Магнитное поле и индукция

В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 3. Магнитное поле и индукция 3.1. Понятие магнитного поля Вокруг любого проводника с током или постоянных магнитов возникает магнитное поле. Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами. Например, два проводника, расположенных параллельно/ друг другу, будут взаимно притягиваться, если по ним пропускать токи в одном направлении, и будут взаимно отталкиваться, если направление токов противоположно. Это взаимодействие было обнаружено экспериментально французским физиком Андре Ампером и названо им электродинамическим взаимодействием. I I I I Рис. 3.23 Взаимодействия между проводниками с током, т.е. взаимодействия между движущимися электрическими зарядами, называют магнитными. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами. Тела, длительное время сохраняющие свою намагниченность после удаления из внешнего поля, называют постоянными магнитами. Наибольшей силой притяжения обладают концы магнита, которые называют магнитными полюсами. Постоянные магниты могут быть различной формы: полосовые, подковообразные. К ним также относится магнитная стрелка — маленький магнитик удлиненной формы, помещенный на острие. При отсутствии помех один конец магнитной стрелки указывает на север, а другой — на юг. Магнитные полюсы существуют только парами: северный полюс N и южный полюс S. Никаким путем невозможно получить один магнитный полюс. Если постоянный магнит разломить, то получится два магнита с северным и южным полюсами у каждого. Считается, что магнитное поле в каждой точке совпадает с направлением, которое указывает северный полюс магнитной стрелки. Экспериментально установлено, что одноименные полюсы магнитов отталкиваются, а разноименные притягиваются. Особенности магнитного поля (его основные свойства) 1. Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (электрическим током), намагниченными телами (магнитами) и переменным во времени электрическим полем (в этом случае магнитное поле является также переменным, т.е. его характеристики изменяются с течением времени). 2. Магнитное поле непрерывно в пространстве и обнаруживается по действию на 1 В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 движущиеся электрические заряды (электрический ток) или на намагниченные тела независимо от того, движутся они или покоятся. Для характеристики магнитного поля вводится физическая величина — индукция магнитного поля В. Это экспериментально измеряемая величина, зависящая от токов, создающих поле, и от свойств среды, в которой оно создано. Для характеристики магнитного поля в вакууме вводится еще одна величина, которая называется напряженность магнитного поля Н. Напряженность магнитного поля не зависит от свойств среды, а определяется только силой тока и формой проводника. Напряженность магнитного поля — векторная величина, совпадающая в однородной среде с направлением вектора магнитной индукции. Модули этих характеристик магнитного поля (Н и В) связаны соотношением: В = 0H где 0 — магнитная постоянная,  — магнитная проницаемость среды, которая показывает, во сколько раз индукция магнитного поля в данной среде больше или меньше, чем в вакууме. Графически магнитное поле можно изобразить линиями магнитной индукции. На помещенные в магнитное поле проводники с током или магнитные стрелки оно оказывает ориентирующее действие. Магнитная стрелка, свободно вращающаяся вокруг вертикальной оси, помещенная под прямолинейным проводником с постоянным током, поворачивается, стремясь расположиться перпендикулярно к проводнику. Это явление было обнаружено датским физиком Хансом Эрстедом в 1820 году. Если в магнитное поле поместить рамку с током (замкнутый контур, геометрические размеры которого малы настолько, чтобы в его пределах поле не изменилось), то она также будет поворачиваться и располагаться таким образом, чтобы проводник с током, создающим магнитное поле, оказался в плоскости рамки (рис. 3.16) или плоскость рамки установилась перпендикулярно к линии, соединяющей полюса магнита. Рис. 3.24. Ориентирующее действие тока; а — нет тока, свободная ориентация; б — при пропускании тока; в – ориентация рамки Связано это с тем, что на плоскую рамку с током в магнитном поле действует пара сил, создающих вращающий момент, модуль которого равен: М = рmВ sin а, 2 В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 где рт = IS — магнитный момент рамки с током, I — сила тока, S — площадь поверхности, охватываемой контуром (площадь рамки), а — угол между направлениями вектора индукции и нормали к плоскости рамки, В — модуль вектора индукции магнитного поля. При изменении направления тока в проводнике или изменении полюсов магнита на противоположные рамка с током поменяет ориентацию и повернется на 180°. Ориентирующее действие магнитного поля на рамку с током используется в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы — амперметрах и вольтметрах. Вращение рамки с током в магнитном поле легло в основу работы электродвигателя. 3.2. Индукция магнитного поля Индукция магнитного поля В (магнитная индукция) — векторная величина, силовая характеристика поля. За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Направление и модуль вектора индукции в каждой точке магнитного поля можно определить по правилу буравчика. Рисунок 3.25 Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током (положительная нормаль направлена в ту сторону, куда перемещается буравчик, если вращать его по направлению тока в рамке). Направление вектора индукции магнитного поля прямолинейного проводника с током также определяют по правилу буравчика. Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Магнитная стрелка, помещенная в магнитное поле прямолинейного проводника с током, устанавливается по касательной к окружности, центр которой лежит на оси проводника, а плоскость окружности перпендикулярна проводнику. 3 В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 Рисунок 3.26 Модуль индукции магнитного поля может быть определен по силовому действию магнитного поля на проводник с током. Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка: B Fmax I l , где Fтах — максимальная сила, действующая со стороны магнитного поля на участок проводника с током; I — сила тока; l — длина участка проводника (или длина активной части проводника). Сила, действующая со стороны магнитного поля на участок проводника, достигает максимального значения, когда магнитная индукция перпендикулярна проводнику. Единица магнитной индукции в СИ 1 Н/А•м = 1 Тл (тесла). Эта единица названа в честь югославского ученого-электротехника Николы Тесла (1856-1943). Индукция магнитного поля численно равна силе, с которой действует магнитное поле на участок проводника длиной 1 м при силе тока в проводнике 1 А, расположенный перпендикулярно к вектору индукции. Силовое действие магнитного поля можно обнаружить по вращающему действию на рамку с током. Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального момента оси Мmах, действующего со стороны магнитного поля на рамку с током, к произведению силы тока в рамке на ее площадь S: B M max I S За единицу магнитной индукции 1 Тл принята индукция магнитного поля, в котором на рамку площадью 1 м2 при силе тока 1 А со стороны поля действует максимальный момент сил 1 Н•м. 1Тл  1Н  м 1 А 1 м 2 или Тл 1 Н А м Таким образом, в каждой точке магнитного поля могут быть определены направление вектора магнитной индукции и его модуль с помощью измерения силы, действующей на участок проводника с током или с помощью момента сил, действующих на рамку с током. Магнитное поле, векторы индукции которого во всех точках одинаковы по величине и направлению, называется однородным магнитным полем. Например, однородное магнитное поле получается внутри соленоида или между разноименными полюсами магнитов при больших размерах полюсов по сравнению с расстоянием между ними. У края полюсов поле уже неоднородно. 4 В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 Если магнитное поле образовано несколькими токами, то индукция поля в данной точке равна векторной сумме индукций В полей, образованных в этой точке каждым полем в отдельности: n B   Bi i 1 где п — число токов, создающих поля. В этом состоит принцип суперпозиции магнитных полей. Линиями магнитной индукции (силовыми линиями магнитного поля) называются линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор В в данной точке поля. Линии магнитной индукции всегда замкнуты. Это означает, что в природе отсутствуют свободные магнитные заряды, магнитное поле не имеет источников. Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Магнитное поле является вихревым полем. Линии магнитной индукции однородного поля параллельны. На рис. 3.27 приведена картина такого поля между разноименными полюсами магнитов. Расстояния между соседними линиями индукции в однородном поле должны быть везде одинаковы. Между полюсами магнитное поле (т.е. вектор индукции магнитного поля) направлено от северного полюса N к южному полюсу S. Расположение магнитной индукции можно выяснить, воспользовавшись мелкими железными опилками, которые намагничиваются в магнитном поле и ведут себя как магнитные стрелки. Картина магнитного поля прямого тока представлена на рис. 3.28. Рис. 3.27. Однородное магнитное поле Рис. 3.28. Магнитное поле прямого тока Магнитное поле прямолинейного тока имеет вид концентрических окружностей, расположенных в плоскостях, перпендикулярных к проводнику. Центр окружностей находится на оси проводника. Вблизи проводника магнитное поле действует с большей силой и радиус окружности меньше. Через данную точку пространства проходит только одна линия индукции, поэтому линии индукции нигде не пересекаются. Направление вектора индукции, касательного к данной линии, указывают стрелки на линиях, оно определяется по правилу буравчика. Индукцию магнитного поля, созданного проводниками с током различной конфигурации, определяют по закону Био-Савара-Лапласа (французские ученые Ж.Био (1774-1862), Ф.Савар (1791-1841), П.Лаплас (1749-1827) открыли эту зависимость в 1820 г., причем П.Лаплас придал общий вид закону Био-Савара). Модуль индукции магнитного поля для прямого бесконечно длинного 5 В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 проводника равен: В  0 I 2 r . где r — кратчайшее расстояние от проводника до точки, в которой определяется индукция поля; I — сила тока в проводнике; — магнитная проницаемость среды; 0 — магнитная постоянная. Проводник в форме кругового витка с радиусом r, по которому течет ток, создает магнитное поле, индукция которого в центре витка равна по модулю: В  0 I 2r Направление вектора магнитной индукции определяют по правилу буравчика, которое в этом случае удобно сформулировать так: «если направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением тока в витке, то направление его поступательного движения укажет направление индукции магнитного поля». Рис. 3.29 Длинную цилиндрическую катушку, состоящую из большого числа витков проволоки, намотанных по спирали, называют соленоидом (от греческого solen — трубка и eidos — вид). Если длина соленоида много больше его диаметра, то магнитное поле внутри соленоида вдали от его концов является однородным и линии магнитной индукции параллельны друг другу. Вне соленоида магнитное поле подобно полю постоянного полосового магнита. Рисунок 3.30 Северный полюс магнита N соответствует концу катушки, из которого выходят линии индукции магнитного поля. Конец катушки, в который входят линии индукции, аналогичен южному магнитному полюсу S. Расположение полюсов соленоида можно 6 В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 определить по правилу буравчика: если ввинчивать в соленоид буравчик так, чтобы вращение ручки буравчика совпадало с направлением тока в соленоиде, тогда поступательное движение буравчика будет совпадать с направлением вектора магнитной индукции. При этом учитывают, что за направление вектора В принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N. Индукция магнитного поля в центре соленоида (вдали от краев соленоида) равна: В = о •I•n, где п — число витков, приходящихся на единицу длины соленоида. 3.3. Закон Ампера Сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитном поле, называется силой Ампера. Действие этой силы можно обнаружить, помещая подвижный проводник с током между полюсами подковообразного магнита. Под действием силы Ампера этот проводник втягивается в промежуток между полюсами или отталкивается от него в зависимости от направления тока в проводнике. Рисунок 3.31 Экспериментально установлено, что модуль силы Ампера прямо пропорционален длине проводника с током l(малый отрезок проводника), силе тока I (при неизменном положении проводника) и зависит от ориентации проводника в магнитном поле. Опыт показывает, что магнитное поле не действует на проводник с током, т.е. сила Ампера не действует, если вектор магнитной индукции направлен вдоль проводника. Когда же проводник перпендикулярен к линиям индукции поля, то сила Ампера имеет максимальное значение. При положении проводника с током под углом а к вектору магнитной индукции В модуль силы Ампера зависит от sin а. Разложим вектор магнитной индукции В на две составляющие: ВI — перпендикулярную проводнику и BII — направленную вдоль проводника. Рис.3.32 Тогда ВI = В sin а, и при произвольном значении угла а сила Ампера пропорциональна не модулю вектора магнитной индукции, а перпендикулярной 7 В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 составляющей ВI. Модуль силы Ампера определяют по закону Ампера: FА=I •  l•В • sin а, где а — угол между направлениями вектора индукции магнитного поля и тока; l — длина участка проводника; I — сила тока; В — индукция магнитного поля. Этот закон может быть записан иначе: FА=I •  l•ВI Закон Ампера формулируется следующим образом: Сила Ампера равна произведению вектора магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника. Вектор силы Ампера перпендикулярен к проводнику с током и к вектору индукции магнитного поля. Направление силы Ампера можно найти по правилу левой руки: Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная непроводнику составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника. Рис. 3.33 Закон Ампера может быть использован для определения модуля индукции магнитного поля. Если проводник единичной длины, по которому протекает ток в единицу силы тока, расположен перпендикулярно к линиям магнитной индукции, то модуль вектора индукции в данной точке однородного магнитного поля равен наибольшей силе, действующей на проводник: В Fmax I  l При перемещении проводника с током под действием силы Ампера происходит превращение электрической энергии в механическую. Это явление лежит в основе принципа действия электродвигателей. Действие магнитного поля постоянного магнита на переменный ток в подвижной катушке используется в электродинамическом громкоговорителе (динамике), создающем звук в радиоприемниках, магнитофонах, проигрывателях. В 8 В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 громкоговорителе происходит возбуждение звуковых волн под действием переменного электрического тока, меняющегося со звуковой частотой. Между двумя параллельными прямолинейными проводниками возникает сила взаимодействия: проводники притягиваются друг к другу, если по ним протекают токи одного направления, и отталкиваются, если токи направлены навстречу друг другу. Сила взаимодействия между параллельными токами возникает потому, что каждый из этих токов находится в магнитном поле другого тока. Второй проводник будет находиться в магнитном поле, созданном первым проводником с током I1. Рис. 3.34 Индукция магнитного поля, созданного этим проводником на расстоянии d, равна: В1   0   I1 2  d По закону Ампера на второй проводник действует сила: FА = I2В1 l, где l — элемент длины второго проводника. Угол а=90° sin а = 1 FA   0  I1 I 2 l 2 d Очевидно: Такая же по величине сила действует на первый проводник в магнитном поле, созданном вторым проводником с током 12. При помощи сил взаимодействия между проводниками с током определяется единица силы тока — ампер. 1 ампер есть сила такого постоянного тока, который, проходя по двум бесконечным параллельным проводникам, расположенным на расстоянии r = 1 м друг от друга в вакууме, вызывает между ними силу взаимодействия 2•10-7 Н на каждый метр длины провода. В идеальном случае они должны быть по диаметру гораздо меньше, а по длине — гораздо больше расстояния между проводниками. 3.4. Действие магнитного поля на движущийся заряд Магнитное поле обнаруживается по его действию на движущиеся электрические заряды, т.е. электрический ток. Сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током, называется силой Ампера. Существование этой силы можно объяснить тем, что магнитное поле действует на движущиеся заряды внутри проводника, а поскольку эти заряды не могут из него вырваться, то действующая на них общая сила оказывается приложенной к проводнику. Таким образом, силу 9 В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 Ампера можно рассматривать как сумму сил, действующих на свободные заряды в проводнике с током. Такое объяснение выдвинул голландский ученый Генрик Антон Лоренц (1853-1928). — основатель электронной теории строения вещества. На электрический заряд, движущийся в магнитном поле, действует сила Лоренца, модуль которой равен: Fл = qvsin a где q — заряд, v — скорость движения заряда, а — угол между направлениями векторов индукции магнитного поля и скорости заряда. Модуль силы, действующей на один движущийся заряд в магнитном поле (модуль силы Лоренца), равен отношению модуля силы, действующей на участок проводника длиной l (силы Ампера), к числу N упорядоченно движущихся свободных зарядов в этом участке проводника: Fл  FA N Рассмотрим отрезок тонкого прямого проводника с током длиной l и площадью поперечного сечения S, помещенный в магнитное поле с индукцией В. Размеры данного отрезка настолько малы, что можно считать вектор индукции магнитного поля неизменным в пределах этого отрезка. Рис. 3.35 Согласно закону Ампера: FА = I • l • В • sin а Сила тока I в проводнике зависит от заряда q, переносимого каждой частицей, концентрации частиц п (числа зарядов в единице объема), скорости их направленного движения v и площади поперечного сечения S: I = qnvS. Число заряженных частиц в данном объеме v можно определить: N=n•V=n•S•l Тогда модуль силы Ампера можно определить по следующей формуле: FA= qnvS•l• В • sin а= qNvВ • sin а Отсюда модуль силы Лоренца: Fл  qN vB sin   q vB sin  N 10 В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 Вектор магнитной индукции можно разложить на две составляющие: ВI — перпендикулярную к вектору скорости и ВII — направленную вдоль вектора скорости. Модуль силы Лоренца определяется составляющей вектора магнитной индукции, перпендикулярной к вектору скорости: ВI = В sin а Тогда выражение для силы Лоренца примет вид: Fл=qvBI. 3.5. Магнитные свойства вещества Магнитное воздействие, т.е. взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, зависит от свойств среды, в которой находятся заряды. Характеристикой магнитных свойств среды является магнитная проницаемость среды . Магнитная проницаемость среды — это физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данной точке однородной изотропной среды В отличается по модулю от индукции магнитного поля в этой же точке в вакууме Во:  B B0 В однородной магнитной среде магнитная индукция будет равна B  B0 . В любой среде   1 . Некоторые вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т.е. создают собственное магнитное поле самого вещества. Такие вещества называют магнетиками. Одни вещества при намагничивании внешним полем ослабляют его, а другие усиливают. Согласно гипотезе Ампера магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него. Эти элементарные электрические токи циркулируют внутри молекул и атомов. В ненамагниченном теле все элементарные токи расположены хаотично по отношению друг к другу вследствие теплового движения молекул, и поэтому во внешнем пространстве не наблюдается магнитного поля, т.е. действие этих токов взаимно компенсируется. Под влиянием внешнего магнитного поля элементарные токи в теле устанавливаются параллельно друг другу и создают результирующее магнитное поле. Дальнейшее развитие науки дало объяснение существования этих циркулирующих токов на основе строения атома. Каждый электрон, движущийся в атоме вокруг ядра по замкнутой орбите, представляет собой электронный ток, текущий в направлении, противоположном движению электрона. Таким образом, за счет орбитального движения электрон создает магнитное поле. Слабо- и сильномагнитные вещества отличаются величиной магнитной проницаемости . Парамагнетики (или парамагнитные вещества) — это вещества, которые создают слабое магнитное поле, вектор индукции которого направлен одинаково с вектором индукции внешнего намагничивающего поля. Для парамагнетиков магнитная проницаемость  = 1 мало отличается от единицы. К этой группе магнетиков относятся следующие вещества: кислород ( = 1,0034 — для жидкого кислорода;  = 1,000017 — 11 В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 для газообразного), оксид азота, алюминий, щелочные металлы и др. Наиболее сильным парамагнетиком является платина ( = 1,00036). Классификация магнетиков Рис.3.36 Величина магнитной проницаемости парамагнитных вещества не зависит от индукции В внешнего намагничивающего поля, но уменьшается при нагревании. При повышении температуры в парамагнетиках усиливается хаотическое, тепловое движение атомов (молекул), что и уменьшает намагничивание вещества. Диамагнетики (или диамагнитные вещества) — вещества, которые создают магнитное поле, вектор индукции которого направлен противоположно вектору индукции внешнего намагничивающего поля. Диамагнетики своим магнитным полем ослабляют внешнее магнитное поле. Диамагнитные свойства вещества проявляются значительно слабее, чем парамагнитные свойства. Магнитная проницаемость диамагнетиков < < 1 не зависит от индукции В внешнего намагничивающего поля и от температуры. Диамагнетиками являются инертные газы (например, гелий и аргон), многие металлы (золото, серебро, ртуть, цинк), вода, стекло и многие органические соединения. Например, магнитная проницаемость меди = 0,999991. Самый сильный диамагнетик — висмут ( = 0,999824). Ферромагнетики (или ферромагнитные вещества) — вещества, значительно усиливающие внешнее магнитное поле. К ним относится небольшая группа твердых кристаллических тел — например, сталь, железо, чугун, никель, кобальт, а также ряд сплавов. Магнитная проницаемость ферромагнетиков  намного больше единицы, и ее величина зависит от индукции внешнего намагничивающего поля. Например, магнитная проницаемость никеля может достигать значения 50, для железа mах = 5000, для пермаллоя (78% Ni и 22% Fе) mах = 100000. Намагничивание ферромагнитных тел впервые было изучено на опытах выдающегося русского физика Александра Григорьевича Столетова (1839-1896). Объяснение ферромагнитных свойств было найдено после того, как установили, что электроны, кроме орбитального движения вокруг ядер, вращаются вокруг своей оси, т.е. имеют собственный вращательный момент (момент импульса), получивший название спин (от английского spin — вращаться, кручение, веретено). Так как электрон заряжен, то он имеет собственный магнитный момент. В атоме магнитные моменты электронов могут иметь только два взаимно противоположных направления: параллельное и антипараллельное. В большинстве кристаллов магнитные поля электронов скомпенсированы, так как их магнитные моменты в атомах имеют попарно противоположные направления. Лишь в некоторых кристаллах, например в кристаллах стали (у ферромагнетиков), в атомах имеется по несколько электронов, магнитные 12 В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 моменты которых направлены в одну сторону и поэтому не скомпенсированы. Эти электроны усиливают магнитное поле вокруг атомов. Так как соседние атомы обмениваются валентными электронами, то магнитные моменты этих атомов располагаются параллельно. В результате этого вокруг кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно (спонтанно) намагниченные области размером 10-2 – 10-4 см. Эти области называются доменами. Внутри домена возникает сильное магнитное поле вследствие того, что магнитные моменты всех его молекул направлены одинаково. В отсутствие внешнего магнитного поля домены в ферромагнетике расположены хаотически, их векторы магнитных моментов ориентированы совершенно беспорядочно, так, что суммарный магнитный момент всего кристалла равен нулю (рис. 3.37,а). Когда ферромагнетик помещают во внешнее магнитное поле, то его домены начинают ориентироваться по направлению поля до тех пор, пока магнитные моменты всех доменов не оказываются направленными по линиям индукции внешнего поля, усиливая его во много раз (рис. 3.37,б). Это явление называется магнитным насыщением — с увеличением магнитной индукции внешнего поля В магнитная индукция практически остается постоянной. б a Рис.3.37 Для характеристики явления намагничивания вещества (образования в веществе внутреннего магнитного поля) вводят величину I — намагничивание вещества. Намагничивание определяется формулой: I = В — В 0 = В0 — В0 = (— 1) • В0, где  — магнитная проницаемость вещества, В0 — индукция магнитного поля в вакууме, В — индукция магнитного поля в веществе, В =В0. В отличие от пара- и диамагнетиков, для которых намагничивание I пропорционально индукции В0 магнитного поля в вакууме, для ферромагнетиков намагничивание является сложной нелинейной функцией В0. Зависимость I от B0 величины  0 называется технической кривой намагничивания, 0— магнитная постоянная (можно выражать зависимостью магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н) (рис. 38а). 13 В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 0 0 0 Рис. 3.38 На кривой видно явление магнитного насыщения: намагничивание остается постоянным (или магнитная индукция вещества), начиная с некоторого» значения B0 H внешнего намагничивающего поля  0 . IH — намагничивание насыщения. Как уже говорилось, магнитная проницаемость ферромагнетиков зависит от индукции магнитного поля В0, в котором находится вещество. Ход кривой намагничивания можно объяснить тем, что с увеличением индукции внешнего поля идет намагничивание доменов ферромагнетика по направлению этого поля, пока не наступит магнитное насыщение. Если же теперь начать уменьшать индукцию внешнего поля, то ферромагнетик начнет размагничиваться, намагничивание/ начнет уменьшаться, но медленнее, чем оно нарастало. Это явление получило название магнитного гистерезиса (от греческого hysteresis — отставание следствия от его причины). Магнитным гистерезисом ферромагнетика называют отставание изменения величины намагничивания от изменения внешнего магнитного поля, в котором находится ферромагнитное вещество. При В0 = 0 ферромагнетик остается намагниченным (рис. 3.39). В отсутствие внешнего поля ферромагнитное вещество сохраняет остаточное намагничивание 1R, т.к. у него существует собственное магнитное поле. Чтобы его полностью размагнитить, необходимо изменить направление внешнего поля, причем при некотором значении магнитной индукции Вок B0 k  0 называется намагничивание тела I становится равным нулю. Величина коэрцитивной силой. При периодическом перемагничивании ферромагнетика переменным магнитным полем кривая намагничивания образует замкнутую, симметричную относительно точки О кривую, которую называют петлей гистерезиса, что и представлено на рисунке. 14 В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 Рис. 3.39 Коэрцитивная сила и форма петли гистерезиса характеризуют свойства ферромагнетика сохранять остаточное намагничивание и определяют тем самым их использование. Ферромагнитные вещества с широкой петлей гистерезиса (с большой площадью петли) называются жесткими магнитными материалами. К ним относятся углеродистые, вольфрамовые, хромовые и другие стали. Для этих материалов характерна большая коэрцитивная сила, и поэтому их используют для создания постоянных магнитов различной формы. Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительных приборах, громкоговорителях и телефонах, звукозаписывающих аппаратах. Вещества с узкой петлей гистерезиса и с малой коэрцитивной силой называют мягкими магнитными материалами. Например, железо и сплавы железа с никелем используют для изготовления сердечников трансформаторов, генераторов и других устройств, по условиям работы которых в переменных магнитных полях происходит перемагничивание. Сердечники из мягкой стали используют в устройстве электромагнитов, которые можно намагничивать и размагничивать, включая и выключая ток в обмотке. Сами электромагниты используют в подъемных кранах, в телефоне, электродвигателях, в генераторах, в электромагнитном реле, в измерительных приборах и т.д. Широкое применение получили ферриты (от латинского ferrum — железо) — ферромагнитные материалы с очень маленькой площадью петли гистерезиса. К ним относятся химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ, а также магнитный железняк. Особенностью ферритов является то, что они не проводят электрического тока и их применение позволяет уменьшить потери энергии на перемагничивание. При периодическом перемагничивании ферромагнетики нагреваются, т.к. энергия, затраченная на перемагничивание (перемагничивание связано с поворотом доменов — областей самопроизвольного намагничивания), превращается во внутреннюю энергию вещества. Причем количество теплоты, выделяющейся при перемагничивании, пропорционально площади петли гистерезиса. 15 В.Л. Токарев. Физические основы защиты информации. Лекция 3 Опыты показывают, что магнитные свойства ферромагнитных веществ зависят от температуры: при достаточно большой температуре ферромагнитные свойства исчезают и он превращается в парамагнетик. Температуру, при которой происходит такое превращение, называют температурой (точкой) Кюри, по имени французского ученого Пьера Кюри (1859-1906), открывшего это явление. Например, температура Кюри у кобальта 1130°С, у железа 770°С, а для пермаллоя — 70°С. Если это вещество охладить, то оно снова превращается в ферромагнетик. У ферромагнетиков есть еще одно важное свойство: при перемагничивании они изменяют свой объем, т.е. деформируются. Это свойство называют магнитострикцией и используют для получения ультразвуковых колебаний с частотами до 100 кГц. Величина магнитострикционного эффекта зависит не от направления поля, а только от природы ферромагнетика и напряженности магнитного поля. Например, у железа в слабом поле наблюдается удлинение вдоль поля, у никеля, наоборот, укорочение. Решите следующие задачи 3.1. Электрическая цепь, состоящая из источника ЭДС и сопротивления R=3 Ом, расположена перпендикулярно силовым линиям магнитного поля с индукцией В=210-2 тл (см. рисунок). Определить силу, действующую на проводник АВ. ЭДС источника тока Е=60 В, внутреннее сопротивление r=1 Ом, длина проводника АВ=0,5 м. R E A B B 3.3. Два длинных параллельных провода находятся на расстоянии а=5 см один от другого. Найти напряженность Н магнитного поля в точке А, находящейся на расстоянии r1 = 4 см от одного и г2=3 см от другого провода, если по проводам текут одинаковые токи силой I =12 A: а) в одном направлении, б) в противоположных направлениях. 3.11. 16