Die magnetische Permeabilität ist unterschiedlich verschiedene Umgebungen und hängt von seinen Eigenschaften ab, daher ist es üblich, über die magnetische Permeabilität eines bestimmten Mediums (d. h. seine Zusammensetzung, seinen Zustand, seine Temperatur usw.) zu sprechen.

Im Fall eines homogenen isotropen Mediums beträgt die magnetische Permeabilität μ:

μ = V/(μ o N),

In anisotropen Kristallen ist die magnetische Permeabilität ein Tensor.

Die meisten Stoffe werden entsprechend ihrer magnetischen Permeabilität in drei Klassen eingeteilt:

• diamagnetische Materialien ( μ < 1 ),
• Paramagnete ( μ > 1 )
• Ferromagnete (mit ausgeprägteren magnetischen Eigenschaften wie Eisen).

Die magnetische Permeabilität von Supraleitern ist Null.

Die absolute magnetische Permeabilität von Luft entspricht ungefähr der magnetischen Permeabilität von Vakuum und wird in technischen Berechnungen gleich angenommen 4π 10 -7 Gn/m

μ = 1 + χ (in SI-Einheiten);

μ = 1 + 4πχ (in GHS-Einheiten).

Magnetische Permeabilität des physikalischen Vakuums μ =1, da χ=0.

Die magnetische Permeabilität gibt an, wie viel Mal die absolute magnetische Permeabilität ist dieses Materials größer als die magnetische Konstante, d. h. wie viel Mal das Magnetfeld von Makroströmen ist N wird durch das Feld der Mikroströme in der Umgebung verstärkt. Die magnetische Permeabilität von Luft und den meisten Stoffen, mit Ausnahme ferromagnetischer Materialien, liegt nahe bei Eins.

Abhängig von den spezifischen Anwendungen des magnetischen Materials werden in der Technik verschiedene Arten der magnetischen Permeabilität verwendet. Die relative magnetische Permeabilität gibt an, wie oft sich in einem bestimmten Medium die Wechselwirkungskraft zwischen Drähten und Strom im Vergleich zum Vakuum ändert. Numerisch gleich dem Verhältnis der absoluten magnetischen Permeabilität zur magnetischen Konstante. Die absolute magnetische Permeabilität ist gleich dem Produkt aus magnetischer Permeabilität und magnetischer Konstante.

Diamagnete haben χμχ>0 und μ > 1. Je nachdem, ob μ von Ferromagneten in einem statischen oder magnetischen Wechselfeld gemessen wird, spricht man von statischer bzw. dynamischer magnetischer Permeabilität.

Die magnetische Permeabilität von Ferromagneten hängt in komplexer Weise davon ab N . Aus der Magnetisierungskurve eines Ferromagneten kann man die Abhängigkeit der magnetischen Permeabilität davon konstruieren N.

Magnetische Permeabilität, bestimmt durch die Formel:

μ = V/(μ o N),

sogenannte statische magnetische Permeabilität.

Sie ist proportional zum Tangens des Sekantenwinkels, der vom Ursprung durch den entsprechenden Punkt auf der Hauptmagnetisierungskurve gezogen wird. Grenzwert der magnetischen Permeabilität μ n bei Spannung Magnetfeld gegen Null tendiert, wird als anfängliche magnetische Permeabilität bezeichnet. Dieses Merkmal hat entscheidender Bedeutung bei der technischen Nutzung vieler magnetischer Werkstoffe. Sie wird experimentell in schwachen Magnetfeldern mit einer Stärke in der Größenordnung von 0,1 A/m bestimmt.

Das Magnetfeld der Spule wird durch den Strom und die Stärke dieses Feldes sowie die Feldinduktion bestimmt. Diese. Die Feldinduktion im Vakuum ist proportional zur Stärke des Stroms. Wenn in einer bestimmten Umgebung oder Substanz ein Magnetfeld erzeugt wird, dann beeinflusst das Feld die Substanz und verändert dadurch das Magnetfeld auf eine bestimmte Weise.

Ein Stoff, der sich in einem äußeren Magnetfeld befindet, wird magnetisiert und es entsteht in ihm ein zusätzliches inneres Magnetfeld. Es ist mit der Bewegung von Elektronen entlang intraatomarer Bahnen sowie um ihre eigene Achse verbunden. Die Bewegung von Elektronen und Atomkernen kann als elementare Kreisströme betrachtet werden.

Magnetische Eigenschaften elementare Kreisströme zeichnen sich durch ein magnetisches Moment aus.

In Abwesenheit eines externen Magnetfelds sind die Elementarströme im Inneren der Substanz zufällig (chaotisch) ausgerichtet und daher ist das gesamte oder gesamte magnetische Moment Null und das Magnetfeld der elementaren internen Ströme wird im umgebenden Raum nicht erfasst.

Der Einfluss eines äußeren Magnetfeldes auf Elementarströme in der Materie besteht darin, dass sich die Ausrichtung der Rotationsachsen geladener Teilchen ändert, sodass ihre magnetischen Momente in eine Richtung gerichtet sind. (in Richtung des äußeren Magnetfeldes). Intensität und Art der Magnetisierung verschiedener Stoffe im gleichen äußeren Magnetfeld unterscheiden sich erheblich. Die Größe, die die Eigenschaften des Mediums und den Einfluss des Mediums auf die Magnetfelddichte charakterisiert, wird als absolut bezeichnet magnetische Permeabilität oder magnetische Permeabilität des Mediums (μ Mit ) . Dies ist die Beziehung = . Gemessen [ μ Mit ]=Gn/m.

Die absolute magnetische Permeabilität eines Vakuums wird als magnetische Konstante bezeichnet μ Ö =4π 10 -7 H/m.

Man nennt das Verhältnis der absoluten magnetischen Permeabilität zur magnetischen Konstante relative magnetische Permeabilitätμ c /μ 0 =μ. Diese. Die relative magnetische Permeabilität ist ein Wert, der angibt, wie oft die absolute magnetische Permeabilität des Mediums größer oder kleiner als die absolute Permeabilität des Vakuums ist. μ ist eine dimensionslose Größe, die über einen weiten Bereich variiert. Dieser Wert bildet die Grundlage für die Einteilung aller Materialien und Medien in drei Gruppen.

Diamagnete . Diese Stoffe haben μ< 1. К ним относятся - медь, серебро, цинк, ртуть, свинец, сера, хлор, вода и др. Например, у меди μ Cu = 0,999995. Эти вещества слабо взаимодействуют с магнитом.

Paramagnete . Diese Stoffe haben μ > 1. Dazu gehören Aluminium, Magnesium, Zinn, Platin, Mangan, Sauerstoff, Luft usw. Luft = 1,0000031. . Diese Substanzen interagieren wie diamagnetische Materialien schwach mit einem Magneten.

Für technische Berechnungen wird μ von diamagnetischen und paramagnetischen Körpern gleich Eins angenommen.

Ferromagnete . Hierbei handelt es sich um eine besondere Stoffgruppe, die in der Elektrotechnik eine große Rolle spielt. Diese Stoffe haben μ >> 1. Dazu gehören Eisen, Stahl, Gusseisen, Nickel, Kobalt, Gadolinium und Metalllegierungen. Diese Stoffe werden von einem Magneten stark angezogen. Für diese Stoffe beträgt μ = 600-10.000. Bei einigen Legierungen erreicht μ Rekordwerte von bis zu 100.000. Zu beachten ist, dass μ für ferromagnetische Materialien nicht konstant ist und von der magnetischen Feldstärke, der Materialart und der Temperatur abhängt .

Der große Wert von µ in Ferromagneten erklärt sich aus der Tatsache, dass sie Bereiche spontaner Magnetisierung (Domänen) enthalten, in denen die elementaren magnetischen Momente auf die gleiche Weise gerichtet sind. Wenn sie gefaltet sind, bilden sie gemeinsame magnetische Momente der Domänen.

In Abwesenheit eines Magnetfelds sind die magnetischen Momente der Domänen zufällig ausgerichtet und summieren sich magnetisches Moment Körper oder Substanz ist Null. Unter dem Einfluss eines äußeren Feldes orientieren sich die magnetischen Momente der Domänen in eine Richtung und bilden ein gemeinsames magnetisches Moment des Körpers, das in die gleiche Richtung wie das äußere Magnetfeld gerichtet ist.

Diese wichtige Eigenschaft wird in der Praxis durch die Verwendung ferromagnetischer Kerne in Spulen genutzt, was es ermöglicht, die magnetische Induktion und den magnetischen Fluss bei gleichen Stromwerten und Windungszahlen stark zu erhöhen oder, mit anderen Worten, das Magnetfeld zu konzentrieren ein relativ kleines Volumen.

Magnetische Eigenschaften von Stoffen

So wie die elektrischen Eigenschaften eines Stoffes durch die Dielektrizitätskonstante charakterisiert werden, werden die magnetischen Eigenschaften eines Stoffes durch charakterisiert magnetische Permeabilität.

Da alle in einem Magnetfeld befindlichen Stoffe ihr eigenes Magnetfeld erzeugen, unterscheidet sich der magnetische Induktionsvektor in einem homogenen Medium vom Vektor am gleichen Punkt im Raum in Abwesenheit eines Mediums, also im Vakuum.

Die Beziehung heißt magnetische Permeabilität des Mediums.

In einem homogenen Medium ist die magnetische Induktion also gleich:

Der Wert von m für Eisen ist sehr groß. Dies kann durch Erfahrung bestätigt werden. Wenn Sie einen Eisenkern in eine lange Spule einführen, erhöht sich die magnetische Induktion gemäß Formel (12.1) um das m-fache. Folglich erhöht sich der magnetische Induktionsfluss um den gleichen Betrag. Wenn der Stromkreis geöffnet wird, der die Magnetisierungsspule mit Gleichstrom versorgt, entsteht in der zweiten, kleinen, über der Hauptspule gewickelten Spule ein Induktionsstrom, der von einem Galvanometer aufgezeichnet wird (Abb. 12.1).

Wird ein Eisenkern in die Spule eingesetzt, so ist die Auslenkung der Galvanometernadel beim Öffnen des Stromkreises m-mal größer. Messungen zeigen, dass sich der magnetische Fluss beim Einbringen eines Eisenkerns in die Spule um das Tausendfache erhöhen kann. Folglich ist die magnetische Permeabilität von Eisen enorm.

Es gibt drei Hauptklassen von Stoffen mit stark unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften: Ferromagnete, Paramagnete und diamagnetische Materialien.

Ferromagnete

Stoffe, bei denen wie Eisen m >> 1 ist, nennt man Ferromagnete. Neben Eisen sind Kobalt und Nickel ferromagnetisch, ebenso eine Reihe seltener Erdelemente und viele Legierungen. Die wichtigste Eigenschaft Ferromagnete – das Vorhandensein von Restmagnetismus in ihnen. Ein ferromagnetischer Stoff kann ohne ein äußeres Magnetisierungsfeld in einem magnetisierten Zustand sein.

Ein Eisengegenstand (zum Beispiel ein Stab) wird bekanntlich in ein Magnetfeld gezogen, das heißt, er bewegt sich in einen Bereich, in dem die magnetische Induktion größer ist. Dementsprechend wird es von einem Magneten oder Elektromagneten angezogen. Dies geschieht, weil die Elementarströme im Eisen so ausgerichtet sind, dass die Richtung der magnetischen Induktion ihres Feldes mit der Richtung der Induktion des magnetisierenden Feldes übereinstimmt. Dadurch verwandelt sich der Eisenstab in einen Magneten, dessen nächster Pol dem Pol des Elektromagneten entgegengesetzt ist. Gegensätzliche Magnetpole ziehen sich an (Abb. 12.2).

Reis. 12.2

STOPPEN! Entscheiden Sie selbst: A1–A3, B1, B3.

Paramagnete

Es gibt Stoffe, die sich wie Eisen verhalten, das heißt, sie werden von einem Magnetfeld angezogen. Diese Stoffe heißen paramagnetisch. Dazu gehören einige Metalle (Aluminium, Natrium, Kalium, Mangan, Platin usw.), Sauerstoff und viele andere Elemente sowie verschiedene Elektrolytlösungen.

Da Paramagnete in das Feld hineingezogen werden, sind die Induktionslinien des von ihnen erzeugten eigenen Magnetfelds und des Magnetisierungsfelds in die gleiche Richtung gerichtet, sodass das Feld verstärkt wird. Somit ist m > 1. Aber m weicht von Eins nur geringfügig ab, nur um einen Betrag in der Größenordnung von 10 –5 ...10 –6. Daher sind starke Magnetfelder erforderlich, um paramagnetische Phänomene zu beobachten.

Diamagnete

Eine besondere Stoffklasse sind diamagnetische Materialien, entdeckt von Faraday. Sie werden aus dem Magnetfeld verdrängt. Wenn Sie einen diamagnetischen Stab in die Nähe des Pols eines starken Elektromagneten hängen, wird er von diesem abgestoßen. Folglich sind die Induktionslinien des von ihm erzeugten Feldes den Induktionslinien des magnetisierenden Feldes entgegengesetzt gerichtet, d. h. das Feld wird geschwächt (Abb. 12.3). Dementsprechend gilt für diamagnetische Materialien m< 1, причем отличается от единицы на вели­чину порядка 10 –6 . Магнитные свойства у диамагнетиков вы­ражены слабее, чем у парамагнетиков.

Reis. 12.3

Reis. 12.4

Zu den Diamagneten zählen Wismut, Kupfer, Schwefel, Quecksilber, Chlor, Edelgase und fast alle organischen Verbindungen. Eine Flamme ist diamagnetisch, beispielsweise eine Kerzenflamme (hauptsächlich aufgrund von Kohlendioxid). Dadurch wird die Flamme aus dem Magnetfeld verdrängt (Abb. 12.4) .

Aus langjähriger technischer Praxis wissen wir, dass die Induktivität einer Spule stark von den Eigenschaften der Umgebung abhängt, in der sich die Spule befindet. Wenn einer Spule aus Kupferdraht mit einer bekannten Induktivität L0 ein ferromagnetischer Kern hinzugefügt wird, dann werden unter anderen vorherigen Umständen die Selbstinduktionsströme (zusätzliche Schließ- und Öffnungsströme) in dieser Spule um ein Vielfaches ansteigen, was durch Experimente bestätigt wird , was bedeutet, dass es um ein Vielfaches erhöht wird, was nun gleich L wird.

Experimentelle Beobachtung

Nehmen wir an, dass die Umgebung, die Substanz, die den Raum innerhalb und um die beschriebene Spule ausfüllt, homogen ist und durch den durch ihren Draht fließenden Strom erzeugt wird, nur in diesem bestimmten Bereich lokalisiert ist, ohne über dessen Grenzen hinauszugehen.

Wenn die Spule eine Toroidform hat, die Form eines geschlossenen Rings, dann wird dieses Medium zusammen mit dem Feld nur innerhalb des Spulenvolumens konzentriert, da außerhalb des Toroids fast kein Magnetfeld vorhanden ist. Diese Position gilt auch für eine lange Spule – einen Magneten, in dem sich alles befindet magnetische Linien sind auch im Inneren konzentriert - entlang der Achse.

Nehmen wir zum Beispiel an, dass die Induktivität eines bestimmten Stromkreises oder einer Spule ohne Kern im Vakuum gleich L0 ist. Dann für die gleiche Spule, aber in einer homogenen Substanz, die den Raum ausfüllt, in dem Magnetfelder vorhanden sind Stromleitungen Bei einer gegebenen Spule sei die Induktivität gleich L. In diesem Fall stellt sich heraus, dass das Verhältnis L/L0 nichts anderes ist als die relative magnetische Permeabilität der genannten Substanz (manchmal sagt man auch einfach „magnetische Permeabilität“).

Es wird deutlich: Die magnetische Permeabilität ist eine Größe, die die magnetischen Eigenschaften eines bestimmten Stoffes charakterisiert. Oft kommt es auf den Zustand der Substanz (und auf die Bedingungen) an Umfeld, wie Temperatur und Druck) und seine Art.

Den Begriff verstehen

Die Einführung des Begriffs „magnetische Permeabilität“ in Bezug auf einen Stoff, der sich in einem Magnetfeld befindet, ähnelt der Einführung des Begriffs „Dielektrizitätskonstante“ für einen Stoff, der sich in einem elektrischen Feld befindet.

Der Wert der magnetischen Permeabilität, bestimmt durch die obige Formel L/L0, kann auch als Verhältnis der absoluten magnetischen Permeabilität einer bestimmten Substanz und der absoluten Leere (Vakuum) ausgedrückt werden.

Es ist leicht zu erkennen: Die relative magnetische Permeabilität (auch magnetische Permeabilität genannt) ist eine dimensionslose Größe. Aber die absolute magnetische Permeabilität hat die Dimension H/m, die gleiche wie die magnetische Permeabilität (absolut!) des Vakuums (sie ist auch die magnetische Konstante).

Tatsächlich sehen wir, dass das Medium (Magnet) die Induktivität des Stromkreises beeinflusst, und dies zeigt deutlich, dass eine Änderung im Medium zu einer Änderung führt magnetischer FlussФ, das den Stromkreis durchdringt, und damit die Änderung der Induktion B, die an einem beliebigen Punkt des Magnetfelds angewendet wird.

Die physikalische Bedeutung dieser Beobachtung besteht darin, dass bei gleichem Spulenstrom (bei gleicher magnetischer Intensität H) die Induktion ihres Magnetfelds in einem Stoff mit magnetischer Permeabilität mu um eine bestimmte Anzahl (in manchen Fällen weniger) größer ist als in einem völligen Vakuum.

Dies geschieht, weil , und selbst beginnt, ein Magnetfeld zu haben. Stoffe, die sich auf diese Weise magnetisieren lassen, nennt man Magnete.

Die Maßeinheit für die absolute magnetische Permeabilität ist 1 GN/m (Henry pro Meter oder Newton pro Ampere im Quadrat), d. h. es handelt sich um die magnetische Permeabilität eines Mediums, bei dem bei einer magnetischen Feldstärke H von 1 A/m Es entsteht eine magnetische Induktion von 1 T.

Physikalisches Bild des Phänomens

Aus dem oben Gesagten wird das deutlich verschiedene Substanzen(Magnete) Unter dem Einfluss eines Magnetfeldes werden die Stromkreise magnetisiert, und das Ergebnis ist ein Magnetfeld, das die Summe der Magnetfelder ist – das Magnetfeld des magnetisierten Mediums plus des Stromkreises, also es unterscheidet sich in der Größe vom Feld nur des Stromkreises ohne Medium. Der Grund für die Magnetisierung von Magneten liegt in der Existenz winziger Ströme in jedem ihrer Atome.

Entsprechend dem Wert der magnetischen Permeabilität werden Substanzen in diamagnetische (weniger als eins – magnetisiert gegen das angelegte Feld), paramagnetische ( mehr als eine- magnetisiert in Richtung des angelegten Feldes) und Ferromagnete (viel größer als eins - magnetisiert und haben eine Magnetisierung, nachdem das angelegte Magnetfeld ausgeschaltet wurde).

Es ist charakteristisch für Ferromagnete, daher ist das Konzept der „magnetischen Permeabilität“ in seiner reinen Form nicht auf Ferromagnete anwendbar, aber in einem bestimmten Magnetisierungsbereich ist es mit einiger Näherung möglich, einen linearen Abschnitt der Magnetisierungskurve zu identifizieren, für den es gilt wird es möglich sein, die magnetische Permeabilität abzuschätzen.

Supraleiter haben eine magnetische Permeabilität von 0 (da das Magnetfeld vollständig aus ihrem Volumen verdrängt ist), und die absolute magnetische Permeabilität von Luft entspricht nahezu dem Vakuum (Mu) (magnetische Konstante). Für Luft ist der relative mu etwas größer als 1.