Магнетики. Объяснения пара-, диа- и ферро-магнетизма

Всякое вещество является магнетиком, т.е. оно способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться).

Магнитные свойства вещества определяют по тому, как эти вещества реагируют на внешнее магнитное поле и каким образом упорядочена их внутренняя структура. Исходя из этих параметров, все вещества можно разделить на такие группы. Парамагнетики диамагнетики антиферромагнетики ферромагнетики и ферримагнетики.

Диамагнетики это такие вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и при этом она не зависит от напряжённости магнитного поля. Отрицательная магнитная восприимчивость это когда к веществу подносят магнит а оно при этом отталкивается вместо того чтобы притягиваться. К ним относятся некоторые инертные газы, например водород азот достаточно много жидкостей воде нефть и ее продукты некоторые металлы медь серебро цинк. Также многие полупроводники кремний германий. То есть диамагнетики это вещества с ковалентными связями или находящиеся в сверхпроводящем состоянии.

У парамагнетиков также магнитная восприимчивость не зависит от напряжённости поля, но при этом она положительна. То есть если сблизить парамагнетик с постоянным магнитом, то возникнет сила притягивания. К таким магнетикам относятся, кислород окись азота некоторые металлы соли железе и кобальта.

Ферромагнетики обладают высокой положительной магнитной восприимчивостью. В отличие от предыдущих материалов магнитная восприимчивость у ферромагнетиков в значительной мере зависит от напряжённости магнитного поля и температуры.

Антиферромагнетики это вещества, у которых при нагревании происходит фазовый переход вещества, при котором появляются парамагнитные свойства. Ниже некоторой температуры эти свойств в веществе не наблюдаются. К таким веществам относятся хром марганец.

Ферримагнетики отличаются тем, что в них присутствует некомпенсированный антиферромагнетизм. Так же как и у ферромагнетиков, их магнитная восприимчивость зависит от напряжённости магнитного поля. Но при этом они имеют некоторые отличия. К таким веществам относятся разные оксидные соединения.

 

Токи смещения.

Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать и обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количественных отношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения. Рассмотрим цепь переменного тока, содержащую конденсатор. Между обкладками заряжающегося и разряжающегося конденсатора имеется переменное электрическое поле, поэтому, согласно Максвеллу, через конденсатор «протекают» токи смещения, причем в тех участках, где отсутствуют проводники.

Ток проводимости вблизи обкладок конденсатора

(поверхностная плотность заряда а на обкладках равна электрическому смещению D в конденсаторе. Подынтегральное выражение (д D / д t)d S, когда д D / д t и d S взаимно параллельны. Поэтому для обще­го случая можно записать

Сравнивая это выражение с I=Iсм = , имеем

Выражение и было названо Мак­свеллом плотностью тока смещения.
В диэлектриках ток смещения состоит из двух слагаемых. Так как, согласно, De=0E+P, где Е — напряжен­ность электростатического поля, а Р — поляризованность, то плотность тока смещения

Максвелл ввел понятие полного тока, равного сумме токов проводимости (а так­же конвекционных токов) и смещения. Плотность полного тока j_полн=j+ д D / д t.
Максвелл обобщил теорему о циркуля­ции вектора Н, введя в ее правую часть полный ток I_полн= сквозь поверхность S, натянутую на замк­нутый контур L. Тогда обобщенная теоре­ма о циркуляции вектора Н запишется в виде

Уравнения Максвелла.

Уравнения Максвелла играют в электродинамике покоящихся сред такую же роль, как и три закона Ньютона в механике или три начала в термодинамике. Различают уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах.

Уравнения Максвелла в интегральной форме (или полевые уравнения Максвелла)
1. Циркуляция вектора E вдоль произвольного замкнутого контура L равна потоку вектора ¶В/ ¶t через поверхность S, охватывающую этот контур, взятому с противоположным знаком, то есть

 

 

 

Физический смысл: переменное магнитное поле порождает вокруг себя вихревое электрическое поле.

2. Циркуляция вектора H вдоль произвольного замкнутого контура L равна потоку вектора j+¶D /¶t через поверхность S, охватывающую этот контур, то есть

Физический смысл: магнитное поле создаётся не только токами проводимости, но и изменяющимся во времени электрическим полем.

 3. Поток вектора D через произвольную замкнутую поверхность S, равен алгебраической сумме свободных электрических зарядов, находящихся внутри этой поверхности, то есть

Физический смысл: оно показывает, что источником электростатического поля являются свободные электрические заряды.

 4. Поток вектора B через произвольную замкнутую поверхность S, равен нулю, то есть

физический смысл: оно показывает, что в природе не существует магнитных зарядов.

Уравнения Максвелла в дифференциальной форме

Уравнения Максвелла в дифференциальной форме можно получить из интегральных уравнений с помощью двух теорем векторного анализа:

1). Теоремы Гаусса: Поток вектора A через произвольную замкнутую поверхность S, равен дивергенции этого вектора div A по объёму этой поверхности:

где  -дивергенция вектора A (то есть сумма частных производных соответствующих компонент вектора A по координатам).

Смысл этой теоремы в том, что поток любого произвольного вектора A можно при необходимости заменить интегралом по объёму дивергенции этого вектора.

2). Теоремы Стокса: Циркуляция вектора A вдоль произвольного замкнутого контура L равна потоку ротора вектора A через поверхность S, охватывающую этот контур:

 

Где -  -ротор вектора = A (то есть определитель второго порядка частных производных соответствующих компонент вектора A по координатам).

Смысл этой теоремы в том, что циркуляцию любого произвольного вектора A можно при необходимости заменить потоком ротора этого вектора.
Дивергенция вектора A div A и ротор вектора A rot A - это математические операторы.
Так вот, после некоторых математических преобразований уравнений Максвелла в интегральной форме можно получить следующие уравнения Максвелла в дифференциальной форме:

76. Электромагнитные волны.

Волна-это колебание, которое распространяется в пространстве.

У всякой волны есть точка волновой фронт-это геометрическое место точек, до которых к моменту времени t доходит волна.

Волновая поверхность - геометрическое место точек, совершающие колебание в одной фазе.

Y=Acos(w(t+-(x/V))+ϕ₀)
w(t - ) = wt -  =wt-kx

K =  =  =

 

E ꓕ H
H ꓕ V
E ꓕ V

Скорость электромагнитной волны

Энергия электромагнитной волны