Diamagnetyzm - zjawisko polegające na indukowaniu się w ciele, znajdującym się w zewnętrznym polu magnetycznym pola przeciwnego, osłabiającego działanie zewnętrznego pola. Diamagnetyzm występuje przeważnie w związkach chemicznych posiadających wiązania wielokrotne lub układ aromatyczny. Zewnętrzne pole indukuje w takim układzie prąd elektryczny, który powoduje powstanie pola magnetycznego, skierowanego przeciwnie do pola zewnętrznego. Diamagnetyk jest odpychany przez magnes.

Paramagnetyzm - zjawisko polegające na porządkowaniu się większości spinów elektronów ciała zgodnie z liniami zewnętrznego pola magnetycznego. Właściwości paramagnetyczne posiadają substancje o niesparowanych elektronach. Substancja taka, tzw. paramagnetyk jest przyciągany przez magnes, jednak znacznie słabiej niż ferromagnetyk.

Paramagnetyki mają przenikalność magnetyczną μ niewiele większą od jedności. Dla ferromagnetyków μ jest wielokrotnie większe od 1.

Przykłady paramagnetyków: powietrze aluminium platyna

W fizyce ferromagnetyk to ciało, które wykazuje własności ferromagnetyczne. Do ferromagnetyków należą m.in. żelazo, kobalt, nikiel i niektóre stopy.Ferromagnetyki posadają właściwości magnetyczne poniżej temperatury Curie.Ferromagnetyki dzieli się na twarde i miękkie. Ferromagnetyki twarde zachowują stan namagnesowania pomimo zmain zewnętrznego pola magnetycznego. Ferromagnetyki miękkie tracą zewnętrzne namagnesowanie po usunięciu pola magnetycznego zachowując jedynie namagnesowanei resztkowe znacznie mniejsze od maksymalnego.Ferromagnetyki stosuje się do wyrobu magnesów trwałych, rdzeni magnetycznych silników elektrycznych, transformatorów stosowane są do kształtowania pola magnetycznego.

3.2. Wpływ odchyleń napięcia na pracę odbiorników energii elektrycznej

Wzrost napięcia powoduje zwiększony pobór mocy czynnej przez każdy z

odbiorników. Związek między mocą czynną P odbiornika, a napięciem U na jego

zaciskach przedstawia się za pomoce zależności P = kUm, zwane statyczne

charakterystykę mocy czynnej odbiornika. Wykładnik potęgi m przyjmuje różne, (ale

większe od jedności) wartości dla różnych odbiorników.

Rys. 3.1. Charakterystyki mechaniczne silnika asynchronicznego

M = f(n) dla różnych wartości napięcia (U2 < U < U1) oraz

charakterystyka napędzanej maszyny Mo = f(n)

Ćwiczenie E 8

BADANIE WPŁYWU ODCHYLEŃ NAPIĘCIA NA PRACĘ ODBIORNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ

- 4 -

3.2.1. Silniki asynchroniczne

Silniki asynchroniczne reagują bardzo wyraźnie na zmiany napięcia. Z przebiegu

charakterystyk mechanicznych silnika asynchronicznego M = f(n), tj. zmian momentu

M w zależności od obrotów n dla różnych wartości napięcia (rys. 3.1) wynika, że w

przypadku, gdy napięcie na zaciskach silnika wzrośnie, powiększy się także jego

moment elektromagnetyczny do wartości, przy której będzie on równy momentowi

oporowemu Mo napędzanej maszyny. Jednocześnie wzrośnie także prędkość

obrotowa silnika. Spadek napięcia powoduje zmniejszenie prędkości obrotowej i

momentu elektromagnetycznego do wartości wynikających z przecięcia się

charakterystyki M = f(n), odpowiadającej zmniejszonemu napięciu i charakterystyki,

Mo = f(n), Z powyższego wynika, że zmiany mocy czynnej pobieranej z sieci przez

silnik asynchroniczny (spowodowane zmianami napięcia) będę zależeć od

ilościowych zmian momentu elektromagnetycznego i prędkości obrotowej silnika, a

więc od przebiegu charakterystyki mechanicznej napędzanej maszyny. Moc ta

zależna jest od napięcia w potędze 1,5 ÷ 2 [1]. W odbiornikach stanowiących obwód

magnetyczny z żelazem, a takim jest silnik asynchroniczny, zmiany napięcia mają

znaczny wpływ na pobór mocy biernej. Szczególnie przy wzroście napięcia ponad

wartość znamionowe, moc bierna wzrasta bardzo silnie, gdyż silniki te budowane są

w taki sposób, że punkt pracy w warunkach znamionowych znajduje się poza

zagięciem charakterystyki magnesowania. Statyczne charakterystyki mocy biernej

tych silników przebiegają bardziej stromo niż statyczna charakterystyki mocy czynnej.

Oznacza to, że przy wzroście napięcia współczynnik mocy silnika asynchronicznego

maleje, natomiast przy malejącym napięciu - wzrasta.

Z przedstawionego opisu wynika, z odchylenia dodatnia napięcia ograniczone są

głównie przez wzrost prądu magnesującego i nadmierne grzanie się magnetowodów,

zaś odchylenia ujemne - przez spadek momentu elektromagnetycznego silników. W

granicznym przypadku, jeżeli napięcie zmniejszy się do takiej wartości, że moment

elektromagnetyczny będzie mniejszy od momentu oporowego, silnik stanie.

Ferromagnetyki występują jedynie w postaci ciał stałych, natomiast diamagnetyki i paramagnetyki mogą występować w różnych stanach skupienia. W stanie ciekłym i gazowym ferromagnetyki zachowują się jak zwykłe paramagnetyki.

Do ciał ferromagnetycznych należą: żelazo, kobalt,nikiel, gadolin, stopy Fe, Co, Ni z Mn, Al, Cr.

Istotny wpływ na własności ferromagnetyczne ma temperatura. Dla każdego ferromagnetyka określona jest temperatura, tzw. punkt Curie, po przekroczeniu którego własności ferromagnetyczne zanikają, a ciało staje się paramagnetykiem.

Ferromagnetyki charakteryzuje struktura domenowa. W przypadku braku zewnętrznego pola magnetycznego orientacja poszczególnych domen magnetycznych jest chaotyczna. Mają one przypadkowe kierunki w przestrzeni tak, że wypadkowy moment namagnesowania całego materiału ferromagnetycznego wynosi zero.

Po umieszczeniu ferromagnetyka w zewnętrznym polu magnetycznym o indukcji następuje stopniowe uporządkowanie. Domeny zwrócone zgodnie z polem będą się rozrastały kosztem domen o innym zwrocie. Pod wpływem tego uporządkowania wewnątrz ferromagnetyka powstaje dodatkowe pole magnetyczne o indukcji , które powoduje wzmocnienie pola zewnętrznego. Gdy nastąpi pełne uporządkowanie domen wektor indukcji pola wypadkowego osiągnie wartość maksymalną. Następuje nasycenie magnetyczne.

Gdy zewnętrzne pole magnetyczne zostanie usunięte, granice domen oraz wytworzony przez nie moment magnetyczny nie powracają całkowicie do swoich początkowych wartości, przez co ferromagnetyki wykazują moment wypadkowy zwany pozostałością magnetyczną.

Aby usunąć trwałe namagnesowanie ferromagnetyka umieszczamy go w polu zewnętrzym o indukcji , mającej kierunek przeciwny do kierunku namagnesowania.

W materiałach paramagnetycznych, gdy nie ma zewnętrznego pola magnetycznego, atomy mają różny od zera moment magnetyczny. Na skutek ruchów termicznych cząstek ich momenty magnetyczne są zorientowane w sposób nieuporządkowany.

Gdy paramagnetyk zostanie umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym, momenty magnetyczne atomów (cząsteczek) dążą do ustawienia się równolegle do kierunku pola, czemu przeciwdziała ruch cieplny. Mimo ruchów cieplnych w stanie równowagi będzie znajdować się przeważająca część elementarnych magnesów, których momenty magnetyczne będą skierowane zgodnie z kierunkiem pola magnetycznego. Ciało uzyska wypadkowy moment magnetyczny.

Paramagnetyki w zewnętrznym polu magnetycznym magnesują się silniej niż diamagnetyki, dlatego też efekt diamagnetyczny jest niezauważalny w paramagnetykach.

Własności magnetyczne paramagnetyków zależą od temperatury. Doświadczalnie stwierdzono, że podatność magnetyczna dla paramagnetyków zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do temeratury bezwzględnej T (prawo Curie):

Do paramagnetyków należą między innymi: tlen, tlenek azotu, glin, platyna, potas, sód, magnez, wapń.

Histereza magnetyczna

Charakterystyczną cechą ciał ferromagnetycznych jest zjawisko histerezy. Polega to na tym, że namagnesowanie próbki ferromagnetyka zależy nie tylko od zewnętrznego pola magnetycznego w danej chwili, ale również od tego czy i w jakim kierunku ciało było namagnesowane wcześniej.

Dla każdego ferromagnetyka można w sposób doświadczalny wyznaczyć krzywą zwaną pętlą histerezy magnetycznej, mierząc zależność indukcji magnetycznej w ferromagnetyku od indukcji zewnętrznego pola magnetycznego.

Jeżeli próbka była początkowo nienamagnesowana,to zwiększanie wartości indukcji zewnętrznego pola magnetycznego powoduje magnesowaniesię ferromagnetyka, a także wzrost indukcji wewnątrz próbki przebiegający wzdłuż krzywej a-b, do pewnej wartości maksymalnej (b), której odpowiada stan nasycenia. Krzywa a-b nosi nazwę krzywej magnesowania pierwotnego.

Przy zmniejszaniu indukcji pola zewnętrznego następuje stopniowe rozmagnesowywanie próbki, indukcja wewnątrz ferromagnetyka również maleje, ale wzdłuż innej krzywej (b-c). Oznacza to, że domeny nie wracają do orientacji pierwotnej .

Przy całkowitym zaniku pola zewnętrznego (d), indukcja w próbce posiadać będzie wartość B różną od zera, zwaną pozostałością magnetyczną lub remanencją.

Zmiana kierunku indukcji pola zewnętrznego na przeciwny spowoduje stopniowe zmniejszenie indukcji wewnątrz próbki. Pole, przy którym indukcja magnetyczna w próbce spada do zera (odcinek a-d) zwane jest polem koercji.

Zwiększając następnie indukcję powodujemy namagnesowanie ferromagnetyka w przeciwnym kierunku, aż do osiągnięcia stanu nasycenia (e).

Zmniejszając ponownie wartość indukcji sytuacja będzie symetrycznie podobna, a krzywa zamknie się.

W zależności od rodzaju ferromagnetyka pętla może mieć różny kształt, z czego wynika podział materiałów ferromagnetycznych na miękkie materiały magnetyczne o małej koercji oraz materiały twarde o dużej koercji.

Diamagnetyzm omówimy na przykładzie uproszczonego modelu atomu helu. Wokół jądra tego atomu o ładunku krążą dwa elektrony. Doświadczalnie stwierdzono, że moment magnetyczny atomu helu jest równy zero. Oznacza to, że momenty magnetyczne obu elektronów wzajemnie się kompensują. Aby to wytłumaczyć przyjmuje się,że obydwa elektrony poruszają się w przeciwnych kierunkach z jednakowymi prędkościami, po jednakowych orbitach.

Po wprowadzeniu atomu helu w obręb pola magnetycznego o indukcji na elektrony będą działać dwie siły:

siła Coulomba przyciągająca elektrony w kierunku jądra

siła Lorentza - przy czym na jeden elektron działa ona w kierunku do jądra, a na drugi (poruszający się przeciwnie) w kierunku od jądra.

Prędkość elektronu, który wytwarzał pole magnetyczne o zwrocie zgodnym z zewnętrzym polem zmaleje z powodu mniejszej wypadkowej siły dośrodkowej:

Natomiast prędkość drugiego elektronu wzrośnie. Równanie ruchu dla tej sytuacji ma następującą postać:

W ten sposób atom w zewnętrzym polu magnetycznym uzyska własny moment magnetyczny:

Wyznaczamy różnicę prędkości z równań ruchu elektronów:

Po podstawieniu wyrażenie opisujące indukowany moment magnetyczny przyjmuje postać:

Ponieważ indukowany moment magnetyczny jest skierownay przeciwnie do wektora indukcji pola zewnętrznego, zatem wektorowo zapiszemy:

Uogólniając możemy powiedzieć, że diamagnetykami nazywamy ciała, które w przypadku braku zewnętrznego pola magnetycznego nie wykazują żadnych własności magnetycznych. Do takich ciał należą: gazy obojętne, większość związków organicznych, wiele metali (bizmut, cynk, miedź, rtęć, srebro, złoto i in.), woda, szkło, marmur. Po umieszczeniu substancji diamagnetycznej w polu magnetycznym,jej atomy uzyskują indukowane momenty magnetyczne.

Podatność magnetyczna diamagnetyków jest ujemna , a przenikalność magnetyczna .