Магнитная проницаемость среды и веществ

Магнитная проницаемость (МП) — это физический параметр, демонстрирующий во сколько раз величина магнитной индукции в конкретном физическом веществе (среде) отличается от магнитной индукции (МИ) в вакууме. Значение МП зависит от химического состава, структуры вещества и температуры. Для обозначения выбрана буква греческого алфавита μ (мю). В изотропных веществах μ — скалярная величина, а в анизотропных — тензорная.

Что такое магнитная проницаемость

Определение и размерности

Магнитная проницаемость отражает способность вещества к созданию внутреннего магнитного поля под влиянием внешнего магнитного поля. Формула для определения магнитной проницаемости имеет такой вид:

Формула проницаемости

На основании этой формулы можно сделать вывод, что высокая плотность магнитного потока и небольшая намагничивающая сила обусловливают низкую проницаемость и наоборот.

Функциональная связь между напряжённостью поля Н и магнитной индукцией В выражается с помощью уравнения:

Связь между индукцией и напряженностью

В этом уравнении μ₀ — магнитная постоянная (константа). В системе СИ μ₀ = 4×π×10^-7 = 1.25663706212*10^-6 Гн/м (Н/А²).

Видно, что размерность μ₀ может быть как генри на метр, так и ньютон на ампер в квадрате. Магнитная постоянная — это магнитная проницаемость такой среды, где при величине Н = 1 А/м возникает магнитная индукция В = 1 Тл.

Единица измерения для относительной магнитной проницаемости среды μ не предусмотрена, то есть, во всех системах единиц она является безразмерной величиной. Чтобы подчеркнуть отличие μ₀ от μ в системе СИ принято считать, что:

• Непосредственно μ — это относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина).
• Магнитная проницаемость, умноженная на постоянную, единица измерения которой Гн/м или Н/А² (μ₀*μ), — это абсолютная магнитная проницаемость. Она измеряется в тех же единицах, что и константа.

Зависимость индукции он напряженности выражается с помощью графика, называемого кривой намагничивания.

Пример кривой намагничивания

Поскольку магнитная индукция распределяется по сечению неравномерно, для переменных магнитных полей вводится усредненная характеристика — эффективная магнитная проницаемость μ_эф. Ее определение осуществляется с помощью довольно простой формулы:

Расчет эффективной проницаемости

При использовании многих магнитных веществ учитывают такой критерий, как начальная магнитная проницаемость. Так называют проницаемость, соответствующую значению напряженности магнитного поля, стремящейся к нулю. Ее определяют экспериментально в магнитных полях, относящихся к слабым. Напряженность таких полей не превышает 0.1 А/м.

Расчет начальной проницаемости

Связь между магнитной проницаемостью и восприимчивостью выражается соотношением:

Связь между проницаемостью и восприимчивостью

Магнитная восприимчивость χ зависит от вида магнетика и его состояния.

Определение магнитной восприимчивости

Физический смысл магнитной проницаемости

Автором термина «магнитная проницаемость» является немецкий исследователь, изобретатель и бизнесмен Э. В. фон Сименс. Промышленное предприятие «Сименс» существует по сей день, выпуская наукоёмкое, энергетическое оборудование для различных областей человеческой деятельности.

Э. В. фон Сименс

Проницаемость показывает степень способности магнитных моментов молекул и атомов конкретной среды коллективно ориентироваться параллельно приложенному внешнему магнитному полю определённой напряжённости. Когда μ не сильно отличается от единицы, это означает слабое влияние поля на ориентацию моментов (хаотичность направлений) и их малую величину, а μ>1 соответствует высокая степень упорядоченности и значительные величины отдельных магнитных моментов частиц.

Можно провести аналогию между терминами магнитная и диэлектрическая проницаемость. Последняя показывает степень реакции электрических дипольных моментов на внешнее электрическое поле. Поэтому в электромагнитной теории Максвелла μ и ε симметрично входят в уравнения, например, для показателя преломления среды:

Показатель преломления среды

Со врёмен классических опытов М. Фарадея известно, что величина индуктивности катушки определяется параметрами среды, где эта катушка в данный момент расположена. Если внутрь катушки L₀, изготовленной из медной проволоки, вставить сердечник из ферромагнитного материала с  μ >>1, то токи самоиндукции резко возрастут, что можно интерпретировать как возросшую величину индуктивности L.

Катушка индуктивности

В общем случае, когда среда, в которой расположена катушка однородна, магнитное поле, возникающее в результате протекания тока, будет сосредоточено внутри катушки, не выступая за её границы.

Например, для катушек, имеющих форму тора (замкнутого кольца), среда и поле будут локализованы внутри пространства катушки. Снаружи тора магнитное поле будет стремиться к нулю. Это утверждение справедливо и для длинных катушек, называемых соленоидами.

Физический смысл этих экспериментов заключается в том, что при одинаковой величине тока в катушке, задающего величину напряжённости H, измеряемая индукция B будет либо больше, либо меньше в веществе по сравнению с вакуумом. Данный эффект объясняется намагничиванием среды в приложенном поле, вследствие чего среда создаёт дополнительно собственное магнитное поле.

В результате итоговое поле будет являться суммой двух магнитных полей — от контура с током и от намагниченной среды. Физический механизм намагничивания объясняется существованием микротоков внутри молекул и атомов. Вещества, обладающие свойствами намагничивания во внешнем поле, называются магнетиками.

Классификация веществ по проницаемости

Существует не так много веществ, из которых могут быть созданы постоянные магниты, но при этом все материалы, будучи помещённые в магнитное поле приобретают магнитные свойства, то есть, намагничиваются. Вследствие этого вектор магнитной индукции в веществе становится отличным от вектора магнитной индукции в вакууме.

Существует всего три типа веществ, значительно отличающиеся друг от друга по магнитным свойствам:

• Диамагнетики намагничиваются против прикладываемого поля.
• Парамагнетики намагничиваются «по полю».
• Ферромагнетики намагничиваются «по полю» и сохраняют магнитные свойства после отключения внешнего поля.

Диамагнетиками называют вещества, магнитная проницаемость которых меньше 1. Примеры диамагнетиков:

• Серебро.
• Золото.
• Висмут.
• Углерод.

Магнитная проницаемость парамагнетических веществ больше 1, но незначительно. Примеры парамагнетиков:

• Магний.
• Платина.
• Алюминий.
• Вольфрам.
• Щелочные металлы.

Ферромагнетики — вещества, МП которых намного больше единицы (>>1). Примеры ферромагнетиков:

• Никель.
• Железо.
• Кобальт.
• Специальные металлические сплавы.

Классификация веществ по значению МП

Высокая магнитная проницаемость — главное свойство ферромагнетиков, поэтому они способны сохранять остаточный магнетизм, что позволяет использовать их для изготовления магнитопровода в магнитной цепи. Они также являются отличным материалом для постоянных магнитов. Повышение температуры до некоторого значения приводит к исчезновению ферромагнитных свойств. Значение температуры, при которой происходит этот переход, называется точкой Кюри.

Значение точки Кюри у некоторых ферромагнетиков

Значения магнитной проницаемости любого вещества можно узнать из специальной литературы. Ниже приведена таблица с МП для некоторых веществ.

МП различных веществ

Из таблицы видно, что относительная магнитная проницаемость стали больше единицы на несколько порядков, а у меди МП меньше единицы. Поэтому медь — диамагнетик, а сталь — ферромагнетик.

У сверхпроводников μ равна нулевому значению, так как магнитное поле выталкивается из объёма сверхпроводника. Таким образом, сверхпроводники — это практически идеальные диамагнетики.

Сверхпроводники — диамагнетики

Магнитная проницаемость вакуума равна единице ввиду отсутствия дополнительных источников магнитного поля. В технических расчётах МП воздуха также принимают равной единице.

Чем легче намагничивается вещество, тем выше его проницаемость. Материалы, которые легко намагничиваются, считаются высокопроницаемыми. К ним относятся ферромагнетики и ферриты. Именно их используют для изготовления сердечников электромагнитных устройств. Магнитная проницаемость трансформаторного сердечника из феррита намного выше, чем из стали, но она сложным образом зависит от напряженности, то есть, с увеличением напряженности намагниченность ферритовых сплавов растет нелинейно. У пара- и диамагнетиков эта зависимость изображается прямой линией.

Видео по теме