Вектор намагничивания

Вектор намагничивания — это векторная физическая величина, которая характеризует степень намагниченности вещества в данной точке пространства. Он описывает плотность магнитных моментов в веществе и является важной частью классической электродинамики, магнитостатики и физики магнитных материалов.

Определение вектора намагничивания

Вектор намагничивания обозначается буквой $M$ и определяется как магнитный момент на единицу объёма вещества:

M = \frac{m}{V},

где:

$m$ — суммарный магнитный момент системы (например, атомов, молекул или электронов);
$V$ — объём материала.

Единицы измерения вектора намагничивания:

В Международной системе (СИ) измеряется в амперах на метр ( $А/м$ ).

Физический смысл вектора намагничивания

Магнитный момент: Магнитный момент атомов или электронов возникает из-за движения зарядов (например, орбитального движения электронов вокруг ядра или их спинового момента).
Средняя характеристика: Вектор намагничивания показывает, как магнитные моменты распределены в единичном объёме материала.
Направление: Направление вектора $M$ совпадает с направлением результирующего магнитного момента.

Связь с другими магнитными величинами

1. Связь с полем намагничивания $H$

Вектор намагничивания участвует в уравнении, связывающем магнитную индукцию $B$ и напряжённость магнитного поля $H$ :

B = μ_{0} (H + M),

где:

$B$ — вектор магнитной индукции (Тл);
$H$ — вектор напряжённости магнитного поля (А/м);
$μ_{0}$ — магнитная постоянная ( $μ_{0} \approx 4 π \cdot 1 0^{- 7} Гн/м$ ).

Эта формула показывает, что магнитное поле внутри вещества является суммой внешнего поля ( $H$ ) и поля, создаваемого намагничиванием вещества ( $M$ ).

2. Магнитная восприимчивость

Магнитная восприимчивость $χ_{m}$ характеризует способность вещества намагничиваться в присутствии внешнего магнитного поля. Она связана с вектором $M$ следующим образом:

M = χ_{m} H .

Тип вещества определяется значением $χ_{m}$ :

$χ_{m} > 0$ : парамагнетики;
$χ_{m} < 0$ : диамагнетики;
Очень большие $χ_{m}$ : ферромагнетики.

Типы намагничивания

1. Диамагнетики

Диамагнитные вещества слабо намагничиваются в направлении, противоположном внешнему полю. Их $M$ мало и отрицательно.
Пример: медь, серебро, вода.

2. Парамагнетики

Парамагнитные вещества намагничиваются в направлении внешнего магнитного поля. $M$ мало, но положительно.
Пример: алюминий, платина.

3. Ферромагнетики

Ферромагнитные вещества сильно намагничиваются, причём их $M$ может сохраняться даже после снятия внешнего магнитного поля.
Пример: железо, никель, кобальт.

Поведение вектора намагничивания

1. Нелинейная зависимость

Для ферромагнетиков связь между $M$ и $H$ нелинейна. При увеличении напряжённости магнитного поля ферромагнетик достигает насыщения: все магнитные моменты выстраиваются вдоль поля, и $M$ больше не растёт.

2. Гистерезис

Ферромагнетики демонстрируют явление магнитного гистерезиса: $M$ зависит не только от текущего значения $H$ , но и от его предыдущих значений. Это связано с доменной структурой ферромагнетика.

График зависимости $M$ от $H$ называется петлёй гистерезиса.

3. Температурная зависимость

При повышении температуры ферромагнетик может утратить свои магнитные свойства. Это происходит при температуре, называемой точкой Кюри.
Парамагнетики и диамагнетики также демонстрируют температурную зависимость, но менее выраженную.

Экспериментальное измерение вектора намагничивания

Метод магнитометра
- Магнитные свойства измеряются с помощью приборов, чувствительных к магнитным моментам, таких как вибрационные магнитометры или SQUID (сверхпроводящие квантовые интерферометры).
Метод кривых намагничивания
- Снимаются зависимости $M$ от $H$ , которые затем анализируются.
Рентгеновская магнитная спектроскопия
- Используется для изучения распределения магнитных моментов на атомном уровне.

Применения вектора намагничивания

1. Техника

Используется для проектирования магнитных материалов, таких как ферриты, трансформаторы, магниты.

2. Запоминающие устройства

Вектор намагничивания играет ключевую роль в работе жёстких дисков, магнитных лент и других устройств записи данных.

3. Медицина

Магнитные материалы используются в МРТ, где магнитные свойства тканей связаны с их вектором намагничивания.

4. Геофизика

Исследование магнитных свойств горных пород для изучения истории магнитного поля Земли.

Заключение

Вектор намагничивания $M$ — это основополагающая величина в магнитной физике, описывающая, насколько вещество намагничено в данной точке пространства. Он тесно связан с фундаментальными характеристиками вещества, такими как магнитная восприимчивость, гистерезис и структура магнитных доменов. Изучение $M$ важно для разработки новых материалов, анализа магнитных полей и практического применения в технике и медицине.

Вектор намагничивания — это векторная физическая величина, которая характеризует степень намагниченности вещества в данной точке пространства. Он описывает плотность магнитных моментов в веществе и является важной частью классической электродинамики, магнитостатики и физики магнитных материалов. Определение вектора намагничивания Вектор намагничивания обозначается буквой $M$ и определяется как магнитный момент на единицу объёма вещества: $M = \frac{m}{V},$ где: $m$ — суммарный магнитный момент системы (например, атомов, молекул или электронов); $V$ — объём материала. Единицы измерения вектора намагничивания: В Международной системе (СИ) измеряется в амперах на метр ( $А/м$ ). Физический смысл вектора намагничивания Магнитный момент: Магнитный момент атомов или электронов возникает из-за движения зарядов (например, орбитального движения электронов вокруг ядра или их спинового момента). Средняя характеристика: Вектор намагничивания показывает, как магнитные моменты распределены в единичном объёме материала. Направление: Направление вектора $M$ совпадает с направлением результирующего магнитного момента. Связь с другими магнитными величинами 1. Связь с полем намагничивания $H$ Вектор намагничивания участвует в уравнении, связывающем магнитную индукцию $B$ и напряжённость магнитного поля $H$ : $B = μ_{0} (H + M),$ где: $B$ — вектор магнитной индукции (Тл); $H$ — вектор напряжённости магнитного поля (А/м); $μ_{0}$ — магнитная постоянная ( $μ_{0} \approx 4 π \cdot 1 0^{- 7} Гн/м$ ). Эта формула показывает, что магнитное поле внутри вещества является суммой внешнего поля ( $H$ ) и поля, создаваемого намагничиванием вещества ( $M$ ). 2. Магнитная восприимчивость Магнитная восприимчивость $χ_{m}$ характеризует способность вещества намагничиваться в присутствии внешнего магнитного поля. Она связана с вектором $M$ следующим образом: $M = χ_{m} H .$ Тип вещества определяется значением $χ_{m}$ : $χ_{m} > 0$ : парамагнетики; $χ_{m} < 0$ : диамагнетики; Очень большие $χ_{m}$ : ферромагнетики. Типы намагничивания 1. Диамагнетики Диамагнитные вещества слабо намагничиваются в направлении, противоположном внешнему полю. Их $M$ мало и отрицательно. Пример: медь, серебро, вода. 2. Парамагнетики Парамагнитные вещества намагничиваются в направлении внешнего магнитного поля. $M$ мало, но положительно. Пример: алюминий, платина. 3. Ферромагнетики Ферромагнитные вещества сильно намагничиваются, причём их $M$ может сохраняться даже после снятия внешнего магнитного поля. Пример: железо, никель, кобальт. Поведение вектора намагничивания 1. Нелинейная зависимость Для ферромагнетиков связь между $M$ и $H$ нелинейна. При увеличении напряжённости магнитного поля ферромагнетик достигает насыщения: все магнитные моменты выстраиваются вдоль поля, и $M$ больше не растёт. 2. Гистерезис Ферромагнетики демонстрируют явление магнитного гистерезиса: $M$ зависит не только от текущего значения $H$ , но и от его предыдущих значений. Это связано с доменной структурой ферромагнетика. График зависимости $M$ от $H$ называется петлёй гистерезиса. 3. Температурная зависимость При повышении температуры ферромагнетик может утратить свои магнитные свойства. Это происходит при температуре, называемой точкой Кюри. Парамагнетики и диамагнетики также демонстрируют температурную зависимость, но менее выраженную. Экспериментальное измерение вектора намагничивания Метод магнитометра Магнитные свойства измеряются с помощью приборов, чувствительных к магнитным моментам, таких как вибрационные магнитометры или SQUID (сверхпроводящие квантовые интерферометры). Метод кривых намагничивания Снимаются зависимости $M$ от $H$ , которые затем анализируются. Рентгеновская магнитная спектроскопия Используется для изучения распределения магнитных моментов на атомном уровне. Применения вектора намагничивания 1. Техника Используется для проектирования магнитных материалов, таких как ферриты, трансформаторы, магниты. 2. Запоминающие устройства Вектор намагничивания играет ключевую роль в работе жёстких дисков, магнитных лент и других устройств записи данных. 3. Медицина Магнитные материалы используются в МРТ, где магнитные свойства тканей связаны с их вектором намагничивания. 4. Геофизика Исследование магнитных свойств горных пород для изучения истории магнитного поля Земли. Заключение Вектор намагничивания $M$ — это основополагающая величина в магнитной физике, описывающая, насколько вещество намагничено в данной точке пространства. Он тесно связан с фундаментальными характеристиками вещества, такими как магнитная восприимчивость, гистерезис и структура магнитных доменов. Изучение $M$ важно для разработки новых материалов, анализа магнитных полей и практического применения в технике и медицине.
Нашли ошибку? Сообщите нам! Материал распространяется по лицензии Creative Commons Zero
Поделись статьей с друзьями!