1 / 41

Magnetyczne ABC - 1

Magnetyczne ABC - 1. podstawowe prawa ‘magnetyzmu’ - prawa Ampera i Gaussa oraz Maxwella. André-Marie Ampère 1820 (1 775 -18 36 ). James Clerk MAXWELL 1865 ( 1831-1879). Carl Friedrich G AUSS 1801 ( 1777-1855 ). Indukcja magnetyczna B. Indukcja magnetyczna B

langer
Download Presentation

Magnetyczne ABC - 1

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Magnetyczne ABC - 1 • podstawowe prawa ‘magnetyzmu’ - prawa Ampera i Gaussa oraz Maxwella André-Marie Ampère 1820(1775-1836) James Clerk MAXWELL 1865 (1831-1879) Carl Friedrich GAUSS 1801 (1777-1855)

  2. Indukcja magnetyczna B • Indukcja magnetyczna B • [B] = 1 T (tesla) 1 T = 10000 Gs (gauss) • B mierzona jest poprzez efekt siły Lorentza • FL = q v x B

  3. Pole magnetyczne H [H ] = 1 A/m H wyliczane formalnie wg. prawa Ampèr’a z natężenia prądu płynącego przez przewodnik. Cyrkulacja z H wokół przewodnika:

  4. Moment magnetyczny m Wirowy prąd generuje pole magnetyczne H Dla pętli o powierzchni S prąd o natężeniu i generuje pole określone jako generowane przez ‘dipol’ magnetyczny [m] = A m2

  5. Namagnesowanie M Namagnesowanie M jest gęstością momentu magnetycznego [M ] = A/m

  6. Związek między B i H B0 = μo ·H 0 ≡ 4π 10-7 H/m W próżni W obszarze zawierającej momenty magnetyczne o magnetyzacji M J = μo ·M B = J + B0= μr μo ·H μr – względna podatność magnetyczna

  7. Prawo Gaussa - definicja B Strumień indukcji magnetycznej B przez dowolną powierzchnię zamkniętą S jest zawsze równy zeru Równoważne prawa opisujące własności pola magnetycznego: 1) jest bezźródłowe - dla B nie ma ‘źródeł punktowych’ 2) linie sił pola magnetycznego są ciągłe – linie indukcji B tworzą zawsze krzywe zamknięte

  8. Uogólnione prawo Ampera – generacja B poprzez prąd oraz zmianę strumienia E Cyrkulacja z B po dowolnym konturze zamkniętym L jest proporcjonalna natężenia prądu przewodzenia i oraz szybkości zmian strumienia pola elektrycznego przez dowolną powierzchnię S rozpiętą na konturzeL. Uwaga: ważne dla próżni, gdzie B = mo H

  9. Prawo indukcji Faraday’a – generacja E dla zmiennego B Cyrkulacja pola elektrycznego E po konturze zamkniętym Ljest proporcjonalna do pochodnej po czasie ze strumienia indukcji B przez powierzchnię rozpiętą na tym konturze Prądy wirowe

  10. Magnetyzm materii – dwa pytania • Pytanie 1: • Co jest przyczyną ‘magnetyzmu’ ? • Co jest źródłem ‘pola magnetycznego’ ? • Odpowiedź: (według teorii klasycznej Ampèr’a) : Źródłem pola magnetycznego są wirowe prądy elektryczne płynące w materiale

  11. Pytanie 2 Dlaczego jedne materiały są a inne nie są ‘magnetyczne’ ? Odpowiedź: własności magnetyczne danej substancji zależą od natężenia zewnętrznego pola magnetycznego oraz od temperatury. Własności magnetyczne wynikają: - z występowania lokalnych momentów magnetycznych - ze sposobu zmiany konfiguracji momentów magnetycznych w przypadku występowania zewnętrznego pola magnetycznego, - ze sposobu zmiany konfiguracji tych momentów w funkcji temperatury .

  12. Magnetyczne ABC - 2 • magnetyzm elektronu i atomu • atom żelaza • dia- para i ferro-magnetyzm • magnetyzm monokryształu żelaza • struktura magnetyczna ferromagnetyka

  13. magnetyzm elektronu Magneton Bohra B = 9,27  10-24 J/ T s = ½, ‘model klasyczny’ magnetyzmu własnego elektronu: elektron to naładowana jednorodnie, nie przewodząca kula, która WIRUJE wokół własnej osi z momentem pędu Ls. Jaki duży prąd musi płynąć po orbicie kołowej o rozmiarach elektronu, aby wytworzyć µs? µs= i ·S ⇒ r ≈ 10 - 15 m, S = π R2≈ 3·10 – 30 m2 ⇒ i ≈ 3 ·10 - 6 A

  14. magnetyzm atomu • moment magnetyczny µl • I ≡ Q/ T = e ·f • f = częstość obiegu orbity • f = v/ 2πR • µl = I ·S = - ½ v R e • moment pędu dla ruchu orbitalnego pl= m v R ⇒ lħ • µl≡ - e/2 m ·pl m = 0, 1, 2,  atomu jest sumą momentów magnetycznych spinowych i orbitalnych poszczególnych elektronów

  15. Co wiemy o atomie żelaza ?

  16. Jak namagnesowany jest atom żelaza? • Za magnetyzm odpowiadają momenty spinowe 6 elektronów powłoki 3d, Wypadkowy orbitalny moment pędu tych elektronów jest równy zeru (L = 0). Dwa elektrony mają spiny ustawione antyrównolegle.Pozostałe cztery elektrony wytwarzają moment magnetyczny • = 2B(S(S+1))1/2. Dla S = 2 uzyskuje się wartość  = 4,9 B,, która jest bliska wartości doświadczalnej= 5,4 B

  17. Są trzy grupy materiałów magnetycznych • Podział ogólny wszystkich ciał ze względu zachowanie się stanu namagnesowania ciała w funkcji natężenia zewnętrznego pola magnetycznego na trzy grupy materiałów: • diamagnetyki • paramagnetyki • ferromagnetyki (antyferromagnetyki, ferrimagnetyki) • Charakterystyka ‘makroskopowa’ tych materiałów: Wzrost natężenia zewnętrznego B powoduje odpowiednio zmianę namagnesowania danego ciała.

  18. Trzy sposoby zachowania materiałów pod wpływem pola Efekt polaryzacji dipoli magnetycznych - w kierunku pola zewnętrznego wg zasady: dipol magnetyczny przyjmuje minimum energii, gdy µjest równoległy do B. Jak zmienia się namagnesowanie przy wzroście natężenia pola zewnętrznego ? 1) ma zwrot przeciwny (!!!!) i wzrasta ⇒ diamagnetyzm 2) ma zwrot zgodny i wzrasta ⇒ paramagnetyzm 3) ma zwrot zgodny i bardzo mocno wzrasta ⇒ ferromagnetyzm. Podatność magnetyczna ośrodka χ

  19. Diamagnetyki 1 • Wszystkie ciała są diamagnetykami !!! • 1846 Faraday ⇒ bryłka bizmutu jest ‘wypychana’ z pola magnetycznego, ‘dipol’ magnetyczny bizmutu ustawia się PROSTOPADLE do kierunku B0. • Efekt jest zasłaniany w paramagnetykach oraz ferromagnetykach • Namagnesowanie ‘przeciwne’ do przyczyny wynika z reguły Lentz’a, • UWAGA: Warunek wystąpienia – kompensowanie się momentów magnetycznych elektronów w atomach ⇒ zerowy wypadkowy µ atomu

  20. Diamagnetyki 2 • Indukują się takie zmiany w prędkości ruchu orbitalnego elektronów iż maleje µlw kierunku B0oraz wzrasta w kierunku przeciwnym do B0 Siła Lorentza Fb⇒ maleje prędkość kątowa ω oraz µl równoległy do B Siła Lorentza Fb ⇒ wzrasta prędkość kątowa ω oraz µl antyrównoległy do B

  21. Paramagnetyzm 1 • Dla molekuł o niezerowym momencie magnetycznym występuje porządkowanie zewnętrznym polem B0⇒ magnesowanie zaburzone ruchami termicznymi molekuł: wypadkowe M jest znacznie mniejsze od sumy wszystkich • Przykład: dla µ ≈ 10-23 A·m2, B = 1 T, T = 300 K Energie ‘termiczna’ UT i ‘ magnetyczna’ UB: UT = 3/2 k T≈ 6·10 –21 J; UB = 2 µ B≈ 2·10 –23 J (zmiana przy odwróceniu momentu o 1800) ⇒ UT≈ 300 UB

  22. Prawo Curie dla paramagnetyków • Prawo Curie (1895) : • M - namagnesowanie B – indukcja pola zewnętrznego, T - temperatura M < Mmax = µN / V. Próbka CrK(So4)2, B max ≈ 5 T, Halliday, Resnick

  23. Ferromagnetyki a) ferromagnetyk b) anty- ferromagnetyk c) ferrymagnetyk Efekt kwantowy ⇒ momenty magnetyczne ustawiają się spontanicznie RÓWNOLEGLE do kierunków ‘łatwego’ magnesowania w sieci. UWAGA: mogą wystąpić układy ‘antyferromagnetyka’ – z ustawieniami na przemian - MnO2 lub ferrymagnetka (mieszanina dwa różne rodzaje jonów magnetycznych) – ferryt Fe ++, Fe+++.

  24. Ferromagnetyzm - wyjaśnienie Oddziaływanie elektronów 3d ze zbliżonych sąsiednich atomów Energia oddziaływujących elektronów <H> < 0 dla J > 0

  25. Ferromagnetyzm innych materiałów Wartość momentów magnetycznych ( w jednostkach magnetonów Bohra) dla jednego atomu w ferromagnetycznych stopach na bazie żelaza, niklu i kobaltu w funkcji liczby elektronów przypadającej na jeden atom

  26. Struktura domenowa - kompromis Podział kryształu na domeny magnetyczne obniżający energię wewnętrzną Struktura domenowa monokryształu żelaza

  27. Przykłady struktur domenowych - Fe

  28. Stuktura domenowa Fe detale Fe ,D = 135 m J, Degauque, B. Astie; phys. stat. sol. (a), 74 (1982) 201-210

  29. Struktury ferryt-perlite M. G. Hetherington at all, „High-voltage Lorentz electron microscopy studies of domain structures and magnetization process in pearlitic steel”; Phil. Mag.B, 56, (5), (1987) 561-577

  30. granice domen i odkształcenia magnetostrykcyjne atomy żelaza magnesowane w kierunku łatwego magnesowania <100> oddalają się od siebie o względną wartość 100 = 20,7 ·10-6 Zwiększeniu odległości wzdłuż kierunku <100> towarzyszy zmniejszenie odległości w kierunku doń prostopadłym o wartość równą połowie stałej 100.

  31. Proces magnesowania • efekty histerezowe (HBN, MAE) • wpływ naprężeń na magnesowanie

  32. Wpływ pola magnetycznego na strukturę magnetyczną Ruch granicy domenowej Obrót magnetyzacji Pętla histerezy B(H)

  33. Magnesowanie - Fe Ruch granicy domenowej

  34. Ruch granicy domenowej – pokonywanie defektów Kierunek ruchu granicy [Electronic Materials]

  35. Magnesowanie Fe-Si Fe-Si (stal transformatorowa) rozmiar rzędu mm, technika Kerra; http://www.wondermagnet.com/dev/images/dipole1.jpg

  36. Skok granicy domenowej Ruch granicy domenowej nie jest utrudniony przez defekty sieci Skok Barkhausena: odkotwiczenie granicy domenowej od defektu i jej ruch z prędkością dźwięku przez odcinek (bc) 1- W(x) gęstość energii granicy domenowej 2 g(x) – gradient gęstości energii

  37. Skutki skoku Barkhausena • lokalna zmiana namagnesowania i odkształceń sieci krystalograficznej b)generowanie fali elektromagnetycznej c)generowanie fali akustycznej

  38. Efekt Barkhausena 1919 Ruch granicy domenowej jest skokowy - Skok Barkhausena. Skokowa zmiana lokalnego namagnesowania indukuje impuls napięciowy w cewce detekcyjnej

  39. Efekt Barkhausena http://www.ien.it/~durin/bk_intro.html#Freq

  40. Emisja magnetoakustyczna EMA

More Related