PROPRIETĂŢILE MAGNETICE ALE SUBSTANŢEI. PERMEABILITATEA RELATIVĂ

19:03 0 Comments

Să ne amintim__________________________________________________________________________________________
Pentru a studia tema dată, să ne aducem aminte despre influenţa dielectricului asupra cîmpului electric în care este introdus. Ne imaginăm un condensator plan cu vid (aer) încărcat cu sarcina electrică q0. Notăm cu En intensitatea cîmpului electric dintre armături. Introducem în condensator un dielectric care umple tot spaţiul dintre armături. Toate sarcinile electrice ale dielectricului sînt sarcini legate, ele se pot deplasa doar în limitele moleculei (ale atomului). Sub influenţa cîmpului electric exterior se produce o rearanjare a sarcinilor legate, ele se deplasează întrucîtva spre armăturile cu sarcini de semne opuse ale condensatorului. Acest fenomen este cunoscut sub denumirea de polarizare a dielectricului. în consecinţă pe feţele dielectricului se află sarcinile electrice legate de semne opuse celor de pe armăturile învecinate ale condensatorului şi diminuează cîmpul electric al acestora. Respectiv, intensitatea cîmpului electric în dielectric E devine mai mică decît în vid (£„).
Mărimea fizică er care arată de cîte ori intensitatea cîmpului electric în vid este mai mare decît intensitatea cîmpului în acelaşi loc după introducerea dielectricului în el se numeşte permitivitatea relativă a E E
substanţei sr = sau E= —A In formă vectorială
E '
f=|k (î.n)
Evident, mărimea adimensională er>l.
Să analizăm influenţa substanţei asupra cîmpului magnetic în care este introdusă. Primul savant care a abordat această problemă a fost Ampere. El a pornit de la faptul că substanţa este formată din molecule (atomi) şi a admis că în ele există curenţi electrici circulari, numiţi curenţi moleculari, ale căror cîm- puri magnetice sînt similare celor ale unor bare magnetice minuscule (v.fig. 1.3).
Această ipoteză a lui Ampere a fost foarte îndrăzneaţă pentru timpul său, precedînd cu circa 90 de ani stabilirea modelului planetar al atomului, în conformitate cu acest model, în centrul atomului se află nucleul în care este localizată practic toată masa atomului şi este încărcat cu sarcină electrică pozitivă, iar în jurul lui se mişcă electronii. Din punct de vedere electric, această mişcare este
13
echivalentă cu existenţa unor curenţi electrici circulari elementari.
Pentru simplitate, admitem existenţa în moleculă (atom) doar a unui curent circular al cărui cîmp magnetic este echivalent cu cîmpul creat de toţi electronii ce se mişcă în moleculă. Acest curent este curentul molecular, a cărui intensitate se notează cu Avînd în vedere că în jurul nucleului se mişcă mai mulţi electroni, este posibilă situaţia în care intensitatea curentului molecular este nulă: Irn0,= 0.
Substanţele formate din molecule (atomi) în care există curenţi moleculari (Imol * 0) sînt numite para- magnetici, iar cele formate din molecule caracterizate de Imol = 0 sînt numite diamagnetici.
Să analizăm influenţa acestor substanţe asupra cîmpului magnetic în care sînt introduse.
Ne imaginăm un solenoid prin ale cărui spire circulă un curent electric de intensitate I0. Notăm cu B0 inducţia cîmpului magnetic din interiorul sole- noidului, al cărei sens se determină în conformitate cu regula burghiului (v. fig. 1.4). Menţionăm că în partea centrală a solenoidului cîmpul magnetic este aproximativ omogen (fig. 1.13). Introducem în interiorul solenoidului, coaxial cu el, un cilindru din substanţă paramagnetică. Cîmpul magnetic al solenoidului orientează „magneţii” moleculelor în sensul inducţiei B0, iar curenţii moleculari Inwl circulă în sensul curentului de intensitate /„ din spirele solenoidului (fig. 1.14). Distribuţia curenţilor într-o secţiune transversală a solenoidului şi a cilindrului paramag- netic este reprezentată în figura 1.15.
Observăm că în partea interioară a paramagne- ticului curenţii moleculari vecini circulă în sensuri opuse, iar la suprafaţa lui toţi curenţii au unul şi acelaşi sens - cel al curentului din solenoid. Inducţiile magnetice ale cîmpurilor respective au acelaşi sens, deci inducţia magnetică în paramagnetic B este mai mare în modul decît inducţia magnetică în vid B,n
adică ^ ^
, = (1.12)
unde pfara > 1.
Mărimea adimensională p, care arată de cîte ori inducţia magnetică în substanţă este mai mare în modul decît inducţia magnetică în vid, pînă la introducerea substanţei în locul dat, este numită permeabilitate relativă a substanţei. Paramagneţii amplifică cîmpul magnetic în care sînt introduşi.
Cu totul alta este situaţia în cazul substanţelor dia- magnetice. în lipsa cîmpului magnetic exterior, curenţii moleculari sînt nuli: Imol - 0. La introducerea acestor
molecule în cîmp magnetic exterior, mişcarea electronilor din ele se modifică astfel încît apar curenţi moleculari care circulă în sens contrar celui din spirele solenoidului. Ca rezultat inducţia cîmpului magnetic în diamagnetic este mai mică decît era în locul respectiv pînă la introducerea în el a substanţei. Astfel, pentru diamagnetici permeabilitatea relativă pfa< 1.
în tabelul de mai jos sînt incluse valorile permeabilităţii relative pentru cîteva substanţe.
Permeabilitatea relativă
Paramagneticul
Pr
Diamagneticul
Pr
Aluminiu
1,000023
Bismut
0,999824
Aer
1,00000038
Apă
0,999991
Oxigen
1,0000019
Cupru
0,999990
Wolfram
1,000176
Sticlă
0,999987
Din analiza tabelului constatăm că permeabilitatea relativă a acestor substanţe diferă foarte puţin de 1, prin urmare ele au proprietăţi magnetice nesemnificative.
Există cîteva metale - fierul (Fe), gadoliniul (Gd), cobaltul (Co), nichelul (Ni) - şi aliajele acestpra care sînt caracterizate de proprietăţi magnetice deosebite. Ele poartă numele de feromagnetici, deoarece fierul este cel mai răspîndit şi posedă proprietăţi mai pronunţate. Permeabilitatea relativă a lor are valori destul de mari, de pînă la pr = 8 000, adică de atîtea ori amplifică cîmpul magnetic şi acţiunile lui.
Feromagneticii se utilizează pe larg în electro- magneţi. Aceştia prezintă bobine de sîrmă izolată înfăşurată în unul sau mai multe straturi, în interiorul cărora se află un miez din substanţă feromag- netică. Substanţa se alege astfel încît la întreruperea curentului electric în bobine să dispară proprietatea de atracţie magnetică.
Electromagneţii au un domeniu vast de aplicabilitate, inclusiv în relee electromagnetice. Unele aplicaţii ale electromagneţilor vă sînt cunoscute de la orele de fizică din clasa a VUI-a.
Unele substanţe (aliaje) feromagnetice rămîn magnetizate şi atunci cînd intensitatea curentului în bobină devine nulă, adică rămîn magnetizate şi în lipsa cîmpului magnetic exterior. Această stare de magnetizare este numită remanentă. Ea este caracteristică pentru magneţii permanenţi. Vă sînt bine cunoscuţi magneţii în formă de bară sau de potcoavă şi acele magnetice folosite în busole.
Magneţii permanenţi sînt părţi componente ale unor aparate electrice de măsurat, de exemplu, ale celor magnetoelectrice. Ele reprezintă un magnet în formă de potcoavă, între ai cărui poli se poate roti uşor un
14
cadru (o bobină) parcurs(ă) de curentul măsurat (fig. 1.16). La polii magnetului sînt fixate capetele 1 prelucrate astfel incit între ele, cilindrul 2 şi bobina 3 să rămînă spaţii înguste. Pe axul bobinei este întărit acul indicator 4 şi capetele unor arcuri spiralate 5 care menţin bobina astfel încît o pereche de laturi ale ei să fie paralele liniilor de inducţie magnetică. Atunci cînd prin bobină circulă curent electric, în conductoarele din ea, situate paralel generatoarelor cilindrului, curenţii au sensuri opuse. Forţele ce acţionează asupra acestor conductoare din partea cîmpului magnetic la fel au sensuri opuse şi rotesc bobina pînă în poziţia în care aceste forţe electromagnetice sînt echilibrate de forţele elastice din arcurile spiralate. La o intensitate mai mare a curentului din bobină, forţele, deci şi unghiul de rotaţie a acului indicator, vor fi mai mari.
Aparatele de acest tip pot fi folosite numai la măsurători în curent continuu.
Fig. Li3 Fig. Li4
Fig. 1.15
Fig. 1.16
O Verifîcaţi-vă cunoştinţele
1. Care este sensul fizic al permeabilităţii relative a substanţei? Ce valori are ea pentru paramagnetici? diamagnetici? feromagnetici?
2. Ce subînţelegem prin magnetism remanent?
3. Ce proprietăţi trebuie să posede miezul unui electro- magnet?
4. Propuneţi construcţia unui aparat electric de măsurat în care ar fi folosită atracţia feromagnetului de bobina parcursă de curent electric.
5. Scrieţi un referat pe tema: „Aplicaţii practice ale electromagneţilor".