uabooks.top

Ha egy kisebb áramjárta keretet mágneses térbe helyeznek, akkor az a mágnestűhöz hasonlóan a tér mágneses indukció-vonalaira merőlegesen állapodik meg (15.1. ábra). De vajon miért hoz létre mágneses teret az állandó mágnes? Ampere, a mágnesesség elméletének megteremtője úgy gondolta, hogy ennek a mágnes belsejében folyó zárt elektromos áramok a magyarázata. Valóban így van?

A közeg hatása a mágneses térre

Ha egy tetszőleges testet külső elektromos térbe helyeznek, a tér hatására a test belsejében az elektromos töltések átrendeződése megy végbe -a testben a külsővel ellentétes irányú saját elektromos tér jön létre. Ezért az elektromos térerősség a közegben mindig kisebb, mint a vákuumban.

A közeg a mágneses térre is hat: a külső mágneses térbe helyezett bármilyen anyag mágne-seződik, azaz saját mágneses teret hoz létre, amelynek iránya egyes anyagok esetében megegyezik a külső mágneses tér irányával, egyeseknél pedig ellentétes azzal. Tehát az anyagok egyaránt erősíthetik és gyengíthetik is a külső mágneses teret.

Idézzük fel!

Λ közeg ε dielektrikus permeabilitásának azt a

fizikai mennyiséget nevezzük, amely megmutatja, hogy hányszor gyengébb az anyagban az elektromos tér E feszültsége az elektromos tér vákuumban mért E₀ feszültségénél:

A közeg dielektromos permeabilitása mindig nagyobb egynél. Például a víz az elektromos teret 81-szeresére csökkenti (ε=81), a kerozin a 2,7-szeresére, a csillámpala az 5-7-szeresére.

A közeg μ relatív mágneses permeabilitása

a közeg mágneses tulajdonságait jellemző fizikai mennyiség, amely egyenlő a közegben lévő mágneses tér В indukciójának és a vákuumban mérhető B₀ indukciónak az arányával:

Miért mágneseződnek eltérően a különböző anyagok?

Az atomot alkotó részecskék fő tulajdonsága — saját mágneses terük jelenléte. Ezt a teret a saját mágneses nyomaték jellemzi (hasonlóan az áramjárta vezető mágneses nyomatékához).

A mágneses nyomaték p_m olyan fizikai vektormennyiség, amelynek iránya a jobbkéz-szabály segítségével határozható meg (lásd a 10. §-t és a 15.1. ábrát), modulusa pedig a keretben folyó áram I erősségének és a keret által határolt S területnek a szorzatával egyenlő:

A keret mágneses nyomatékától eltérően az atomot alkotó részecskék (elektronok, protonok és neutronok) saját p_m mágneses nyomatékkai rendelkeznek, amelyek nem függnek az áram jelenlététől, hanem a részecskék jellemzői (ugyanúgy, mint a tömeg vagy az elektromos töltés). A részecskék saját mágneses nyomatéka alkotja az atom vagy a molekula saját mágneses nyomatékát. Az atomok és a molekulák mágneses nyomatékai az anyag belsejében mágneses teret hoznak létre. A különböző anyagok atomjai és molekulái eltérően helyezkednek el, ezért eltérnek azok mágneses tulajdonságai is. A relatív mágneses permeabilitása értékei szerin megkülönböztetnek gyengén és erősen mágnese-ződő anyagokat.

Gyengén mágneseződő anyagok

A gyengén mágneseződő anyagok mágnesezés közben gyenge mágneses teret hoznak létre, ami azonnal eltűnik, ha az anyagot eltávolítják a külső mágneses térből. A gyengén mágneseződő anyagok relatív mágneses permeabilitásának az egyhez nagyon közeli értéke van: μ ~ 1. Gyengén mágneseződő anyagok a dia- és paramág-nesek.

A diamágnesek (görög dia — eltérés) mágneseződésük során a külső mágneses térrel ellentétes irányú, gyenge mágneses teret hoznak létre (15.3 ábra).

A diamágnesekhez tartoznak az inert gázok (hélium, neon), számos fém (arany, réz, higany, ezüst), bizmut, víz, aceton, konyhasó.

A diamagnetikus anyagok atomjai és molekulái nem rendelkeznek saját mágneses nyomatékkal. Az ilyen anyagok mágnesező-dése az anyagban a külső mágneses tér hatására létrejövő és a tér mágneses indukciójával megegyező irányú irányított mágneses nyomatékkai magyarázható. Az irányított mágneses nyomatékok mindig ellenkező irányúak a külső mágneses térrel:

éppen ezért vannak a dia-mágneseknek a következő tulajdonságaik.

• A diamágnesek csekély mértékben gyengítik a külső mágneses teret: a mágneses tér induktivitása a diamágnes belsejében (Ді) némileg kisebb a külső mágneses tér induktivitásánál (B₀):

A mágneses tér kitaszítja magából a dia-mágneses anyagot. Érdekes, hogy a mágneses térben az ember is diamágnesként viselkedik, hiszen szervezetünk közel 70%-a víz.

A diamágnesek fajlagos permeabilitása nem függ a hőmérséklettől.

Hogyan lehetséges, hogy noha az atom alkotórészei rendelkeznek saját mágneses nyomatékkai, maga az atom viszont nem?

Jegyezzétek meg: a mágneses tér megjelenése tetszőleges anyag atomjaiban irányított mágneses nyomaték megjelenését eredményezi; az irányított mágneses nyomaték jelentősen kisebb az atom saját mágneses nyomatékánál.

Paramágnesek (görög para — mellett) -felmágneseződnek és a külső mágneses térrel azonos irányú mágneses teret hoznak létre (15.4. ábra).

15.4. ábra. Paramágnes külső mágneses térben: kék vonalak - a külső mágneses tér mágneses erővonalai; vörös vonalak - a paramágnes által létrehozott mágneses tér erővonalai; zöld vonalak - a mágneses tér végleges erővonalai

A paramágnesekhez tartozik az oxigén, levegő, platina, alumínium, ebonit, volfrám, lítium.

A paramágneses anyagok atomjai (vagy molekulái) saját mágneses nyomatékkai rendelkeznek, amelyek külső mágneses tér hiányában kaotikusán orientáltak (15.5. a ábra). Ha a paramágnest mágneses térbe helyezik, a részecskék saját mágneses nyomatékai a külső mágneses tér irányában kezdenek orientálódni (15.5. b ábra), hasonlóan a poláris dielektrikum molekuláihoz az elektromos térben. Ennek eredményeként a paramágnesek a következő tulajdonságokkal rendelkeznek.

• A paramágnesek csekély mértékben erősítik a külső mágneses teret:

• Ha a paramágneses anyagot mágneses térbe helyezik, vonzódni fog a térhez, vagyis a mágneses indukció növekedésének irányába mozdul el.

• A paramágnesek relatív mágneses permeabilitása csökken a hőmérséklet emelkedésével, mivel megnövekszik az atomok (vagy molekulák) hómozgásának sebessége, és részlegesen felborul az orientációjuk.

A ferromágnesek mágneses tulajdonságai

Ferromágnesek (latin ferrum — vas) - olyan anyagok, amelyek felmágneseződve erős mágneses teret hoznak létre, melynek iránya megegyezik a külső mágneses tér irányával (15.6. ábra); a ferromágnesek külső mágneses tér hiányában is mágnesezettek maradnak.

A ferromágnesekhez viszonylag kevés anyag tartozik: vas, nikkel, kobalt, ritkaföldfémek és néhány ötvözet.

A ferromágnesek ionjai saját mágneses nyomatékkai rendelkeznek. Bármely ferro-mágneses test doménekből (tartományokból) — 1-10 μιη lineáris mérettel rendelkező' makroszkopikus tartományokból áll, amelyekben a szomszédos ionok saját mágneses nyo-matékai párhuzamosak, azaz a doméneknek saját mágnesezettségük van. Külső mágneses tér hiányában az egyes domének mágneses nyomatékainak irányultsága kaotikus, ezért a ferromágneses anyag mintadarabja általában nincs felmágneseződve (15.7. a ábra).

Ha a ferromágneses anyagot mágneses térbe helyezzük, akkor a doménjei, amelyek mágneses nyomatéka a külső mágneses tér irányába áll be, megnövekszenek a másként irányuló domének rovására; ezenkívül mindegyik doménben a mágneses nyomatékok részleges elfordulása történik. Ezek a folyamatok a mintadarab mágnesességének elvesztéséhez vezetnek (15.7. b ábra). A doménfelépítés a ferromágnesek következő tulajdonságait eredményezi.

• A ferromágnesek belsejében lévő mágneses indukció több száz-, illetve ezerszerese a test mágneseződését előidéző külső mágneses tér indukciójának:

• A ferromágnesek, csakúgy mint a pa-ramágnesek, vonzódnak a mágneses térhez.

• Egy bizonyos hőmérsékletet elérve az úgynevezett Curie-hőmérsékleten (lásd a táblázatot a 88. oldalon) az anyag ferromágneses tulajdonságai megszűnnek, és paramágnessé válik.

A ferromágneses anyagokat feltételesen két típusra osztják. Azokat az anyagokat, amelyek a külső mágneses tér megszűntével sokáig mágnesezettek maradnak, keménymágneses anyagoknak nevezzük. Ilyen anyagból készülnek az állandó mágnesek.

A könnyen mágnesezhető, majd a mágnesességet rövid ideig megtartó ferromágneses anyagokat lágymágneses anyagoknak nevezzük. Az ilyen anyagokat az elektromágnesek, generátorok, villanymotorok, transzformátorok magjainak előállítására használják.

Összegezés

Mágneses térben minden anyag felmágneseződik. A közeg relatív mágneses permeabilitása a közeg mágneses tulajdonságait jellemző fizikai mennyiség, amely egyenlő a közegben lévő mágneses tér indukciójának és a vákuumban mérhető indukciónak az arányával:

A közeg μ relatív mágneses permeabilitásának értéke alapján az anyagokat erősen és gyengén mágneseződő anyagokra csoportosítják. A gyengén mágneseződő anyagokban (dia- és paramágnesek) a μ alig tér el egytől.

A diamagnetikus anyagok atomjai és molekulái nem rendelkeznek saját mágneses nyomatékkal. Az ilyen anyagok mágneseződése az anyagban a külső mágneses tér hatására létrejövő és a tér mágneses indukciójával megegyező irányú irányított mágneses nyomatékkai magyarázható. A diamágnesek fajlagos permeabilitása alig kisebb egynél: μ<1.

Az anyagok paramágnesek, ha fajlagos permeabilitásuk μ > 1.

Az erősmágnesű anyagok (ferromágnesek) esetében a μ jelentősen nagyobb egynél (μ »1). A ferromágneses anyagok doménekből — makroszkopikus tartományokból - állnak, amelyekben az ionok mágneses nyomatékai egymással párhuzamosak.

Ellenőrző kérdések

1. Miért változtatja meg az anyag a mágneses teret? 2. Mit nevezünk a közeg relatív mágneses permeabilitásának? 3. Mi a diamágnesek jellegzetessége? Hogyan történik a felmágnesezésük? Milyen mágneses tulajdonságaik vannak? 4. Mi a paramágnesek jellegzetessége? Hogyan történik a felmágnesezésük? Milyen mágneses tulajdonságaik vannak? 5. Mi a ferromágnesek jellegzetessége? Hogyan történik a felmágnesezésük? Milyen mágneses tulajdonságaik vannak? 6. Hol hasznosítják a mágneses anyagokat?

15. gyakorlat

1. Állítsatok fel megfeleltetést az anyagok és a relatív mágneses permeabilitásuk értéke között.

1 Réz 2 Nikkel 3 Platina A 0,576 В 0,999 994 C 1,000 265 D 600

2. Azonos tömegű réz- és alumíniumhengert rugóra rögzítve egymás után erős elektromágnes pólusai közé helyezik. Melyik esetben nyúlik meg jobban a rugó?

3. Miért készítik az elektromágnesek magját lágymágneses anyagokból?

4. Szerintetek az atom mágneses terének a jellemzésére miért alkalmazzák a mágneses nyomaték fogalmát, hiszen az atom belsejében semmilyen áram nincs?

5. Az utóbbi időkben a rádiótechnikában és az automatizálásban egyre gyakrabban alkalmaznak ferriteket — olyan lágymágneses nemfémes anyagokat, amelyek egy sor előnyös tulajdonsággal rendelkeznek a fémekkel szemben. Ismerjétek meg ezeket az anyagokat, és tudjátok meg az előnyeiket!

Fizika és technika Ukrajnában

A domének létezésének hipotézisét még 1907-ben felállították, de hosszú időn át a létezésüket nem tudták elméletileg bebizonyítani. A doménstruktúrák teljes elméletét Lev Davidovics Landau (1908-1968) (a képen balra) és llja Mihajlovics Lifsic (1916-1982) szovjet tudósok dolgozták ki a Harkovi Fizikai-technikai Intézetben végzett közös munkájuk során. 1935-ben adták ki A ferromágnesek doménstruktúrája és ferromágneses rezonancia c. munkájukat, ahol a tudósok levezették a mágneses nyomaték mozgásának egyenletét (Landau-Lifsic-egyenlet), meghatározták a fém domének alakját és méreteit, megjósolták a ferromágneses rezonancia jelenségét. A tudósok ekkor kezdtek dolgozni Az elméleti fizika kurzusán, amelynek első kötete, a Mechanika 1938-ban látott napvilágot. Ez a fundamentális 10 kötetes munka klasszikussá vált, több kiadása készült el a világ számos nyelvén, fizikusok több nemzedéke tanult belőle.

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev