Ферромагнетики и их применение

Помимо слабомагнитных веществ – диа- и парамагнетиков, – существуют еще сильномагнитные вещества, называемые ферромагнетиками. К их числу кроме железа принадлежат кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения и т.д. Ферромагнетизм присущ этим веществам только в кристаллическом состоянии. Намагниченность ферромагнетиков в огромное (до 10¹⁰) число раз превосходит намагниченность диа- и парамагнетиков. Магнитная проницаемость электротехнического железа, например, равна от 7000 до 40000 в зависимости от структуры, а для сплава супермаллоя – до 1000000. Важной особенностью ферромагнетиков является существование гистерезиса и остаточной намагниченности (в отсутствии внешнего магнитного поля), что делает возможным изготовление постоянных магнитов. Основы теории ферромагнетизма были созданы Я.И. Френкелем и В. Гейзенбергом (1928). Согласно этой теории при определенных условиях в кристаллах могут возникать т.н. обменные силы, которые заставляют магнитные моменты электронов выстраиваться параллельно друг другу. В результате возникают области спонтанного намагничивания (домены, ср. с 18.1). В пределах каждого домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны. Под действием внешнего магнитного поля моменты доменов поворачиваются как целое, устанавливаясь по направлению поля.

В последнее время большое значение приобрели полупроводниковые ферромагнетики – ферриты, отличающиеся заметными ферромагнитными свойствами и большим удельным электрическим сопротивлением (в миллиарды раз большим, чем у металлов). Ферриты применяются для изготовления постоянных магнитов, антенн, сердечников радиочастотных контуров, элементов оперативной памяти в вычислительной технике, для покрытия пленок в видеомагнитофонах и т.д.

 

Контрольные вопросы

1 Дайте определения вещества и поля.

2 В чем заключаются концепции дальнодействия и близкодействия? Каких взглядов на распространение взаимодействий придерживается современная наука?

3 Что такое электрическое поле? Чем создается электрическое поле и как оно обнаруживается?

4 Дайте определения напряженности и потенциала электростатического поля. Как они связаны между собой?

5 Что такое силовые линии поля? Эквипотенциальные поверхности? Под каким углом силовые линии гравитационного и электростатического полей пересекают эквипотенциальные поверхности?

6 Дайте определение магнитного поля. Чем создается магнитное поле и как оно обнаруживается?

7 Чем силовые линии электрического поля отличаются от силовых линий магнитного поля?

8 В чем заключается явление электромагнитной индукции?

9 Запишите закон Фарадея и дайте определения всех входящих в него величин.

10 Сформулируйте правило Ленца. С каким законом связано существование этого правила?

11 Сформулируйте основные выводы электромагнитной теории Максвелла.

12 На какие группы делятся все вещества по электрическим свойствам? По магнитным?

13 Дайте определения диэлектрической и магнитной проницаемостям вещества.

14 Опишите свойства сегнетоэлектриков.

15 Опишите свойства парамагнетиков и ферромагнетиков.

 

Колебания и волны. Оптические процессы

Гармонические колебания

Колебаниями называются движения или процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени. Колебательные процессы широко представлены в природе и технике: колебания маятника часов, гитарной струны, переменный электрический ток и т.д. По физической природе различают механические, электромагнитные и другие колебания.

Простейшим типом колебаний являются гармонические колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса (косинуса):

 

s=A sin(w t+ j₀).(2.7.1)

Важнейшие параметры колебаний:

A – амплитуда (максимальное значение колеблющейся величины);

Т – период (время, за которое совершается одно полное колебание);

ν – частота (количество колебаний в единицу времени);

w – круговая частота колебаний (w=2πν);

j=(w t+ j₀) – фаза колебаний (показывает долю, которую колеблющаяся величина в данный момент времени составляет от максимального значения).

Система, совершающая гармонические колебания, называется гармоническим осциллятором. Примером гармонических осцилляторов являются пружинный, физический маятник, колебательный контур и др. Колебания гармонического осциллятора описывается уравнением вида

 

. (2.7.2)

 

Решением дифференциального уравнения (2.7.2) является выражение (2.7.1).

Реальные свободные колебания всегда являются затухающими, т.к. энергия колебаний с течением времени уменьшается (расходуется на работу против силы трения, выделяется на активном сопротивлении в виде тепла и т.д.). Для получения в реальной системе незатухающих колебаний потери энергии необходимо компенсировать. Такая компенсация возможна с помощью какого – либо периодически действующего фактора, который в теории колебаний называется вынуждающей силой. Колебания в этом случае называются вынужденными. Явление резкого возрастания амплитуды колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к собственной частоте колебаний системы называется резонансом. Явление резонанса широко применяется в технике. В ряде случаев явление резонанса может быть вредным. Студентам предлагается разобраться в этом вопросе самостоятельно.

 

Волны. Упругие волны

Процесс распространения колебаний, периодический во времени и пространстве, называется волной. Если соответствующие волне колебания являются гармоническими, то волна называется гармонической (синусоидальной):

ζ =A sin(w t–kх+ j₀).(2.7.3)

 

Расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одной фазе, называется длиной волны λ. Длина волны равна расстоянию, на которое определенная фаза волны распространяется за период.

Геометрическое место точек, колеблющихся в одной фазе, называется волновой поверхностью. Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейших случаях они представляют собой параллельные плоскости (плоские волны) или концентрические сферы (сферические волны).

Волны бывают продольные и поперечные. В продольных волнах колебания происходят в направлении распространения волны, в поперечных волнах колебания перпендикулярны направлению распространения волны.

Среди большого разнообразия волн, встречающихся в природе и технике, выделяются следующие их типы: волны на поверхности жидкости, упругие волны и электромагнитные волны.

Процесс распространения колебаний в среде (твердой, жидкой или газообразной) называется упругой волной. Частицы среды, в которой распространяется волна, не вовлекаются волной в поступательное движение, они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. Упругие поперечные волны могут возникать лишь в среде, обладающей сопротивлением сдвигу. Поэтому в жидкой и газообразной средах возможно распространение только продольных волн. В твердой среде распространяются как продольные, так и поперечные волны.

Частными случаями упругих волн являются звуковые и сейсмические волны. Упругие волны, распространяющиеся в воздухе и имеющие частоту в пределах от 16 до 20000 Гц, достигнув уха человека или животных, вызывают ощущение звука и называются звуковыми (акустическими). Упругие волны с частотами меньшими 16 Гц называются инфразвуком, волны с частотами, бóльшими 20000 Гц, называются ультразвуком. Звуковые волны в газах и жидкостях могут быть только продольными, так как эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям сжатия (растяжения). В твердых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными. Это связано с тем, что твердые тела обладают упругостью по отношению к деформациям сжатия (растяжения) и сдвига.

Источником звука может быть всякое тело, колеблющееся в упругой среде со звуковой частотой. Так, в струнных инструментах источником звука является струна, соединенная с корпусом инструмента; в духовых инструментах – некоторый объем воздуха.

Большое значение в технике имеет ультразвук – упругие волны с частотами больше 20 кГц. Из-за малых длин волн ультразвуковые волны могут быть получены в виде строго направленных пучков. Ультразвук используется для направленной подводной сигнализации, определения глубин (гидролокатор, эхолот), для механической обработки очень твердых и очень хрупких тел, в медицине (диагностика, ультразвуковая хирургия, микромассаж тканей) и т.д. Существует целая отрасль техники – ультразвуковая дефектоскопия, позволяющая обнаруживать дефекты в изделиях по характерному рассеянию ультразвукового пучка.

Электромагнитные волны

Как уже отмечалось, существование электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью, – следует из электромагнитной теории Дж Максвелла и подтверждено экспериментально в опытах Г. Герца (раздел 2.6.6). Источником электромагнитных волн может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный ток.

Плоские электромагнитные волны описываются уравнениями

 

Е=Е ₀ cos(w t-kx+ j₀), H=H ₀ cos(w t-kx+ j₀), (2.7.4)

где Е ₀и Н ₀ – соответственно амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей, w – круговая частота волны, k= w/ v – волновое число,j₀ – начальные фазы колебаний в точках с координатой х =0. Колебания электрического и магнитного векторов происходят с одинаковой фазой.

Электромагнитная волна является поперечной: колебания векторов и происходят во взаимно перпендикулярных направлениях перпендикулярно вектору скорости распространения волны.

В вакууме скорость распространения электромагнитных волн совпадает со скоростью света. В веществе скорость распространения электромагнитных волн уменьшается. Показатель преломления среды n=c/v показывает, во сколько раз скорость электромагнитных волн в веществе меньше, чем в вакууме.

Электромагнитные волны обладают широким диапазоном частот (или длин волн λ =с/ ν ) и отличаются по способам генерации и свойствам. Различают радиоволны (λ = 10³–10^–4 м), световые волны (λ = 5×10^–4–10^–9 м), рентгеновское излучение (λ = 2×10^–9–6×10^–12 м) и γ-излучение (λ < 6×10^–12 м). Световые волны в диапазоне длин волн λ = 8×10^–7–4×10^–7 м воспринимается сетчаткой глаза человека и называются видимым светом.

Развитие представлений о природе света было длительным и трудным. Основные законы оптики известны еще с древних веков. Платон установил закон прямолинейного распространения света, Аристотель и Птолемей изучали преломление света. В XIII в. были изобретены параболические зеркала, в XVI в. – микроскоп, в XVII в. – зрительная труба. В конце XVII в. возникли две теории света – корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс). Согласно корпускулярной теории свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами и летящих по прямолинейным траекториям. Движение световых корпускул Ньютон подчинил законам механики.

Согласно волновой теории, развитой на основе аналогии световых и акустических явлений, свет представляет собой упругую волну, распространяющуюся в особой среде – эфире. Эфир заполняет все мировое пространство, пронизывает все тела и обладает упругостью и плотностью.

Обе теории света могли объяснить экспериментально наблюдаемые законы отражения и преломления света. XVIII век стал веком борьбы этих теорий. К началу XIX в. корпускулярная теория была полностью отвергнута и восторжествовала волновая теория. Однако всемирный эфир, обладающий механическими свойствами, обнаружить не удалось.

Наука о свете накапливала экспериментальные данные о связи оптических, электрических и магнитных явлений. В 70-х годах XIX в. Максвелл создал электромагнитную теорию, “упругий” эфир был заменен эфиром “электромагнитным”. Теория Максвелла не смогла объяснить процессов испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта и ряд других явлений. В начале XX в. была сформулирована квантовая теория света. Был сделан вывод о сложной природе света и его корпускулярно-волновом дуализме. Этот вопрос будет подробно рассмотрен в следующих параграфах.