Намагниченность - Magnetization
Статьи о |
Электромагнетизм |
---|
В классическом электромагнетизме , намагниченность является векторным полем , которое выражает плотность постоянных или индуцированные магнитные дипольные моментов в магнитном материале. Движение в этом поле описывается направлением и может быть осевым или диаметральным. Источником магнитных моментов, ответственных за намагниченность, могут быть микроскопические электрические токи, возникающие в результате движения электронов в атомах , или спин электронов или ядер. Чистая намагниченность возникает в результате реакции материала на внешнее магнитное поле . Парамагнитные материалы имеют слабую наведенную намагниченность в магнитном поле, которая исчезает при удалении магнитного поля. Ферромагнетики и ферримагнетики обладают сильной намагниченностью в магнитном поле и могут быть намагничены для получения намагниченности в отсутствие внешнего поля, превращаясь в постоянный магнит . Намагниченность не обязательно является однородной внутри материала, но может варьироваться в разных точках. Намагничивание также описывает, как материал реагирует на приложенное магнитное поле, а также то, как материал изменяет магнитное поле, и может использоваться для расчета сил , возникающих в результате этих взаимодействий. Это можно сравнить с электрической поляризацией , которая является мерой соответствующей реакции материала на электрическое поле в электростатике . Физики и инженеры обычно определяют намагниченность как величину магнитного момента на единицу объема. Оно представлено в псевдовекторном М .
Определение
Поле намагничивания или М- поле можно определить в соответствии со следующим уравнением:
Где - элементарный магнитный момент, а - элемент объема ; другими словами, М- поле - это распределение магнитных моментов в рассматриваемой области или многообразии . Лучше всего это проиллюстрировать следующим соотношением:
где m - обычный магнитный момент, а тройной интеграл означает интегрирование по объему. Это делает M- поле полностью аналогичным полю электрической поляризации или P- полю, используемому для определения электрического дипольного момента p, генерируемого подобной областью или многообразием с такой поляризацией:
Где элементарный электрический дипольный момент.
Эти определения P и M как «моментов на единицу объема» широко используются, хотя в некоторых случаях они могут приводить к двусмысленностям и парадоксам.
Поле M измеряется в амперах на метр (А / м) в единицах СИ .
В уравнениях Максвелла
Поведение магнитных полей ( B , H ), электрических полей ( E , D ), плотности заряда ( ρ ) и плотности тока ( J ) описывается уравнениями Максвелла . Роль намагничивания описана ниже.
Отношения между B, H и M
Намагниченность определяет дополнительное магнитное поле H как
- ( Единицы СИ )
что удобно для различных расчетов. Вакуума проницаемость μ 0 , по определению,4π × 10 −7 В · с / ( А · м ) (в единицах СИ).
Связь между M и H существует во многих материалах. В диамагнетиках и парамагнетиках зависимость обычно линейная:
где χ называется объемной магнитной восприимчивостью , а μ называется магнитной проницаемостью материала. Потенциал магнитной энергии на единицу объема (т.е. магнитной плотности энергии ) парамагнетика (или диамагнетика) в магнитном поле:
отрицательный градиент которого представляет собой магнитную силу, действующую на парамагнетик (или диамагнетик) на единицу объема (т.е. плотность силы).
В диамагнетиках ( ) и парамагнетиках ( ) обычно , и поэтому .
В ферромагнетиках нет взаимно однозначного соответствия между M и H из-за магнитного гистерезиса .
Магнитная поляризация
В качестве альтернативы намагниченности, можно определить магнитную поляризацию , I (часто символ J используется, чтобы не путать с плотностью тока).
- ( Единицы СИ ).
Это по прямой аналогии с электрической поляризацией , . Таким образом, магнитная поляризация отличается от намагниченности в μ 0 раз :
- ( Единицы СИ ).
В то время как намагниченность обычно измеряется в амперах на метр, магнитная поляризация измеряется в теслах.
Ток намагничивания
Намагниченность M вносит вклад в плотность тока J , известную как ток намагничивания.
а для связанного поверхностного тока :
так что полная плотность тока, которая входит в уравнения Максвелла, определяется как
где J F является плотностью электрического тока свободных зарядов (также называемая свободным током ), второй член представляет собой вклад от намагниченности, а последний член связан с электрической поляризацией P .
Магнитостатика
В отсутствие свободных электрических токов и зависящих от времени эффектов уравнения Максвелла, описывающие магнитные величины, сводятся к
Эти уравнения могут быть решены аналогично электростатическим задачам, где
В этом смысле −∇⋅ M играет роль фиктивной «плотности магнитного заряда», аналогичной плотности электрического заряда ρ ; (см. также размагничивающее поле ).
Динамика
Зависящее от времени поведение намагниченности становится важным при рассмотрении намагниченности в наноразмерном и наносекундном масштабе времени. Вместо того, чтобы просто выравниваться с приложенным полем, отдельные магнитные моменты в материале начинают прецессировать вокруг приложенного поля и выравниваются посредством релаксации по мере того, как энергия передается решетке.
Разворот
Перемагничивание, также известное как переключение, относится к процессу, который приводит к переориентации вектора намагниченности на 180 ° (дуга) относительно его начального направления с одной стабильной ориентации на противоположную. Технологически это один из наиболее важных процессов в магнетизме, который связан с процессом хранения магнитных данных , который используется в современных жестких дисках . Как известно сегодня, есть только несколько возможных способов обратить намагничивание металлического магнита:
- приложенное магнитное поле
- инжекция спина через пучок частиц со спином
- перемагничивание циркулярно поляризованным светом ; то есть падающее электромагнитное излучение с круговой поляризацией
Размагничивание
Размагничивание - это уменьшение или устранение намагниченности. Один из способов сделать это - нагреть объект выше его температуры Кюри , когда 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, протекающим через него, создавая поля, противодействующие намагничиванию.
Одно из применений размагничивания - устранение нежелательных магнитных полей. Например, магнитные поля могут мешать электронным устройствам, таким как сотовые телефоны или компьютеры, а также механической обработке, заставляя обрезки цепляться за свои родительские части.