- •К выполнению курсового проекта «Расчет магнитного захвата (держателя) с управляемыми постоянными магнитами»
- •1. Магнитные свойства твердых тел.
- •1.1. Классификация магнетиков
- •1.2. Природа диамагнетизма
- •1.3. Природа парамагнетизма
- •1.4. Диамагнетизм и парамагнетизм твердых тел
- •1.5. Ферромагнетизм. Молекулярное поле вейсса
- •1.6. Опыт дорфмана
- •1.7. Обменное взаимодействие и его роль в возникновении ферромагнетизма
- •1.8. Спиновые волны
- •1.9. Антиферромагнетизм и ферримагнетизм
- •1.10. Ферромагнитные домены
- •1.11. Магнитный резонанс
- •Расчет магнитного захвата (держателя) с управляемыми постоянными магнитами.
- •1. Принцип работы упм.
- •2. Расчет упм.
- •Результаты расчета должны быть сведены в таблицу
- •347360, Волгодонск, ул. Ленина, 73/94
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Южно-Российский государственный технический университет
(Новочеркасский политехнический институт)
____________________________________________________
ВОЛГОДОНСКий ИНСТИТУТ(ф) юргту (нпи)
В.И. Ратушный, А.Е.Христенко,
Н. В. Литвин, В. Г. Пашкова
Методические указания
К выполнению курсового проекта «Расчет магнитного захвата (держателя) с управляемыми постоянными магнитами»
по дисциплине
«Физика твердого тела»
Новочеркасск 2004
УДК 539.2 (076.5)
ББК
М 54
Рецензент: канд. техн. наук А.М. Семенцев
В.И. Ратушный, А.Е.Христенко, Н. В. Литвин, В. Г. Пашкова
М 54 Расчет магнитного захвата (держателя) с управляемыми постоянными магнитами: Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «ФТТ» / Волгодонский ин-т Юж.-Рос. гос. техн. ун-та (НПИ). – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2004 – 55 с.
Даны методические указания к выполнению курсового проекта по курсу «Физика твердого тела». Приводятся необходимые теоретические пояснения, порядок и последовательность выполнения работы. Методические указания предназначены для студентов специальности 200100 «Микроэлектроника и твердотельная электроника»
УДК 539.2 (076.5)
ББК
© Волгодонский институт Южно-Российского
государственного технического университета
(Новочеркасского политехнического
института), 2004
© В.И. Ратушный, А.Е.Христенко,
Н. В. Литвин, В. Г. Пашкова, 2004
1. Магнитные свойства твердых тел.
1.1. Классификация магнетиков
Термин «магнетики» применяется ко всем веществам при рассмотрении их магнитных свойств. Одной из основных характеристик любого магнетика является намагниченность , представляющая собой магнитный момент единичного объема:
. (1.1)
Намагниченность является величиной векторной. Она возрастает с увеличением индукции (или напряженности ) магнитного поля:
. (1.2)
З десь Гн/м — магнитная постоянная. Величина , получившая название относительной магнитной проницаемости среды, показывает, во сколько раз магнитная индукция поля в данной среде больше, чем магнитная индукция в вакууме. Величину называют магнитной восприимчивостью. Для многих веществ и , являются скалярами.
Рис. 1.1. Зависимость от для парамагнетиков (1) и диамагнетиков (2)
Магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и отрицательной. Если , то вектор антипараллелен вектору . Магнетики, обладающие таким свойством, называют диамагнетиками. При вектор параллелен вектору . Магнетики, обладающие таким свойством, называют парамагнетиками. В большинстве случаев по модулю магнитные восприимчивости парамагнетиков превышают магнитные восприимчивости диамагнетиков. Зависимость намагниченности этих двух типов магнетиков от напряженности поля является линейной (рис. 1.1). Следует отметить, однако, что линейная зависимость для парамагнетиков наблюдается только в области слабых полей и при высоких температурах. В сильных полях и при низких температурах постепенно выходит на «насыщение». Как в диамагнетиках, так и в парамагнетиках в отсутствие магнитного поля намагниченность равна нулю.
Кроме диа- и парамагнетиков существует большая группа веществ, обладающих спонтанной намагниченностью, т. е. имеющих не равную нулю намагниченность даже в отсутствие магнитного поля. Эта группа магнетиков получила название ферромагнетиков. Для них зависимость является нелинейной функцией, и полный цикл перемагничивания описывается петлей гистерезиса (рис. 1.2). В этих веществах магнитная восприимчивость сама зависит от .
Магнитная индукция связана с напряженностью магнитного поля соотношением
. (1.3)
Рис. 1.2. Зависимость от для ферромагнетика при перемагничивании
Заметим, что в ряде веществ направления и не совпадают. В этом случае . является тензором. Далее мы будем рассматривать только изотропные материалы, для которых , — простое число. Обратим внимание на то, что относительная магнитная проницаемость , магнетиков — аналог диэлектрической проницаемости диэлектриков.
Для магнитной индукции можно записать
. (1.2)
Отсюда с учетом (1.2) и (1.3)получаем
(1.3)
Это тоже аналогично соответствующему выражению в теории диэлектриков.
Перейдем теперь к обсуждению природы диа-, пара- и ферромагнетизма. При этом отметим еще раз тот факт, что магнитную активность проявляют все тела без исключения. Следовательно, за магнитные свойства вещества ответственны элементарные частицы, входящие в состав любого атома. Такими частицами являются протоны, нейтроны и электроны. Опыт показывает, что магнитный момент ядра, состоящего из протонов и нейтронов, примерно на три порядка меньше магнитного момента электрона. Поэтому при обсуждении магнитных свойств твердых тел магнитными моментами ядер обычно пренебрегают. Не следует думать, однако, что ядерный магнетизм вообще не играет никакой роли. Имеется ряд явлений (например, ядерный магнитный резонанс), в которых эта роль чрезвычайно существенна.
Из курса атомной физики известно, что в результирующий магнитный момент свободного атома вносят вклад: а) спиновые магнитные моменты электронов; б) орбитальные магнитные моменты, связанные с движением электронов вокруг ядра. Спиновый и орбитальный магнитные моменты и связаны с соответствующими механическими моментами и гиромагнитными отношениями:
. (1.4)
Вследствие квантования механических моментов и квантованными оказываются и магнитные моменты. Квант магнитного момента равен магнетону Бора: . Полному механическому моменту атома, определяемому как векторная сумма , соответствует полный магнитный момент атома , проекции которого на направление поля определяются выражением . Здесь , — магнитное квантовое число; — фактор расщепления Ланде, называемый также -фактором. Для чисто спинового магнетизма —2, для чисто орбитального =l. У всех атомов и ионов, имеющих полностью заполненные электронные оболочки, результирующие спиновые и орбитальные магнитные моменты равны нулю. Вследствие этого равен нулю и полный магнитный момент. Атомы и ионы, обладающие недостроенными внутренними оболочками (переходные и редкоземельные элементы), а также содержащие нечетное число электронов в валентной оболочке, имеют отличный от нуля результирующий магнитный момент. Не равным нулю моментом обладает также атом кислорода, у которого имеется четное число электронов, но спиновые моменты двух из них не скомпенсированы.