитный экран между магнитами.
Идеальный диамагнетик.
Нам нужен такой материал, который бы, вообще, не пропускал через себя силовые линии магнитного поля. Нужно чтобы силовые линии магнитного поля выталкивались из такого материала. Если силовые линии магнитного поля проходят через материал, то, за экраном из такого материала, они полностью восстанавливают всю свою силу. Это следует из закона сохранения магнитного потока.
В диамагнетике ослабление внешнего магнитного поля происходит за счет наведенного внутреннего магнитного поля. Это наведенное магнитное поле создают круговые токи электронов внутри атомов. При включении внешнего магнитного поля, электроны в атомах должны начать двигаться вокруг силовых линий внешнего магнитного поля. Это наведенное круговое движение электронов в атомах и создает дополнительное магнитное поле, которое всегда направлено против внешнего магнитного поля. Поэтому суммарное магнитное поле в толще диамагнетика становится меньше, чем снаружи.
Но полной компенсации внешнего поля за счет наведенного внутреннего поля не происходит. Не хватает силы кругового тока в атомах диамагнетика, чтобы создать точно такое же магнитное поле, как внешнее магнитное поле. Поэтому в толще диамагнетика остаются силовые линии внешнего магнитного поля. Внешнее магнитное поле, как бы, «пробивает» материал диамагнетика насквозь.
Единственный материал, который выталкивает из себя силовые линии магнитного поля, это сверхпроводник. В сверхпроводнике внешнее магнитное поле наводит такие круговые токи вокруг силовых линий внешнего поля, которые создают противоположно направленное магнитное поле в точности равное внешнему магнитному полю. В этом смысле сверхпроводник является идеальным диамагнетиком.
На поверхности сверхпроводника вектор напряженности магнитного поля всегда направлен вдоль этой поверхности по касательной к поверхности сверхпроводящего тела. На поверхности сверхпроводника вектор магнитного поля не имеет составляющую, направленную перпендикулярно поверхности сверхпроводника. Поэтому силовые линии магнитного поля всегда огибают сверхпроводящее тело любой формы.
Огибание сверхпроводника линиями магнитного поля.
Но это совсем не означает, что если между двумя магнитами поставить сверхпроводящий экран, то он решит поставленную задачу. Дело в том, что силовые линии магнитного поля магнита пойдут к другому магниту в обход экрана из сверхпроводника. Поэтому от плоского сверхпроводящего экрана будет только ослабление влияния магнитов друг на друга.
Это ослабление взаимодействия двух магнитов будет зависеть от того, на сколько увеличилась длина силовой линии, которая соединяет два магнита друг с другом. Чем больше длины соединяющих силовых линий, тем меньше взаимодействие двух магнитов друг с другом.
Это точно такой же эффект, как если увеличивать расстояние между магнитами без всякого сверхпроводящего экрана. Если увеличивать расстояние между магнитами, то длины силовых линий магнитного поля тоже увеличиваются.
Значит, для увеличения длин силовых линий, которые соединяют два магнита в обход сверхпроводящего экрана, нужно увеличивать размеры этого плоского экрана и по длине и по ширине. Это приведет к увеличению длин обходящих силовых линий. И чем больше размеры плоского экрана по сравнению с рассстоянием между магнитами, тем взаимодействие между магнитами становится меньше.
Взаимодействие между магнитами полностью исчезает только тогда, когда оба размера плоского сверхпроводящего экрана становятся бесконечными. Это аналог той ситуации, когда магниты развели на бесконечно большое расстояние, и поэтому длина соединяющих их силовых линий магнитного поля стала бесконечной.
Теоретически, это, конечно, полностью решает поставленную задачу. Но на практике мы не можем сделать сверхпроводящий плоский экран бесконечных размеров. Хотелось бы иметь такое решение, которое можно осуществить на практике в лаборатории или на производстве. (Про бытовые условия речи уже не идет, так как в быту невозможно сделать сверхпроводник.)