Намагничивание

Физическая величина, плотность магнитного момента по объему

В классическом электромагнетизме намагниченность — это векторное поле , выражающее плотность постоянных или индуцированных магнитных дипольных моментов в магнитном материале. Соответственно, физики и инженеры обычно определяют намагниченность как величину магнитного момента на единицу объема. ^[1] Она представлена ​​псевдовектором M. Намагниченность можно сравнить с электрической поляризацией , которая является мерой соответствующей реакции материала на электрическое поле в электростатике .

Намагничивание также описывает, как материал реагирует на приложенное магнитное поле , а также как материал изменяет магнитное поле, и может использоваться для расчета сил , возникающих в результате этих взаимодействий.

Источником магнитных моментов, ответственных за намагничивание, могут быть либо микроскопические электрические токи , возникающие в результате движения электронов в атомах , либо спин электронов или ядер. Чистая намагниченность возникает в результате реакции материала на внешнее магнитное поле .

Парамагнитные материалы имеют слабую индуцированную намагниченность в магнитном поле, которая исчезает при удалении магнитного поля. Ферромагнитные и ферримагнитные материалы имеют сильную намагниченность в магнитном поле и могут быть намагничены до намагниченности в отсутствие внешнего поля, становясь постоянным магнитом . Намагниченность не обязательно однородна в пределах материала, но может меняться в разных точках.

Определение

Поле намагничивания или М -поле можно определить по следующему уравнению: $${\displaystyle \mathbf {M} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {m} }{\mathrm {d} V}}}$$

Где - элементарный магнитный момент , а - элемент объема ; другими словами, M -поле - это распределение магнитных моментов в рассматриваемой области или многообразии . Это лучше проиллюстрировать с помощью следующего соотношения: где m - обычный магнитный момент, а тройной интеграл обозначает интегрирование по объему. Это делает M -поле полностью аналогичным полю электрической поляризации , или P -полю, используемому для определения электрического дипольного момента p, создаваемого подобной областью или многообразием с такой поляризацией: где - элементарный электрический дипольный момент. ${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {m} }$ ${\displaystyle \mathrm {d} V}$ $${\displaystyle \mathbf {m} =\iiint \mathbf {M} \,\mathrm {d} V}$$ $${\displaystyle \mathbf {P} ={\mathrm {d} \mathbf {p} \over \mathrm {d} V},\quad \mathbf {p} =\iiint \mathbf {P} \,\mathrm {d} V,}$$ ${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {p} }$

Определения P и M как «моментов на единицу объема» широко приняты, хотя в некоторых случаях они могут приводить к двусмысленностям и парадоксам. ^[1]

Магнитное поле измеряется в амперах на метр (А/м) в единицах СИ . ^[2]

В уравнениях Максвелла

Поведение магнитных полей ( B , H ), электрических полей ( E , D ), плотности заряда ( ρ ) и плотности тока ( J ) описывается уравнениями Максвелла . Роль намагниченности описана ниже.

Отношения между B, H и M

Намагниченность определяет вспомогательное магнитное поле H как

${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{0}(\mathbf {H+M} )}$( величины СИ )

${\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {H} +4\pi \mathbf {M} }$( Гауссовы величины )

что удобно для различных расчетов. Проницаемость вакуума μ ₀ приблизительно равна4π × 10 ⁻⁷  В · с /( А · м ).

Связь между M и H существует во многих материалах. В диамагнетиках и парамагнетиках связь обычно линейная:

${\displaystyle \mathbf {M} =\chi \mathbf {H} ,\,\mathbf {B} =\mu \mathbf {H} =\mu _{0}(1+\chi )\mathbf {H} ,}$

где χ называется объемной магнитной восприимчивостью , а μ называется магнитной проницаемостью материала. Магнитная потенциальная энергия на единицу объема (т.е. плотность магнитной энергии ) парамагнетика (или диамагнетика) в магнитном поле равна:

${\displaystyle -\mathbf {M} \cdot \mathbf {B} =-\chi \mathbf {H} \cdot \mathbf {B} =-{\frac {\chi }{1+\chi }}{\frac {\mathbf {B} ^{2}}{\mu _{0}}},}$

отрицательный градиент которого представляет собой магнитную силу , действующую на парамагнетик (или диамагнетик) на единицу объема (т.е. плотность силы).

В диамагнетиках ( ) и парамагнетиках ( ), как правило , , и поэтому . ${\displaystyle \chi <0}$ ${\displaystyle \chi >0}$ ${\displaystyle |\chi |\ll 1}$ ${\displaystyle \mathbf {M} \approx \chi {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}}$

В ферромагнетиках нет однозначного соответствия между M и H из-за магнитного гистерезиса .

Магнитная поляризация

В качестве альтернативы намагниченности можно определить магнитную поляризацию , I (часто используется символ J ^{, чтобы не путать его с плотностью тока). [3]}

${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {H} +\mathbf {I} }$( единицы СИ ).

Это по прямой аналогии с электрической поляризацией , Магнитная поляризация, таким образом, отличается от намагничивания на коэффициент μ ₀ : ${\displaystyle \mathbf {D} =\varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P} }$

${\displaystyle \mathbf {I} =\mu _{0}\mathbf {M} }$( единицы СИ ).

В то время как намагниченность измеряется в амперах/метрах, магнитная поляризация измеряется в теслах.

Ток намагничивания

Когда микроскопические токи, вызванные намагничиванием (черные стрелки), не уравновешиваются, в среде возникают связанные объемные токи (синие стрелки) и связанные поверхностные токи (красные стрелки).

Намагниченность M вносит вклад в плотность тока J , известную как ток намагничивания. ^[4]

${\displaystyle \mathbf {J} _{\mathrm {m} }=\nabla \times \mathbf {M} }$

и для связанного поверхностного тока :

${\displaystyle \mathbf {K} _{\mathrm {m} }=\mathbf {M} \times \mathbf {\hat {n}} }$

так что общая плотность тока, входящая в уравнения Максвелла, определяется выражением

${\displaystyle \mathbf {J} =\mathbf {J} _{\mathrm {f} }+\nabla \times \mathbf {M} +{\frac {\partial \mathbf {P} }{\partial t}}}$

где J _f — плотность электрического тока свободных зарядов (также называемая свободным током ), второй член — вклад намагниченности, а последний член связан с электрической поляризацией P.

Магнитостатика

При отсутствии свободных электрических токов и зависящих от времени эффектов уравнения Максвелла, описывающие магнитные величины, сводятся к следующему:

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {\nabla \times H} &=\mathbf {0} \\\mathbf {\nabla \cdot H} &=-\nabla \cdot \mathbf {M} \end{aligned}}}$

Эти уравнения можно решить по аналогии с электростатическими задачами, где

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {\nabla \times E} &=\mathbf {0} \\\mathbf {\nabla \cdot E} &={\frac {\rho }{\epsilon _{0}}}\end{aligned}}}$

В этом смысле −∇⋅ M играет роль фиктивной «плотности магнитного заряда», аналогичной плотности электрического заряда ρ ; (см. также размагничивающее поле ).

Динамика

Зависимое от времени поведение намагничивания становится важным при рассмотрении намагничивания в наномасштабе и наносекундном масштабе времени. Вместо того, чтобы просто выравниваться с приложенным полем, отдельные магнитные моменты в материале начинают прецессировать вокруг приложенного поля и приходят в выравнивание посредством релаксации, когда энергия передается в решетку.

Обратный ход

Перемагничивание, также известное как переключение, относится к процессу, который приводит к переориентации вектора намагниченности на 180° (дуга) относительно его первоначального направления, от одной устойчивой ориентации к противоположной. Технологически это один из важнейших процессов в магнетизме , который связан с процессом магнитного хранения данных , например, используемым в современных жестких дисках . ^[5] Как известно сегодня, существует всего несколько возможных способов перемагничивания металлического магнита:

1. приложенное магнитное поле ^[5]
2. Инжекция спина через пучок частиц со спином ^[5]
3. перемагничивание циркулярно поляризованным светом ; ^[6] т.е. падающее электромагнитное излучение, которое имеет циркулярную поляризацию

Размагничивание

Размагничивание — это уменьшение или устранение намагниченности. ^[7] Один из способов сделать это — нагреть объект выше его температуры Кюри , где тепловые флуктуации имеют достаточно энергии, чтобы преодолеть обменные взаимодействия , источник ферромагнитного порядка, и разрушить этот порядок. Другой способ — вытащить его из электрической катушки с переменным током, проходящим через него, создавая поля, которые противодействуют намагниченности. ^[8]

Одним из применений размагничивания является устранение нежелательных магнитных полей. Например, магнитные поля могут мешать работе электронных устройств, таких как мобильные телефоны или компьютеры, а также обработке на станках, заставляя стружку прилипать к своему основному материалу. ^[8]

Смотрите также

• Магнитометр
• Орбитальное намагничивание

Ссылки

1. CA Gonano; RE Zich; M. Mussetta (2015). «Определение поляризации P и намагниченности M, полностью соответствующее уравнениям Максвелла» (PDF) . Progress in Electromagnetics Research B. 64 : 83–101. doi : 10.2528/PIERB15100606 .
2. "Единицы измерения магнитных свойств" (PDF) . Lake Shore Cryotronics, Inc. Архивировано из оригинала (PDF) 2019-01-26 . Получено 2015-06-10 .
3. Фрэнсис Бриггс Силсби (1962). Системы электрических единиц. Министерство торговли США, Национальное бюро стандартов.
4. А. Герчинский (2013). «Связанные заряды и токи» (PDF) . Американский журнал физики . 81 (3): 202–205. Bibcode : 2013AmJPh..81..202H. doi : 10.1119/1.4773441.
5. Stohr, J.; Siegmann, HC (2006), Магнетизм: от основ к наномасштабной динамике , Springer-Verlag, Bibcode :2006mffn.book.....S
6. Станчу, CD и др. (2007), Physical Review Letters , т. 99, стр. 217204, doi : 10.1103/PhysRevLett.99.217204, hdl : 2066/36522 , PMID  18233247, S2CID  6787518
7. "Магнитная компонентная инженерия". Магнитная компонентная инженерия. Архивировано из оригинала 17 декабря 2010 г. Получено 18 апреля 2011 г.
8. "Размагничивание". Введение в магнитопорошковый контроль . Центр ресурсов NDT . Получено 18 апреля 2011 г.