MAGNETISCHE PERMEABILITEIT: CONSTANT EN TAFEL - FYSIEK - 2025

De magnetische permeabiliteit is de fysieke hoeveelheid van de eigenschap van materie om zijn eigen magnetisch veld op te wekken, wanneer het wordt doordrongen door een extern magnetisch veld.

Beide velden: de externe en de eigen, worden over elkaar heen gelegd en geven een resulterend veld. A het, onafhankelijk van het materiaal uitwendig veld heet magnetische veldsterkte H , terwijl overlapt buitenveldbol plus het materiaal wordt geïnduceerd in de magnetische inductie B .

Figuur 1. Solenoïde met een μ magnetische permeabiliteit materiaalkern. Bron: Wikimedia Commons.

Als het gaat om homogene en isotrope materialen, zijn de H- en B- velden proportioneel. En de evenredigheidsconstante (scalair en positief) is de magnetische permeabiliteit, aangeduid met de Griekse letter μ:

B = μ H

In het SI International System wordt de magnetische inductie B gemeten in Tesla (T), terwijl de magnetische veldsterkte H wordt gemeten in Ampère over meter (A / m).

Omdat μ de dimensionale homogeniteit in de vergelijking moet garanderen, is de eenheid van μ in het SI-systeem:

= (Tesla ⋅ meter) / Ampere = (T ⋅ m) / A

Magnetische doorlaatbaarheid van vacuüm

Laten we eens kijken hoe magnetische velden, waarvan we de absolute waarden aanduiden met B en H, worden geproduceerd in een spoel of solenoïde. Van daaruit wordt het concept van magnetische permeabiliteit van het vacuüm geïntroduceerd.

De solenoïde bestaat uit een spiraalvormig gewikkelde geleider. Elke draai van de spiraal wordt een draai genoemd. Als er stroom door de solenoïde i gaat, hebben we een elektromagneet die een magnetisch veld B produceert .

Bovendien is de waarde van de magnetische inductie B groter naarmate de stroom i toeneemt. En ook wanneer de dichtheid van windingen n toeneemt (aantal N windingen tussen de lengte d van de solenoïde).

De andere factor die de waarde van het magnetische veld dat door een solenoïde wordt geproduceerd, beïnvloedt, is de magnetische permeabiliteit μ van het materiaal dat erin zit. Ten slotte is de grootte van genoemd veld:

B = μ. i .n = μ. in een)

Zoals vermeld in het vorige gedeelte, is de magnetische veldsterkte H:

H = ik. (N / d)

Dit veld van grootte H, dat alleen afhangt van de circulatiestroom en de dichtheid van windingen van de solenoïde, "doordringt" het materiaal met magnetische permeabiliteit μ, waardoor het wordt gemagnetiseerd.

Vervolgens wordt een totaal veld van magnitude B geproduceerd, dat wel afhankelijk is van het materiaal dat zich in de solenoïde bevindt.

Solenoïde in vacuüm

Evenzo, als het materiaal in de solenoïde vacuüm is, dan "doordringt" het H-veld het vacuüm en produceert een resulterend veld B. Het quotiënt tussen het B-veld in vacuüm en de H geproduceerd door de solenoïde bepaalt de permeabiliteit van het vacuüm. , waarvan de waarde is:

μ o = 4π x ^10-7 (T⋅m) / A

Het blijkt dat de vorige waarde een exacte definitie was tot 20 mei 2019. Vanaf die datum is een herziening van het Internationale Systeem gemaakt, wat leidt tot μ of experimenteel gemeten worden.

Tot dusverre uitgevoerde metingen geven echter aan dat deze waarde uiterst nauwkeurig is.

Magnetische permeabiliteitstafel

Materialen hebben een karakteristieke magnetische permeabiliteit. Nu is het mogelijk om de magnetische permeabiliteit te vinden met andere eenheden. Laten we bijvoorbeeld de eenheid van inductie nemen, die Henry (H) is:

1H = 1 (T * m ² ) / A.

Als we deze eenheid vergelijken met de eenheid die aan het begin werd gegeven, zien we dat er een overeenkomst is, hoewel het verschil de vierkante meter is die Henry bezit. Om deze reden wordt magnetische permeabiliteit beschouwd als een inductantie per lengte-eenheid:

= H / m.

De magnetische permeabiliteit μ is nauw verwant aan een andere fysieke eigenschap van materialen, de magnetische susceptibiliteit χ, die wordt gedefinieerd als:

μ = μ of (1 + χ)

In de vorige uitdrukking μ o, is de magnetische permeabiliteit van het vacuüm.

De magnetische susceptibiliteit χ is de evenredigheid tussen het externe veld H en de magnetisatie van het materiaal M .

Relatieve doorlatendheid

Het is heel gebruikelijk om de magnetische permeabiliteit uit te drukken in relatie tot de permeabiliteit van het vacuüm. Het staat bekend als relatieve permeabiliteit en het is niets meer dan het quotiënt tussen de permeabiliteit van het materiaal en dat van het vacuüm.

Volgens deze definitie is relatieve permeabiliteit eenheidsloos. Maar het is een handig concept om materialen te classificeren.

Materialen zijn bijvoorbeeld ferromagnetisch zolang hun relatieve permeabiliteit veel groter is dan de eenheid.

Op dezelfde manier hebben paramagnetische stoffen een relatieve permeabiliteit net boven 1.

En tenslotte hebben diamagnetische materialen een relatieve permeabiliteit net onder de eenheid. De reden is dat ze zo gemagnetiseerd worden dat ze een veld produceren dat het externe magnetische veld tegenwerkt.

Het is vermeldenswaard dat ferromagnetische materialen een fenomeen vertonen dat bekend staat als "hysterese", waarbij ze geheugen onthouden aan de eerder toegepaste velden. Dankzij deze eigenschap kunnen ze een permanente magneet vormen.

Figuur 2. Ferriet magnetische geheugens. Bron: Wikimedia Commons

Vanwege het magnetische geheugen van ferromagnetische materialen, waren de herinneringen van vroege digitale computers kleine ferrietkronen waar geleiders doorheen liepen. Daar hebben ze de inhoud (1 of 0) van het geheugen opgeslagen, geëxtraheerd of gewist.

Materialen en hun permeabiliteit

Hier zijn enkele materialen, met hun magnetische permeabiliteit in H / m en hun relatieve permeabiliteit tussen haakjes:

IJzer: 6,3 x ^10-3 (5000)

Kobaltijzer : 2,3 x ^10-2 (18000)

Nikkel-ijzer: 1,25 x ^10-1 (100000)

Mangaan-zink: 2,5 x ^10-2 (20000)

Koolstofstaal: 1,26 x ^10-4 (100)

Neodymium-magneet: 1,32 x ^10-5 (1,05)

Platina: 1,26 x ^10-6 1.0003

Aluminium: 1,26 x ^10-6 1,00002

Lucht 1.256 x ^10-6 (1.0000004)

Teflon 1.256 x ^10-6 (1.00001)

Droog hout 1.256 x ^10-6 (1.0000003)

Koper 1,27 x 10 ^-6 (0,999)

Zuiver water 1,26 x ^10-6 (0,999992)

Supergeleider: 0 (0)

Tabelanalyse

Kijkend naar de waarden in deze tabel, is te zien dat er een eerste groep is met magnetische permeabiliteit ten opzichte van die van vacuüm met hoge waarden. Dit zijn ferromagnetische materialen, zeer geschikt voor de fabricage van elektromagneten voor het opwekken van grote magnetische velden.

Figuur 3. Curven B vs. H voor ferromagnetische, paramagnetische en diamagnetische materialen. Bron: Wikimedia Commons.

Dan hebben we een tweede groep materialen, met een relatieve magnetische permeabiliteit net boven de 1. Dit zijn de paramagnetische materialen.

Dan zie je materialen met relatieve magnetische permeabiliteit net onder de eenheid. Dit zijn diamagnetische materialen zoals zuiver water en koper.

Eindelijk hebben we een supergeleider. Supergeleiders hebben geen magnetische permeabiliteit omdat het het magnetische veld erin volledig uitsluit. Supergeleiders zijn nutteloos om in de kern van een elektromagneet te worden gebruikt.

Er worden echter vaak supergeleidende elektromagneten gebouwd, maar de supergeleider wordt gebruikt in de wikkeling om zeer hoge elektrische stromen tot stand te brengen die hoge magnetische velden produceren.

Referenties

1. Dialnet. Eenvoudige experimenten om magnetische permeabiliteit te vinden. Hersteld van: dialnet.unirioja.es
2. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Deel 6. Elektromagnetisme. Bewerkt door Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Fysica: principes met toepassingen. 6e Ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Natuurkunde: een blik op de wereld. 6e verkorte editie. Cengage leren. 233.
5. Youtube. Magnetisme 5 - Doorlaatbaarheid. Hersteld van: youtube.com
6. Wikipedia. Magnetisch veld. Hersteld van: es.wikipedia.com
7. Wikipedia. Doorlaatbaarheid (elektromagnetisme). Hersteld van: en.wikipedia.com