Электрические и магнитные свойства в различных средах: Ошибка 404. Запрашиваемая страница не найдена

Содержание

Электрические и магнитные свойства сред презентация, доклад, проект

Слайд 1
Текст слайда:

ВОЕННО–МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ имени С.М. Кирова Кафедра биологической и медицинской физики

ЛЕКЦИЯ № 5

по дисциплине «Физика, математика»
на тему: «Электрические и магнитные свойства сред»

для курсантов и студентов I курса ФПВ, ФПиУГВ, спецфакультета


Слайд 2
Текст слайда:


Раздел 1:
Электрические свойства сред


Слайд 3
Текст слайда:

1. Электрическое поле. Его основные характеристики. Потенциальное и вихревое электрические поля.

Все тела в природе способны электризоваться, то есть приобретать электрический заряд.
Наличие электрического заряда проявляется в том, что заряженное тело взаимодействует с другими заряженными телами.


Слайд 4
Текст слайда:

Опыт показал, что между наэлектризованными телами имеется либо притяжение, либо отталкивание.


Это объясняется тем, что имеется два вида электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными.
Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.


Слайд 5
Текст слайда:

Электрический заряд обозначается буквой q, единица измерения заряда – кулон (Кл).
Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов.
Элементарный заряд — это наименьший встречающийся в природе электрический заряд, равный 1,6·10-19 Кл.


Слайд 6
Текст слайда:

Наименьшей по массе устойчивой частицей, имеющей отрицательный элементарный заряд, является электрон (m = 9,1·10-31 кг).
У электрона существует и античастица, имеющая положительный элементарный заряд – позитрон.


Слайд 7
Текст слайда:

Определение:
Электрическое поле есть особый вид материи, посредством которого осуществляются силовые воздействия на электрические заряды, находящиеся в этом поле.


Слайд 8
Текст слайда:

Силовой характеристикой электрического поля служит вектор напряженности электрического поля.
Он численно равен и совпадает по направлению с силой, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля:

Размерность напряженности ЭП: Н/Кл.


Слайд 9
Текст слайда:


Существуют два вида электрических полей:
а) потенциальное ЭП;
б) вихревое ЭП.


Слайд 10
Текст слайда:

Потенциальное ЭП – это электростатическое поле, т.е. поле, созданное системой неподвижных электрических зарядов.
Важной характеристикой потенциального ЭП является потенциал электрического поля (электрический потенциал).
Это энергетическая характеристика потенциального ЭП.


Слайд 11
Текст слайда:

Потенциал электрического поля – скалярная физическая величина, численно равная отношению потенциальной энергии электрического заряда, помещенного в данную точку поля, к величине этого заряда:

Единица измерения: 1 вольт (В) = 1 Дж/Кл.


Слайд 12
Текст слайда:

Другими словами, потенциал электрического поля в данной точке равен работе сторонних сил по переносу единичного положительного точечного заряда от точки, потенциал которой принят равным нулю (обычно этой точкой является бесконечность), в данную точку поля.


Слайд 13
Текст слайда:

Разность потенциалов – величина, равная работе А1,2 , которую совершают силы электрического поля при перемещении единичного положительного заряда q из точки с потенциалом φ1 в точку с потенциалом φ2:


Слайд 14
Текст слайда:


Работа электростатического поля при перемещении заряда q из точки с потенциалом ϕ1 в точку с потенциалом ϕ2:
А1,2 = q·(ϕ1 — ϕ2)


Слайд 15
Текст слайда:

Работа электростатического поля не зависит от вида траектории перемещения заряда, а определяется только исходным и конечным положением перемещенного заряда.
Соответственно, при перемещении заряда по замкнутому контуру полная работа электростатического поля равна нулю.


Слайд 16
Текст слайда:

Такое поле называется потенциальным.
Электростатическое поле – потенциальное поле.


Слайд 17
Текст слайда:

Для графического изображения электростатического поля в пространстве применяется метод силовых линий, или линий напряженности.

Силовыми линями называются линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности в этой точке.


Слайд 18
Текст слайда:

Следует помнить, что:
1) силовые линии электростатического поля не пересекаются друг с другом;
2) имеют начало на положительном заряде и конец на отрицательном или уходят на бесконечность, т.е. являются незамкнутыми;
3) густота силовых линий пропорциональна величине напряженности электростатического поля.


Слайд 19

Слайд 20
Текст слайда:

Кроме потенциальных ЭП, существуют также вихревые электрические поля.
Их силовые линии замкнуты, т.е. не имеют ни начала, ни конца, а работа по перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю и зависит от траектории движения заряда.

Источником вихревых ЭП является переменное магнитное поле.


Слайд 21
Текст слайда:

2. Проводники и диэлектрики в электрическом поле.

Под действием электрического поля в веществе происходит перемещение электрических зарядов.
Различают свободные и связанные электрические заряды.
В зависимости от преобладания того или иного вида зарядов различают проводники и диэлектрики.


Слайд 22
Текст слайда:

Свободные заряды – это заряды частиц, которые могут перемещаться под действием ЭП на расстояние, превышающее размеры отдельных молекул.
Направленное движение свободных зарядов под действием ЭП называют электрическим током (током проводимости).


Слайд 23
Текст слайда:


Вещества, содержащие свободные электрические заряды и способные проводить электрический ток, называют проводниками.



Слайд 24
Текст слайда:

В зависимости от вида частиц – носителей свободных зарядов – различают 3 рода проводников:
1) Проводники 1 рода (металлы): носители свободных зарядов – электроны;
2) Проводники 2 рода (растворы и расплавы электролитов): носители свободных зарядов – ионы;
3)Проводники 3 рода (ионизированные газы = плазма): носители свободных зарядов – ионы.
Биологические ткани относятся к проводникам 2 рода.


Слайд 25
Текст слайда:

При помещении проводника в электрическое поле в нем происходит перемещение свободных зарядов под действием электрических сил.
Тем самым осуществляется объемная поляризация среды, то есть пространственное разобщение разноименных электрических зарядов – разведение их в разные участки макроскопического по сравнению с размерами молекул, объема.


Слайд 26
Текст слайда:

Разобщенные заряды полностью экранируют внутренность проводника от внешнего электрического поля, вызвавшего объемную поляризацию.
Поэтому внутри проводника электрическое поле отсутствует (эффект Фарадея).


Слайд 27

Слайд 28
Текст слайда:

В среде, кроме свободных, могут присутствовать связанные электрические заряды, входящие в состав атомов и молекул.
Под действием поля такие заряды не могут свободно перемещаться, но могут изменять свою ориентацию относительно исходного положения.


Слайд 29
Текст слайда:

Вещества, которые не содержат свободных зарядов и поэтому не способны проводить электрический ток, называются диэлектриками.

Диэлектрики содержат только связанные электрические заряды.


Слайд 30
Текст слайда:

Простейшей системой связанных зарядов является электрический диполь, представляющий собой систему двух одинаковых по величине и противоположных по знаку электрических зарядов (+q и –q), находящихся на расстоянии l.


Слайд 31
Текст слайда:

Диполь характеризуется электрическим дипольным моментом:
Его размерность – Кл⋅м.
Дипольный момент – векторная величина. Он направлен от отрицательного заряда к положительному.


Слайд 32
Текст слайда:

Основными видами диэлектриков являются:
а) неполярные;
б) полярные;
в)кристаллические.


Слайд 33
Текст слайда:

Полярными диэлектриками являются такие вещества, как вода, аммиак, ацетон, нитробензол и др.

Молекулы эти диэлектриков не симметричны, «центры масс» положительных и отрицательных зарядов не совпадают, поэтому такие молекулы обладают дипольным моментом даже в отсутствие электрического поля.


Слайд 34

Слайд 35
Текст слайда:

На диполь, помещенный в однородное электрическое поле, действует пара сил со стороны электрического поля.
За счет этих сил внешнее электрическое поле стремится упорядочить расположение диполей, выстраивая их по направлению силовых линий.


Слайд 36

Слайд 37

Слайд 38

Слайд 39
Текст слайда:

В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты молекул ориентированы хаотически, векторная сумма дипольных моментов всех N молекул равна нулю:


Слайд 40
Текст слайда:

В электрическом поле за счет ориентации дипольных моментов молекул по полю векторная сумма моментов N молекул не равна нулю:

При этом кусок диэлектрика приобретает дипольный момент.
Это явление называют поляризацией диэлектрика.


Слайд 41
Текст слайда:


Поляризацию полярных диэлектриков называют ориентационной.


Слайд 42
Текст слайда:

К неполярным диэлектрикам относят вещества, молекулы которых в отсутствие электрического поля не имеют дипольных моментов.
Это водород, кислород и др.
В таких молекулах «центры масс» положительных и отрицательных зарядов совпадают.


Слайд 43
Текст слайда:

Если такую молекулу поместить в электрическое поле, то разноименные заряды слегка смещаются в противоположные стороны, и молекула приобретает дипольный момент.
Такую поляризацию называют электронной, так как смещаются главным образом электронные оболочки.


Слайд 44

Слайд 45
Текст слайда:


В кристаллических диэлектриках происходит смещение узлов кристаллической решетки – ионная поляризация.


Слайд 46

Слайд 47
Текст слайда:

Все виды поляризации приводят к появлению связанных зарядов на поверхности диэлектрика, вследствие чего ослабляется напряженность электрического поля внутри вещества.


Слайд 48

Слайд 49
Текст слайда:

Соответственно,

Или в скалярной форме:


Слайд 50
Текст слайда:

Величина, показывающая, во сколько раз ослабляется поле в диэлектрике при его поляризации, носит название относительной диэлектрической проницаемости среды (диэлектрика):


Слайд 51
Текст слайда:

Для оценки состояния поляризации диэлектрика вводят величину, называемую поляризованностью (вектором поляризации).
Вектор поляризации – это суммарный дипольный момент единицы объема диэлектрика:


Слайд 52
Текст слайда:

Вектор поляризации зависит от напряженности внешнего электрического поля и способности диэлектрика поляризоваться (ε):

где ε0 = 8,85. 10-12 Ф/м — электрическая постоянная.


Слайд 53
Текст слайда:

3. Магнитное поле и его характеристики


Определение: Магнитное поле есть особый вид материи, посредством которого осуществляются силовые воздействия на движущиеся электрические заряды, находящиеся в этом поле, и другие тела, обладающие магнитным моментом.


Слайд 54
Текст слайда:


Для описания магнитного поля необходимо ввести силовую характеристику поля, аналогичную вектору напряженности электрического поля. Такой характеристикой является вектор магнитной индукции B.


Слайд 55
Текст слайда:

За положительное направление вектора B принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.


Слайд 56
Текст слайда:

Таким образом, исследуя магнитное поле, создаваемое током или постоянным магнитом, с помощью маленькой магнитной стрелки, можно в каждой точке пространства определить направление вектора B.
Такое исследование позволяет представить пространственную структуру магнитного поля.


Слайд 57
Текст слайда:

Аналогично силовым линиям в электростатике можно построить линии магнитной индукции, в каждой точке которых вектор B направлен по касательной к ним.
Линии магнитной индукции всегда замкнуты, они нигде не обрываются. Поэтому магнитное поле является вихревым силовым полем.


Слайд 58

Слайд 59
Текст слайда:

Для того чтобы количественно описать магнитное поле, нужно указать способ определения не только направления вектора B, но и его модуля.
Известно, что на заряд, движущийся в магнитном поле, действует сила Лоренца, численно равная:


Слайд 60
Текст слайда:

Здесь
q – величина заряда,
v – его скорость,
В – величина вектора магнитной индукции,
α – угол между векторами v и В.


Слайд 61
Текст слайда:


Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки:


Слайд 62

Слайд 63
Текст слайда:

Сила Лоренца (магнитная сила) всегда перпендикулярна плоскости, в которой лежат векторы v и В.
Этим она отличается от электрической силы, которая направлена так же, как вектор Е.


Слайд 64
Текст слайда:

Из формулы Лоренца можно дать определение магнитной индукции В:
Вектор магнитной индукции численно равен силе, действующей на единичный положительный заряд, двигающийся с единичной скоростью перпендикулярно линиям магнитной индукции:


Слайд 65
Текст слайда:

4. Магнитные свойства сред.

Все вещества при помещении в магнитное поле изменяют свое состояние, вступая с ним во взаимодействие.
В этом смысле все вещества принято называть магнетиками.
Так как макроскопические различия магнетиков обусловлены особенностями их строения, необходимо рассмотреть магнитные характеристики молекул и атомов, а также их поведение в магнитном поле.


Слайд 66
Текст слайда:

Движение электронов в атоме подобно току, текущему по замкнутому контуру или рамке с током.
Для характеристики этого движения вводится магнитный момент рm , равный:
Рm = I⋅s
где I – ток, создаваемый электроном, а s – площадь контура, охватываемая этим током.


Слайд 67
Текст слайда:


Размерность магнитного момента: А⋅м2.
Магнитный момент приложен в центре контура перпендикулярно его плоскости и ориентирован относительно тока по правилу буравчика.


Слайд 68

Слайд 69
Текст слайда:

В атоме (и в молекуле) магнитные моменты всех электронов векторно складываются, образуя общий магнитный момент.
В зависимости от его величины все вещества можно условно разделить на две группы:


Слайд 70
Текст слайда:

Вещества, у которых в основном состоянии молекула не имеет магнитного момента. Такие вещества называются диамагнетиками.
К ним в частности относятся углеводы, белки, вода, фосфор, сера, углерод и другие.


Слайд 71
Текст слайда:

Вещества, у которых магнитный момент молекулы отличен от нуля. Их называют парамагнетиками.
Например, кислород, щелочные и щелочноземельные элементы, некоторые другие металлы и их окислы.


Слайд 72
Текст слайда:

В магнитном поле электроны атомов и молекул начинают прецессировать относительно вектора магнитной индукции В этого поля.
Прецессионное движение электронов представляет собой микроток, который служит источником собственного магнитного поля, направленного против внешнего поля.


Слайд 73
Текст слайда:

Возникновение собственного магнитного поля в среде за счет прецессионного движения электронов, вызванного внешним магнитным полем, называется диамагнитным эффектом.
Он присущ как диамагнетикам, так и парамагнетикам.


Слайд 74

Слайд 75
Текст слайда:

В парамагнетиках под действием внешнего магнитного поля, кроме диамагнитного, возникает парамагнитный эффект.
Он представляет собой ориентирование магнитных моментов атомов и молекул в направлении внешнего магнитного поля.
Таким образом, парамагнитный эффект проявляется в усилении внешнего магнитного поля, тогда как диамагнитный – в его ослаблении.


Слайд 76
Текст слайда:

Относительная магнитная проницаемость вещества показывает, во сколько раз ослабляется или усиливается магнитное поле в веществе:

У диамагнетиков μ 1.


Слайд 77
Текст слайда:

Возникновение собственного магнитного поля в веществе под действием внешнего поля называется намагничением.
Количественной мерой этого эффекта служит вектор намагничения, определяемый как суммарный магнитный момент атомов и молекул в единице объема вещества:


Слайд 78
Текст слайда:

Вектор намагничения связан с напряженностью магнитного поля:


Слайд 79
Текст слайда:


где

μ0 = 12,56. 10-7 Гн/м — магнитная постоянная.


Страница не найдена

Размер:

AAA

Цвет: C C C

Изображения Вкл. Выкл.

Обычная версия сайта

RUENBY

Гомельский государственный
медицинский университет

  • Университет
    • Университет
    • Руководство
    • История
    • Устав и Символика
    • Воспитательная деятельность
    • Организация образовательного процесса
    • Международное сотрудничество
    • Система менеджмента качества
    • Советы
    • Факультеты
    • Кафедры
    • Подразделения
    • Первичная профсоюзная организация работников
    • Издания университета
    • Гордость университета
    • Выпускник-2021
    • Первичная организация «Белорусский союз женщин»
    • Одно окно
    • ГомГМУ в международных рейтингах
    • Структура университета
  • Абитуриентам
    • Приёмная комиссия
    • Целевая подготовка
    • Заключение, расторжение «целевого» договора
    • Льготы для молодых специалистов
    • Архив проходных баллов
    • Карта и маршрут проезда
    • Порядок приёма на 2022 год
    • Специальности
    • Контрольные цифры приёма в 2022 году
    • Стоимость обучения
    • Информация о ходе приёма документов
    • Приём документов и время работы приёмной комиссии
    • Порядок приёма граждан РФ, Кыргызстана, Таджикистана, Казахстана
    • Pепетиционное тестирование
    • Горячая линия по вопросам вступительной кампании
  • Студентам
    • Первокурснику
    • Расписание занятий
    • Расписание экзаменов
    • Информация для студентов
    • Студенческий клуб
    • Спортивный клуб
    • Общежитие
    • Нормативные документы
    • Практика
    • Стоимость обучения
    • Безопасность жизнедеятельности
    • БРСМ
    • Профком студентов
    • Учебный центр практической подготовки и симуляционного обучения
    • Многофункциональная карточка студента
    • Анкетирование студентов
  • Выпускникам
    • Интернатура и клиническая ординатура
    • Докторантура
    • Аспирантура
    • Магистратура
    • Распределение
  • Врачам и специалистам
    • Профессорский консультативный центр
    • Факультет повышения квалификации и переподготовки
  • Иностранным гражданам
    • Факультет иностранных студентов
    • Стоимость обучения
    • Регистрация и визы
    • Полезная информация
    • Правила приёма
    • Информация о возможностях и условиях приема в 2022 году
    • Официальные представители ГомГМУ по набору студентов
    • Страхование иностранных граждан
    • Приём на Подготовительное отделение иностранных граждан
    • Прием иностранных граждан для обучения на английском языке / Training of foreign students in English
    • Повышение квалификации и переподготовка для иностранных граждан
  • Научная деятельность
    • Направления научной деятельности
    • Научно-педагогические школы
    • Студенчеcкое научное общество
    • Инновационные технологии в ГомГМУ
    • Научно-исследовательская часть
    • Научно-исследовательская лаборатория
    • Конкурсы, гранты, стипендии
    • Работа комитета по этике
    • Научные мероприятия
    • В помощь исследователю
    • Диссертационный совет
    • «Горизонт Европа»
    • Патенты
    • Инструкции на метод
    • Совет молодых ученых
    • Госпрограмма (ЧАЭС)
  • Главная

Программа по физике | Бирский филиал Башкирского государственного университета

Механика.

1. Кинематика.

Механическое движение. Относительность движения. Система координат. Система отсчета. Единицы измерения. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение. Виды движения. Прямолинейное равномерное движение. Координата и скорость при прямолинейном равномерном движении.

Прямолинейное неравномерное движение. Средняя скорость. Мгновенная скорость. Ускорение. Прямолинейное равноускоренное движение. Скорость и перемещение при прямолинейном равноускоренном движении.

Криволинейное движение. Центростремительное ускорение. Равномерное движение по окружности. Период, частота, циклическая частота.

2. Динамики.

Законы Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Масса, сила. Второй закон Ньютона. Сложение сил. Третий закон Ньютона.

Сила упругости. Закон Гука.

Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Вес тела. Движение тела под действием силы тяжести. Движение искусственных спутников. Невесомость. Первая космическая скорость.

Сила трения. Коэффициент трения скольжения.

3. Законы сохранения в механике.

Импульс тела. Законы сохранения импульса. Реактивное движение.

Механическая работа. Мощность. Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии в механики.

Зависимость давления жидкости от скорости ее течения. Подъемная сила крыла самолета.

4. Механические колебания и волны.

Колебательное движение. Свободные колебания. Амплитуда, период и частота колебаний. Математический маятник. Период колебания математического маятника. Колебания груза на пружине.

Превращение энергии при гармонических колебаниях. Вынужденные колебания. Резонанс.

Распространение колебаний в упругих средах. Поперечные и продольные волны. Длина волны. Связь длины волны с скоростью распространения и периодом. Звуковые волны. Скорость звука. Громкость звука. Высота тона. Эхо.

5. Жидкости и газы.

Давление. Закон Паскаля для жидкостей и газов. Сообщающиеся сосуды. Принцип устройства гидравлического пресса.

Атмосферное давление. Изменение атмосферного давления с высотой.

Архимедова сила для жидкостей и газов. Условия плавания тел.

Молекулярная физика.

1. Основы молекулярно-кинетической теории.

Основные положения молекулярно-кинетической теории, ее опытное обоснование. Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро. Броуновское движение.

Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Температура и ее измерение. Абсолютная температурная шкала. Скорость молекул газа.

Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева — Клапейрона). Универсальная газовая постоянная. Изотермический, изобарный и изохорный процессы.

Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Зависимость температуры кипения от давления. Влажность воздуха.

Кристаллические и аморфные тела. Механические свойства твердых тел и материалов: упругость, прочность, пластичность. Упругие деформации. Создание материалов с заданными техническими свойствами.

2. Основы термодинамики.

Внутренняя энергия. Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества. Работа в термодинамике. Закон сохранения энергии в тепловых процессах (первый закон термодинамики). Применение первого закона термодинамики к изопроцессам. Адиабатный процесс.

Необратимость тепловых процессов.

Принцип действия тепловых двигателей. КПД теплового двигателя и его максимальное значение. Тепловые двигатели и охрана природы.

Основы электродинамики.

1. Электростатика.

Электрический заряд и элементарные частицы. Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона.

Закон сохранения электрического заряда. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Электрическое поле точечного заряда. Проводники в электрическом поле.

Работа электростатического поля при перемещения заряда.

Разность потенциалов.

Электроемкость. Конденсаторы. Энергия электрического поля. Диэлектрики в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость.

2. Законы постоянного поля.

Электрический ток. Силы тока. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводников. Параллельное и последовательное соединение проводников. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.

Работа и мощность тока.

3. Магнитное поле.

Магнитное взаимодействие токов. Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Магнитный поток. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Закон Ампера. Принцип действия электроизмерительных приборов. Громкоговоритель.

Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.

Магнитные свойства вещества. Магнитная проницаемость. Ферромагнетизм.

4. Электрический ток в различных средах.

Электронная проводимость металлов. Скорость упорядоченного движения электронов. Зависимость сопротивления от температуры. Сверхпроводимость.

Полупроводники. Электропроводность полупроводников и ее зависимость от температуры. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Терморезистор. Электронно-дырочный переход.

Полупроводниковые приборы: диод, транзистор. Их применение.

Электрический ток в вакууме. Электронная эмиссия. Двухэлектродная лампа. Электронно-лучевая трубка.

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов. Закон электролиза.

Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Понятие о плазме.

5. Электромагнитная индукция.

Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции.

Правило Ленца. Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

6. Электромагнитные колебания и волны.

Свободные электромагнитные колебания в контуре. Превращение энергии в колебательном контуре. Собственная частота колебаний в контуре.

Вынужденные электрические колебания. Переменный электрический ток. Генератор переменного тока. Резонанс в электрической цепи.

Трансформатор.

Электромагнитные волны. Скорость их распространения. Свойства электромагнитных волн. Излучение и прием электромагнитных волн.

Принципы радиосвязи. Изобретение радио А.С.Поповым.

Оптика.

Скорость света. Закон отражения и преломления света. Когерентность. Интерференция света и ее применение в технике. Дифракция света. Дифракционная решетка. Дисперсия света.

Шкала электромагнитных волн.

Элементы теории относительности.

Принцип относительности Эйнштейна. Скорость света в вакууме как предельная скорость передачи сигнала.

Связь между массой и энергией.

Квантовая физика.

1. Световые кванты.

Фотоэффект и его законы. Кванты света. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Постоянная Планка. Применение фотоэффекта в технике. Фотон. Корпускулярно-волновой дуализм.

2. Атом и атомное ядро.

Опыт Резерфорда по рассеянию a-частиц. Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора. Испускание и поглощение света атомом. Непрерывный и линейчатый спектр. Спектральный анализ. Лазер.

Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи атомных ядер. Ядерные реакции. Радиоактивность. Альфа- и бета- частицы, гамма- излучение. Методы регистрации ионизирующих частиц. Получение радиоактивных изотопов и их использование.

Деление атомов урана. Цепная реакция. Ядерный реактор. Термоядерная реакция.

Элементарные частицы и их свойства. Частицы и античастицы. Взаимное превращение частиц и квантов электромагнитного излучения.

 

Физика: уроки, тесты, задания.

  • Предметы
    1. Введение. Макро- и микромир. Числа со степенью 10
    2. Наблюдения, опыты, измерения, гипотеза, эксперимент
    3. Физические величины.
      Международная система единиц
    1. Строение вещества. Молекулы и атомы
    2. Броуновское движение. Диффузия
    3. Притяжение и отталкивание молекул. Смачивание и капиллярность
    4. Изменение свойств веществ.
      Агрегатные состояния вещества
    1. Механическое движение. Траектория и путь
    2. Скорость. Неравномерное движение. Средняя скорость
    3. Что такое инерция
    4. Взаимодействие тел.
      Масса тела. Измерение массы тела на весах
    5. Плотность вещества. Связь массы, объёма тела с его плотностью
    6. Что такое сила. Сила гравитации. Сила тяжести
    7. Что такое вес тела. Свободное падение
    8. Измерение силы с помощью динамометра
    9. Деформации тел.
      Сила упругости. Закон Гука
    10. Взаимодействие тел. Сила трения
    1. Что такое давление и сила давления
    2. Давление твёрдых тел
    3. Давление газа.
      Применение сжатого воздуха
    4. Атмосферное давление и его измерение. Опыт Торричелли
    5. Давление в жидкости. Закон Паскаля
    6. Гидростатическое давление. Давление на дне морей и океанов
    7. Сообщающиеся сосуды.
      Водопровод. Шлюзы
    8. Гидравлический пресс. Насосы
    9. Закон Архимеда. Вес тела в жидкости
    10. Действие жидкости и газа на погружённое в них тело. Плавание тел
    11. Выталкивающая сила в газах.
      Воздухоплавание
    1. Работа как физическая величина
    2. Мощность как характеристика работы
    3. Простые механизмы. Рычаг. Наклонная плоскость
    4. Подвижные и неподвижные блоки
    5. Полезная работа.
      Коэффициент полезного действия
    6. Энергия как физическая величина. Виды энергии
    1. Температура
    2. Виды теплопередачи
    3. Количество теплоты как физическая величина
    4. Что такое удельная теплоёмкость вещества
    5. Что такое удельная теплота сгорания топлива
    1. Плавление и отвердевание тел.
      Температура плавления
    2. Что такое удельная теплота плавления
    3. Парообразование и конденсация
    4. Относительная влажность воздуха и её измерение. Психрометр
    5. Кипение.
      Температура кипения. Удельная теплота парообразования
    6. Объяснение изменений агрегатных состояний вещества
    7. Преобразования энергии в тепловых машинах
    8. Экологические проблемы использования тепловых машин
    9. Закон сохранения энергии в тепловых процессах
    1. Электризация тел.
      Два рода электрических зарядов
    2. Проводники, диэлектрики и полупроводники
    3. Взаимодействие заряженных тел. Электрическое поле
    4. Закон сохранения электрического заряда
    5. Дискретность электрического заряда.
      Электрон. Строение атомов
    6. Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы
    7. Электрический ток в различных средах. Действия электрического тока
    8. Сила тока как физическая величина. Амперметр
    9. Электрическое напряжение как физическая величина.
      Вольтметр
    10. Электрическое сопротивление как физическая величина. Закон Ома
    11. Удельное сопротивление. Реостаты. Резисторы
    12. Последовательное и параллельное соединения проводников. Правила
    13. Понятия работы и мощности электрического тока
    14. Количество теплоты, выделяемое проводником с током
    15. Счётчик электрической энергии
    16. Виды ламп накаливания
    17. Расчёт электроэнергии, потребляемой бытовыми электроприборами
    18. Короткое замыкание.
      Электробезопасность. Плавкие предохранители
    1. Магнитное поле. Направление магнитных линий
    2. Однородное и неоднородное магнитное поле
    3. Направление магнитных линий прямого проводника с током
    4. Как обнаружить магнитное поле.
      Правило левой руки
    5. Что такое индукция магнитного поля и магнитный поток
    6. Что такое электромагнитная индукция
    7. Направление индукционного тока. Правило Ленца. Явление самоиндукции
    8. Переменный ток.
      Генератор переменного тока
    9. Трансформатор. Передача электрической энергии на расстояние
    10. Свойства электромагнитов
    11. Постоянные магниты. Магнитное поле Земли
    12. Движение проводника в магнитном поле.
      Электродвигатель. Динамик и микрофон
    1. Понятие материальной точки. Системы отсчёта
    2. Перемещение. Скорость прямолинейного равномерного движения
    3. Прямолинейное равноускоренное движение: мгновенная скорость, ускорение
    4. Равнопеременное движение
    5. Графики зависимости величин от времени при равноускоренном движении
    6. Графики зависимости кинематических величин от времени при равномерном и равноускоренном движении
    1. Относительность механического движения
    2. Первый закон Ньютона.
      Инерция. Инерциальные системы отсчёта
    3. Второй закон Ньютона. Сила трения скольжения
    4. Взаимодействие тел. Третий закон Ньютона
    5. Ускорение свободного падения. Изменение веса при движении
    6. Движение тела, брошенного вертикально вверх.
      Невесомость
    7. Закон всемирного тяготения. Гравитационная постоянная
    1. Понятие импульса тела
    2. Закон сохранения импульса. Виды взаимодействий
    3. Что такое реактивное движение
    4. Механическая работа и мощность.
      Закон сохранения механической энергии
    1. Колебательное движение. Амплитуда, частота, период колебаний
    2. Колебательная система. Колебания груза на пружине. Математический маятник
    3. Превращение энергии при колебательном движении
    4. Вынужденные колебания.
      Резонанс
    5. Поперечные и продольные волны. Длина волны
    6. Звуковые волны. Скорость звука
    7. От чего зависят высота, тембр, громкость и резонанс звука
    1. Электромагнитное поле.
      Скорость распространения электромагнитных волн
    2. Конденсатор. Колебательный контур. Принципы радиосвязи и телевидения
    3. Электромагнитная теория света
    1. Источники света.
      Прямолинейность распространения света
    2. Понятие отражения света. Закон отражения. Плоское зеркало
    3. Понятие преломления света. Закон преломления
    4. Линза. Фокусное расстояние линзы. Построение изображений
    5. Оптическая сила линзы.
      Глаз как оптическая система. Оптические приборы
    6. Дисперсия. Спектр. Типы оптических спектров
    1. Радиоактивность как свидетельство сложного строения атомов. Опыты Резерфорда
    2. Протонно-нейтронная модель ядра.
      Энергия связи частиц в ядре
    3. Постулаты Бора. Поглощение и испускание света атомами. Линейчатые спектры
    4. Альфа-, бета- и гамма-излучения. Радиоактивные превращения атомных ядер
    5. Методы наблюдения и регистрации частиц в ядерной физике
    6. Механизм деления ядер урана.
      Протекание цепной реакции
  1. Инфографика по физике

  2. Введение

    1. Описание механического движения
    2. Прямолинейное равномерное движение
    3. Равнопеременное движение
    4. Равномерное движение по окружности
    5. Контрольная работа по теме
    1. Законы Ньютона
    2. Сила тяготения
    3. Сила упругости
    4. Силы трения
    5. Контрольная работа по теме
    1. Условия равновесия тел в ИСО
    2. Гидростатика и гидродинамика
    3. Контрольная работа по теме
    1. Импульс
    2. Механическая работа
    3. Закон сохранения энергии в механике
    4. Контрольная работа по теме
    1. Физическое описание систем с большим числом частиц
    2. Статистические закономерности МКТ
    3. Контрольная работа по теме
    1. Первый закон термодинамики
    2. Второй закон термодинамики
    3. Агрегатные состояния вещества.
      Фазовые переходы
    4. Контрольная работа по теме
    1. Электростатическое поле
    2. Работа сил электростатического поля. Разность потенциалов
    3. Электроёмкость.
      Энергия электрического поля
    1. Закон Ома для неоднородного участка цепи и замкнутой (полной) цепи
    2. Расчёт электрических цепей постоянного тока
    3. Контрольная работа по теме
    1. Электрический ток в металлах, электролитах, полупроводниках, газах и вакууме.
      Плазма
  1. Инфографика по физике

    1. Физическое описание магнитного поля
    1. Физическое описание явления электромагнитной индукции
    1. Физическое описание электромагнитных колебаний и волн
    1. Законы геометрической оптики
    1. Интерференция света
    2. Дифракция, дисперсия и поляризация света
    1. Элементы релятивистской теории
    1. Световые кванты
    2. Элементы физики атома и атомного ядра
    1. Физическое описание космических тел и систем

Белорусский государственный университет транспорта — БелГУТ (БИИЖТ)

Регистрация на конференцию «Проблемы безопасности на транспорте»

Регистрация на конференцию «Тихомировские чтения»

Как поступить в БелГУТ:


дневное, заочное полное,
заочное сокращенное

Как получить место


в общежитии БелГУТа

Как поступить иностранному гражданину

События

Все события

Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс

1

Дата : 2022-09-01

2

3

4

5

Дата : 2022-09-05

6

Дата : 2022-09-06

7

Дата : 2022-09-07

8

Дата : 2022-09-08

9

Дата : 2022-09-09

10

Дата : 2022-09-10

11

Дата : 2022-09-11

12

13

14

15

16

Дата : 2022-09-16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Все анонсы

  • Логистика. Обучение для студентов выпускных курсов…
  • ЕДИ «История белорусской государственности – основ…
  • Акция «Мы едины» — поем гимн вместе…
  • Набор в студию рисунка и живописи…
  • Открытая лекция Быченко Олега Владимировича…
  • Квиз «Гісторыя майго жыцця»…
  • Набор в волонтерский сектор Студсовета…
  • Набор в спортивные секции. 1-й курс…
  • Конкурс кандидатов в перспективный кадровый резерв…
  • Неделя спорта и здоровья

Анонсы

Университет

Абитуриентам

Студентам

Конференции

Приглашения

Логистика. Обучение для студентов выпускных курсов…

ЕДИ «История белорусской государственности – основ…

Акция «Мы едины» — поем гимн вместе…

Набор в студию рисунка и живописи…

Новости

Университет

Международные связи

Спорт

Воспитательная работа

Жизнь студентов

Новости подразделений



  • Студенческая жизнь

Интервью с участниками открытия фестиваля «Сожскi карагод» и видео-реп. ..
13 сентября 2022

  • Спорт

Неделя спорта и здоровья
13 сентября 2022

  • Университет

«К юбилею учёного»! Лодня Вячеслав Александрович…
13 сентября 2022

  • Университет

Опубликован сборник материалов конференции «Водоснабжение, химия и при…
12 сентября 2022

  • Университет

Студент БелГУТа из Марокко рассказывает об учебе в Беларуси…
12 сентября 2022

  • Студенческая жизнь

БРСМ — всегда на помощь! День города Гомеля…
12 сентября 2022

  • Университет

Новый номер газеты «Вести БелГУТа»
12 сентября 2022

  • Спорт

Республиканский легкоатлетический студенческий забег. ..
12 сентября 2022

БелГУТ предлагает жилые помещения арендного использования…
12 сентября 2022

Другие новости

  • С Днем рождения, Гомель!
  • Живой герб Гомеля на открытии «Сожскага карагода» …
  • Круглый стол «Вопросы подготовки специалистов в области правовой инфор…
  • Встреча первокурсников с инспектором по делам несовершеннолетних желез…
  • Атрымай асалоду ад роднай мовы
  • Региональный форум «Беларусь адзiная»
  • Профилактика правонарушений
  • Делегация Самарского государственного университета путей сообщения в Б…
  • Подготовительные курсы по инженерной графике…
  • Присяга 2022 — видеорепортаж
  • Диалоговая площадка «Забытые страницы белорусской истории. Геноцид бел…

КУДА ПОСТУПАТЬ

Все факультеты

БелГУТ на Доске почета

Достижения университета

Предложения

Все предложения

Видеотека

Все видео

Фотогалерея

Все фото

Моделирование ферромагнитных материалов в COMSOL Multiphysics®

Ферромагнитные материалы встречаются в самых разных электронных компонентах и устройствах. При электродинамических расчетах мы сталкиваемся с магнитными эффектами как в процессе моделирования широких прикладных задач, так и для анализа ряда характеристик используемых материалов (например, механической прочности конструкционной стали). В обоих случаях важно учитывать, что детали из ферромагнитных материалов изменяют окружающее их магнитное поле, что может повлиять на нормальную работу устройств и систем.

Классификация магнитных материалов

Чтобы понять, как отличаются магнитные свойства разных материалов, будет полезно их систематизировать и разделить на несколько классов. Самая простая классификация магнитных материалов такова:

  1. Слабо магнитные материалы
    1. Слабо влияют на внешние приложенные магнитные поля (к ним относятся, например, парамагнитные и диамагнитные материалы)
  2. Мягкие стали
    1. Эффективно концентрируют внешний магнитный поток, но не обладают собственной намагниченностью. В области без внешнего магнитного поля они не создают своего поля
  3. Твердые стали, которые мы будем называть постоянными магнитами
    1. Даже в отсутствие внешнего приложенного магнитного поля создают магнитный поток

Материалы второй и третьей категории называются ферромагнитными.

Эта классификация, впрочем, не лишена недостатков: разделение на мягкие стали и постоянные магниты не всегда однозначно, и некоторые материалы могут проявлять промежуточные свойства. У материала может быть небольшая намагниченность в отсутствие внешних источников (как у постоянного магнита), которая будет значительно возрастать во внешнем магнитном поле (как у мягкой стали).

Кроме того, материал может проявлять гистерезисные свойства, то есть намагниченность будет изменяться при включении и выключении внешней нагрузки. Внешняя нагрузка может быть не обязательно магнитным полем, создаваемым электрическим током, но и физическим смещением (как показано на видео ниже).

При работе с ферромагнитными материалами нужно уметь и иметь возможность описывать самые разные их свойства и особенности поведения. В этой статье мы рассмотрим доступный в пакете COMSOL® функционал для моделирования ферромагнитных материалов.

Обзор используемых магнитных материальных уравнений

Различные свойства магнитных материалов — желательные и нежелательные — проявляются в разных системах, и важно уметь описывать диапазон различных свойств.

Модуль AC/DC позволяет учитывать при моделировании все виды типичного поведения магнитных материалов благодаря восьми предопределенным материальным уравнениям, перечисленным в первом столбце таблицы внизу, а также позволяет задавать так называемые внешние материалы (external material) при помощи пользовательских скриптов. Слабомагнитные материалы обычно описываются с помощью первой опции, Relative permeability (Относительная проницаемость), которая выбрана по умолчанию в программном пакете COMSOL Multiphysics®.

Для описания ферромагнитных материалов используйте одну из оставшихся опций. Первые четыре опции в таблице лучше подходят для мягких сталей, а последние — для постоянных магнитов. В обеих этих группах опции упорядочены по нарастанию сложности материальных уравнений и увеличению числа свойств, описывающих динамику намагниченности.

Материальные уравнения и соотношения Soft Iron (Fully Time-dependent) (Мягкая сталь (исследование во временной области)) Soft Iron (AC Feeding) (Мягкая сталь (исследование в частотной области)) Permanent Magnets (Fully Time-Dependent) (Постоянные магниты (исследование во временной области)) Требуемая информация
Relative Permeability (Относительная проницаемость) 1 скалярная (или тензорная) величина
Magnetic Losses (Магнитные потери) 2 скалярных (или тензорных) величины
B-H Curve (Кривая намагничивания) 1 функция
Effective B-H Curve (Эффективная кривая намагничивания)* 1 функция
Magnetization (Намагниченность) 1 векторная величина
Remanent Flux Density (Остаточная магнитная индукция) 1 скалярная (или тензорная) величина и 1 векторная величина
B-H Nonlinear Permanent Magnet (Нелинейный постоянный магнит с B-H-кривой) Функция и направление
Модель гистерезиса Джилса-Атертона 5 скалярных (или тензорных) величин
External Magnetic Material (Внешний магнитный материал)** Сторонний скомпилированный код

Сводная таблица по вариантам физических законов для моделирования твердых и мягких сталей и количеству необходимых исходных параметров и/или функций. *Эффективная кривая намагничивания может быть получена путем преобразования стандартной кривой с помощью приложения из Библиотеки приложений модуля AC/DC. Подробнее об этих возможностях рассказывается в предыдущей записи нашего блога.) ** External Magnetic Material (Внешний магнитный материал) является подопцией для кривой намагничивания (B-H curve). Дополнительная информация о данном условии содержится в нашем материале о задании и доступе к моделям внешних материалов.

Восемь графиков в осях B и H в нижеследующем разделе иллюстрируют типичную динамику намагниченности для различных материальных уравнений, приведенных в таблице выше. На графиках вдоль оси y откладывается магнитная индукция B. Эта величина напрямую измеряется и однозначно интерпретируется. Ось x показывает магнитное поле H. Интерпретация этой величины зависит от исследуемой системы, как будет показано на примере ниже.

Для описания указанных графиков будем рассматривать идеальную магнитную цепь с магнитным тором длины L, равномерно обмотанным N витками катушки с током I. В этом случае H = N*I/L. В зависимости от прикладной задачи, производители используют такую конструкцию (или рамку Эпштейна) для измерения кривых намагничивания.

Мы также приведем несколько примеров использования этих условий в обычных магнитных материалах и применения в типичных прикладных задачах.

Соотношения для мягких (в магнитном отношении) сталей
Материальные уравнения и соотношения Зависимость B от H Комментарии
Relative Permeability (Относительная проницаемость)
  • Можно использовать для описания мягких сталей в малых полях
  • Пластинчатые сердечники силовых трансформаторов при коротком замыкании очень хорошо описываются этим соотношение
Magnetic Losses (Магнитные потери)
  • Типично для всех ферромагнитных материалов на высоких частотах
  • Для ферритов, используемых в высокочастотных катушках индуктивности, трансформаторах и концентраторах потока, такие данные обычно указаны в технических спецификациях
B-H Curve (Кривая намагничивания)
  • Самое классическое уравнение для описания мягких в магнитном отношении сталей
  • Учитывает магнитное насыщение
  • Используется для описания подвижных магнитных контуров с переменным магнитным сопротивлением, например, в электродвигателях и генераторах
  • При малых магнитных полях совпадает с материальным соотношением Relative Permeability (Относительная проницаемость)
Effective B-H Curve (Эффективная кривая намагничивания)
  • Обобщение материального соотношения B-H Curve (Кривая намагничивания) для случая питания переменным током при исследовании в частотной области
  • Работает для стационарных контуров или случаев, когда геометрия цепи меняется медленно по сравнению с внешним переменным магнитным полем
  • Это условие можно использовать для ферромагнитных деталей в установках индукционного нагрева или сердечниках трансформаторов в разомкнутых цепях
  • При малых магнитных полях совпадает с материальным соотношением Relative Permeability (Относительная проницаемость)
Соотношения для постоянных магнитов
Материальные уравнения и соотношения Зависимость B от H Комментарии
Magnetization (Намагниченность)
  • Типовое описание редкоземельных постоянных магнитов
    • Используется в моделях современных электрических двигателей, генераторов, датчиков
Remanent Flux Density (Остаточная магнитная индукция)
  • Обобщение материального соотношения Magnetization (Намагниченность)
  • Позволяет лучше учитывать эффекты размагничивания под действием внешнего поля, направленного против вектора текущей намагниченности
  • Можно использовать для сплавов типа альнико при небольших изменениях приложенного поля
B-H Nonlinear Permanent Magnet (Нелинейный постоянный магнит с B-H-кривой)
  • Доступен в интерфейсах Magnetic Fields (Магнитные поля) и Magnetic Fields, No Current (Магнитные поля, без токов) модуля AC/DC начиная с версии 5. 3a программного пакета COMSOL Multiphysics
  • Специальное условие для моделирования размагничивания постоянных магнитов, использующее только данные об одноосных свойствах магнита
  • Часто используется для сплавов типа альнико и редкоземельных магнитов, работающих при высокой температуре
  • Похоже одновременно на соотношения B-H Curve (Кривая намагничивания) и Magnetization (Намагниченность), так как описывает поведение материалов, близкое к материальному соотношению B-H Curve (Кривая намагничивания), но сдвигает кривую в плоскости B-H
Модель гистерезиса Джилса-Атертона
  • Гибкое уравнение для моделирования разных материалов, содержащее большое число параметров
  • Можно использовать для точной подстройки расчетов потерь в электродвигателях и других электрических машинах, хотя применимость модели иногда и ограничена сложностью получения некоторых параметров материала

Обратите внимание, что мы не упоминули опцию external magnetic material (Внешний магнитный материал), указанную в первой таблице. Это дополнительная опция к материальному уравнению B-H Curve (Кривая намагничивания), позволяющая моделировать самые общие произвольные законы для магнитных материалов. Подробный пример изложен в предыдущей статье. Эта опция обычно используется для описания пользовательских моделей гистерезиса с условной логикой.

Все параметры и функции, упомянутые в таблицах выше, могут зависеть от остальных параметров модели. Это чрезвычайно важно: таким образом функция может учитывать мультифизические эффекты или свободно обрабатывать нелинейные эффекты в материалах.

В учебной модели топологической оптимизации магнитной цепи приведен пример, в котором нелинейная зависимость вручную добавляется к опции Relative Permeability (Относительная проницаемость), воспроизводя поведение опции B-H Curve (Кривая намагничивания). Этот пример показывает, что для перехода от одной опции к другой достаточно написать в поле для относительной проницаемости выражение murOfB(mf.normB). 2*murOfB(mf.normB). Этот закон описывает воздух при p = 0 и мягкую сталь при p = 1. Значение p в рамках модели выбирается во время топологической оптимизации. Обратите внимание, что задание функции от переменной normB может потребовать дополнительных действий для улучшения сходимости, что подробно описано в документации к указанной модели. В этой модели была активирована опция «Split complex variables in real and imaginary parts» (Разбивать комплексные переменные на действительную и мнимую части).

Другая прикладная задача, в которой полезно задавать проницаемость как функцию, — индукционный нагрев. В этом случае материал проходит через точку Кюри. Обычно для этого проницаемость задается в виде функции типа 1+f(T)*(mur(normB)-1), где f(T) — функция, равная единице при низких температурах, понижающаяся до нуля при температуре Кюри и равная нулю выше температуры Кюри. Этот метод используется для точного моделироватния различных процессов индукционного нагрева сталей (например, закалки). В общем случае функциональные зависимости параметров кривых намагничивания от температуры можно взять из статей и технических спецификаций и задать с помощью того же метода.

Многие параметры, описанные в таблице как “скаляры” и “функции”, можно задать как тензоры или наборы функций, описывающих компоненты вектора или тензора. Это важно, потому что магнитные свойства по своей природе являются векторными. Модуль AC/DC позволяет задавать все описанные в первой таблице свойства для полностью анизотропных материалов. Такой пример описан и обсуждается в учебной модели векторного гистерезиса, которая использует анизотропный материал Джилса-Атертона и воспроизводит опубликованные данные.

Векторная природа полей важна для моделирования подвижного магнитного оборудования. На анимации ниже показана плотность магнитного потока во вращающемся оборудовании, в которой внешняя область описана согласно модели гистерезиса Джилса-Атертона. Слева вращается область с гистерезисом, а справа — внутренний магнит. Все компоненты векторов B и H при переходе от левого изображения к правому изменяются так, как должны изменяться векторы при вращении. Таким образом, правая анимация выглядит так же, как левая анимация при жестком вращении тела.

Магнитная индукция во вращающемся оборудовании, включающем материал с гистерезисом, показывает, что векторная природа полей приводит к одинаковым локальным полям в системе отсчета, связанной с источником магнитного поля (слева), и в системе отсчета, связанной с областью с гистерезисом (справа).

Моделирование ферромагнитных материалов в COMSOL Multiphysics®

Теперь рассмотрим пример, в котором для одной и той же детали из ферромагнитного материала последовательно используются разные законы, моделирующие свойства детали в разных процессах. Мы принимаем за данность, что нам доступна только некоторая информация о свойствах материала.

На рисунке ниже изображена модель магнитного контура. Красным отмечена деталь, выполненная из мягкой стали с нелинейным поведением, малым остаточным магнитным потоком и кривой намагничивания с гистерезисом. Для нее использовали материал Soft Iron (Мягкая сталь) из Библиотеки материалов модуля AC/DC: излом кривой достигает 1,5 Тл при значении 5400 А/м. Синим отмечена катушка, обвитая вокруг сердечника из мягкой стали. Зеленая область — интересующая нас деталь, которую мы и будем изучать, используя разные законы. Например, это может быть деталь из сплава альнико (AlNiCo) без начальной намагниченности.


Геометрия магнитной цепи. На схеме показаны мягкая сталь (красная область), катушка (синяя область) и сплав типа альнико (зеленая область). Изначально брусок из альнико не намагничен; при появлении тока в катушке он намагничивается, а при извлечении из магнитной цепи (вверх по стрелке) размагничивается.

Мы можем моделировать четыре рабочих режима в магнитной цепи:

  1. Деталь из сплава альнико изначально не намагничена; при протекании тока в катушке деталь намагничивается
  2. Деталь из сплава альнико намагничивается током, текущим на шаге 1, и остается намагниченной даже после исчезновения тока в катушке
  3. Намагниченная деталь из сплава альнико в конце шага 2 извлекается из сердечника и частично размагничивается
  4. Размагниченная деталь из сплава альнико включается обратно в магнитную цепь; остаточный магнитный поток остается почти таким же малым, каким он был вне магнитной цепи

Было бы заманчиво настроить материальные соотношения один раз для всего рабочего цикла. Это возможно сделать, но для этого нам понадобятся специальные независимые измерения от производителя стали. Например, можно легко узнать значение напряженности магнитного поля H, при котором материал полностью намагничен, соответствующее значение остаточного магнитного потока и вид кривой размагничивания.

Но для этого примера давайте предположим, что насыщение достигается при приложенном внешнем магнитном поле напряженностью 30 кА/м, а одноосная кривая размагничивания во втором квадранте плоскости B-H приведена в таблице ниже. Кривая начинается с остаточного магнитной индукции Br при H = 0 и стремится к B = 0 при отрицательном значении коэрцитивного поля Hc. Обратите внимание, что данные, приведенные в таблице, полностью соответствуют материалу, который вы найдете в COMSOL Multiphysics — это материал Demagnetizable Nonlinear Permanent Magnet (Размагничиваемый нелинейный постоянный магнит) в Библиотеке материалов модуля AC/DC.

Если вы хотите использовать свои собственные данные, изучите встроенный типовой материал. Обратите внимание, что вам нужно будет указать значение коэрцитивного магнитного поля Hc и соответствующую кривую размагничивания. Так как кривая размагничивания обычно расположена во втором квадранте, ее нужно сдвинуть вдоль оси H на величину abs(Hc). После такого сдвига кривая в плоскости B-H будет начинаться в точке (0, 0) и достигнет значения остаточной плотности потока Br в точке abs(Hc). Подробные указания содержатся в Руководстве пользователя модуля AC/DC.

H, кА/м B, Тл
-50 (коэрцитивное магнитное поле Hc) 0
-48 0.5
-47 0.7
-46 0.85
-44 0.96
-40 1.03
-35 1.08
-30 1.11
-20 1.155
-10 1.187
0 1. 2 (остаточная индукция, Br)

Данные для второго квадранта кривой намагничивания для такого материала, как Demagnetizable Nonlinear Permanent Magnet (Размагничиваемый нелинейный постоянный магнит) содержатся в Библиотеке материалов модуля AC/DC.

Траектория горизонтального компонента магнитной индукции в центре компонента из сплава Альнико для каждого из четырех описанных процессов представлена на иллюстрации ниже. Цвета обозначают следующие стадии:

  1. Синяя кривая: при включении тока (этот шаг процесса начинается слева с точки H = 0 при нулевом токе и достигает максимальной намагниченности справа)
  2. Зеленая кривая: процесс отключения тока (начинается справа, достигает конечной магнитной индукции слева на уровне H = 0 при нулевом токе в катушке)
  3. Красная кривая: процесс размагничивания при извлечении образца из магнитной цепи; точно соответствует данным в таблице выше
  4. Голубая кривая: повторное включение магнита в цепь; процесс начинается слева (образец вне контура) и заканчивается справа при полностью включенном в в контур образце магнита

Горизонтальный компонент магнитной индукции в центре компонента из сплава Альнико для каждого из четырех описанных процессов.

В следующем видеоматериале представлены условия, приложенные к компоненту из сплава Альнико, а также итоговые траектории, представленные на графике выше.

Обратите внимание, что эти исследования представляют собой достаточно простые и надежные стационарные параметрические исследования, которые основаны на предыдущем решении. Подобная настройка позволяет нам с легкостью выполнять трехмерное моделирование или использовать более сложную геометрию. Как уже было отмечено, мы использовали данные предыдущего решения для того, чтобы связать друг с другом кривые, отвечающие различным областям. Именно из-за этого на кривой, представленной на графике выше, заметны небольшие разрывы.

Эту модель можно подстроить так, чтобы избавиться от разрывов, но появляющиеся при этом дополнительные параметры потребуют проведения новых измерений. Следуя процедуре, изложенной выше, мы убедились, что проводить такие измерения не обязательно, и правдоподобные решения можно найти и на основе стандартных доступных данных.

Следует сделать одно замечание о величине, отложенной вдоль оси x на графике выше. Величина, отложенная вдоль оси x, на шаге 1 и шаге 2 естественным образом связана с током, текущим через катушку. На шаге 3 и шаге 4 ток в катушке не течет, и напряженность магнитного поля зависит от пространственного перемещения деталей. Таким образом, не так просто однозначно выбрать величину, которую разумно откладывать вдоль оси x. На шаге 3 мы использовали встроенную переменную axialH. На шаге 4 мы использовали нормированное смещение детали от магнитной цепи. При изучении кривой намагничивания важно помнить о том, какие из определений были использованы, какими были цели исследования и какие приборы использовались.

На этом примере мы показали, что мы можем менять материальные соотношения в зависимости от задачи и использовать произвольные выражения, построенные на ранее рассчитанных переменных. Здесь мы рассмотрели самый простой случай, чтобы не усложнять задачу. Более строгое и сложное описание трехмерной модели извлечения и вставки бруска из сплава альнико в магнитный контур вы найдете в этой модели саморазмагничивания. В эту модель добавлена локальная линейная модель отдачи при вставке магнита.

Заключение

В этой статье мы рассмотрели большой набор опций для моделирования магнитных материалов, доступных в программном пакете COMSOL Multiphysics и модуле AC/DC. Мы начали с основных принципов электромагнетизма и набора встроенных условий и изучили, какие материальные соотношения лучше подходят для различных материалов и устройств. Мы также указали, какие функциональные возможности используются для мультифизического моделирования и задания более сложных условий. Несмотря на это, мы затронули только малую часть соображений, которые надо учесть при выборе материальных соотношений.

Мы советуем вам изучить дополнительную литературу, указанную ниже, и/или связаться с нами, чтобы узнать больше о программном пакете COMSOL.

Дальнейшие шаги

Узнайте о том, как моделировать магнитные материалы с помощью модуля AC/DC. Если вы хотите попробовать программный пакет в работе, на странице продукта вы можете оставить заявку на демонстрацию.

Описание возможностей модуля AC/DC

Дополнительные источники
  • Просмотрите запись вебинара по моделированию ферромагнитов
  • Прочтите связанные заметки в нашем корпоративном блоге:
    • Быстрое введение в моделирование постоянных магнитов
    • Моделирование магнитострикции в COMSOL Multiphysics
    • Учет потерь на вихревые токи при расчете электродвигателя с постоянными магнитами
  • Изучите следующие учебные модели:
    • Анализ катушки индуктивности в режиме малых сигналов
    • Электродинамический громкоговоритель
    • 3D модель вращающегося магнитного оборудования

Электрические и магнитные свойства материалов, определяемые с помощью самых мощных микроскопов

Передовые материалы с точно настроенными электрическими и магнитными свойствами являются целью всех материаловедов. Более энергоэффективные электронные устройства, гибридные электромобили с более высокими характеристиками и более интеллектуальные устройства хранения данных являются одними из потенциальных применений правильного материала.

«Электрические и магнитные поля на атомном уровне материала определяют его объемные свойства и поведение и являются важной областью исследований», — говорит Тошиаки Танигаки, старший научный сотрудник Hitachi, Ltd. Research & Development Group в Японии.

Тошиаки Танигаки, старший научный сотрудник группы исследований и разработок Hitachi, Ltd. перед голографическим электронным микроскопом Hitachi 1,2 МВ© Hitachi, Ltd. Группа исследований и разработок

Электронные микроскопы с разрешением на атомном уровне позволяют ученым глубже заглянуть в атомное строение высокофункциональных композитных материалов, помогая им понять, как настроить их электрические и магнитные свойства.

Например, интерфейс между ферритом лантана (LaFeO 3 ) и титанат стронция (SrTiO 3 ) вызвали значительный интерес, поскольку они проявляют свойства, отсутствующие в составляющих его материалах. По отдельности LaFeO 3 и SrTiO 3 являются неполярными изоляторами, но, что любопытно, интерфейсы LaFeO 3 /SrTiO 3 проявляют спонтанную поляризацию и объемный фотоэлектрический эффект.

Танигаки в сотрудничестве с исследователями из RIKEN, Университета Тохоку и Токийского университета в Японии использовал изображения, полученные с помощью полевых эмиссионных трансмиссионных электронных микроскопов Hitachi HF5000 (FE-TEM), для картирования расположения атомов на границе ультратонких слоев ЛаФеО 3 и SrTiO 3 .

На изображениях с пикометровым разрешением обнаружены концевые элементы SrTiO 3 на границе раздела, которые играют существенную роль в возникновении спонтанной электрической поляризации и фотогальванических эффектов композитного материала.

«Элементы на границе раздела меняют электрические свойства сыпучего материала», — объясняет Танигаки. «Возможность нанести на карту эти элементы с атомарным разрешением была критическим аспектом исследования».

Танигаки говорит, что открытие может однажды привести к разработке более эффективных фотогальванических материалов.

Тем временем голографическая электронная микроскопия Hitachi углубилась в науку о материалах. Используя одни из самых мощных микроскопов в мире, этот метод позволяет проводить электронные наблюдения с разрешением до 43 пикометров.

Исследователи из Университета Тохоку, RIKEN, Японского агентства по науке и технологиям, Национального института материаловедения в Японии и Университета Донг-А в Южной Корее использовали голографический электронный микроскоп Hitachi HF-3300 для исследования магнитных полей неодим-железо- Борные (Nd-Fe-B) постоянные магниты на границе раздела, называемой границей зерна.

Самые сильные постоянные магниты, доступные в настоящее время, магниты Nd-Fe-B используются в различных приложениях, включая магнитно-резонансную томографию, датчики и высокопроизводительные двигатели для гибридных электромобилей. Однако их коэрцитивная сила — мера силы постоянных магнитов — значительно снижается при повышенных температурах, характерных для двигателей транспортных средств.

Магнитный поток в маленьком мире© Hitachi, Ltd. Research & Development Group

«Большой проблемой при изучении постоянных магнитов Nd-Fe-B является понимание и контроль магнетизма границ зерен, что необходимо для улучшения коэрцитивной силы магнита», — говорит Ясукадзу Мураками, профессор Университета Кюсю в Японии и приглашенный исследователь. в RIKEN, который руководил исследованиями.

Электронная голография позволила исследователям изучить магнетизм ультратонкой (размером несколько нанометров) области границы зерен в постоянных магнитах Nd-Fe-B с высокой точностью и может привести к созданию более сильных постоянных магнитов для использования в более эффективной тяге. двигателей в гибридных электромобилях.

Позволяя ученым наблюдать величину и направление магнитных полей материалов с беспрецедентным разрешением, электронная голография углубляет понимание магнитных свойств и поведения материалов, открывая новые направления в материаловедении и технике.

Хотя ученым удалось разделить электрические и магнитные поля, чтобы наблюдать их с разрешением менее одного нанометра, им не удалось добиться этого на атомном уровне.

«Последние достижения в области электронных микроскопов достигли технологического предела», — объясняет Танигаки. «Для следующего прорыва мы стремимся объединить электронную голографию с информатикой, используя искусственный интеллект для улучшения отношения сигнал-шум, что может позволить нам проводить наблюдения магнитного поля с разрешением на атомном уровне».

Справочные номера

Эта рекламная функция создана компанией Nature Research Custom Media для Hitachi High-Technologies. Рекламодатель несет ответственность за содержание. Об этом содержании .

Магнитные, электрические и механические свойства высокоэнтропийного сплава Fe40Mn40Co10Cr10

1. George EP, Raabe D, Ritchie RO. Высокоэнтропийные сплавы. Нац. Преподобный Матер. 2019;4:515–534. doi: 10.1038/s41578-019-0121-4. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

2. Ge H, Tian F. Обзор ab initio расчета искажения решетки в высокоэнтропийных сплавах. Джом. 2019;71:4225–4237. doi: 10.1007/s11837-019-03777-1. [CrossRef] [Google Scholar]

3. Gao MC, Miracle DB, Maurice D, Yan X, Zhang Y, Hawk JA. Высокоэнтропийные функциональные материалы. Дж. Матер. Рез. 2018;33:3138–3155. doi: 10.1557/jmr.2018.323. [CrossRef] [Google Scholar]

4. Ye YF, Wang Q, Lu J, Liu CT, Yang Y. Высокоэнтропийный сплав: проблемы и перспективы. Матер. Сегодня. 2016;19: 349–362. doi: 10.1016/j.mattod.2015.11.026. [CrossRef] [Google Scholar]

5. Чудо Д.Б., Сеньков О.Н. Критический обзор сплавов с высокой энтропией и связанных с ними концепций. Acta Mater. 2017; 122:448–511. doi: 10.1016/j.actamat.2016.08.081. [CrossRef] [Google Scholar]

6. Дэн Й., Тасан С.С., Прадип К.Г., Спрингер Х., Костка А., Раабе Д. Разработка высокоэнтропийного сплава с пластичностью, индуцированной двойникованием. Acta Mater. 2015;94:124–133. doi: 10.1016/j.actamat.2015.04.014. [CrossRef] [Академия Google]

7. Вэй Р, Сун Х, Хань Чж, Чен С, Ван Т, Гуань С.К., Ли Ф.С. Упрочнение высокоэнтропийного сплава Fe40Mn40Co10Cr10 легированием Mo/C. Матер. лат. 2018;219:85–88. doi: 10.1016/j.matlet.2018.02.065. [CrossRef] [Google Scholar]

8. Ван И-Л, Хуан И, Шань Л, Ли С, Дай П, Жэнь С, Вэнь Х-Х. Эффект отжига на легированном электронами сверхпроводнике Pr088LaCe012CuO4±δ Phys Rev. B. 2009 doi: 10.1103/PhysRevB.80.094513. [CrossRef] [Google Scholar]

9. Pradeep KG, Tasan CC, Yao MJ, Deng Y, Springer H, Raabe D. Неэквиатомные сплавы с высокой энтропией: подход к быстрому скринингу сплавов и проектированию, ориентированному на свойства. Матер. науч. англ. А. 2015; 648: 183–19.2. doi: 10.1016/j.msea.2015.09.010. [CrossRef] [Google Scholar]

10. Li Z, Pradeep KG, Deng Y, Raabe D, Tasan CC. Метастабильные двухфазные сплавы с высокой энтропией преодолевают компромисс между прочностью и пластичностью. Природа. 2016; 534: 227–230. doi: 10.1038/nature17981. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

11. Acciarri MD, La Roca P, Guerrero LM, Baruj A, Curiale J, Sade M. Влияние антиферромагнитного упорядочения FCC на стабильность фаз в Fe60-xMn30Cr10Cox high энтропийные сплавы. J. Alloys Compd. 2020;823:153845. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.153845. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

12. Wu X, Li Z, Rao Z, Ikeda Y, Dutta B, Körmann F, Neugebauer J, Raabe D. Роль магнитного упорядочения в разработке пятикомпонентных высокоэнтропийных сплавов TWIP-TRIP. физ. Преподобный Матер. 2020; 4:1–14. doi: 10.1103/physrevmaterials.4.033601. [CrossRef] [Google Scholar]

13. Yu PF, Zhang LJ, Cheng H, Zhang H, Ma MZ, Li YC, Li G, Liaw PK, Liu RP. Высокоэнтропийные сплавы с высокой твердостью и магнитомягкими свойствами, полученные механическим легированием и спеканием под высоким давлением. Интерметаллиды. 2016;70:82–87. doi: 10.1016/j.intermet.2015.11.005. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

14. Камарад Дж., Фриак М., Каштил Дж., Шнеевайс О., Шоб М., Длоухи А. Влияние высокого давления на магнитные свойства высокоэнтропийного сплава CrMnFeCoNi. Дж. Магн. Магн. Матер. 2019 г.: 10.1016/j.jmmm.2019.165333. [CrossRef] [Google Scholar]

15. Schneeweiss O, Friák M, Dudová M, Holec D, Šob M, Kriegner D, Holý V, Beran P, George EP, Neugebauer J, Dlouhý A. Магнитные свойства CrMnFeCoNi high -энтропийный сплав. физ. Ред. Б. 2017; 96:1–14. doi: 10.1103/PhysRevB.96.014437. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

16. Kao YF, Chen SK, Chen TJ, Chu PC, Yeh JW, Lin SJ. Электрические, магнитные и холловские свойства высокоэнтропийных сплавов AlxCoCrFeNi. J. Alloys Compd. 2011; 509:1607–1614. doi: 10.1016/j.jallcom.2010.10.210. [CrossRef] [Google Scholar]

17. Jin K, Sales BC, Stocks GM, Samolyuk GD, Daene M, Weber WJ, Zhang Y, Bei H. Адаптация физических свойств однофазных эквиатомных сплавов на основе Ni путем модификации химическая сложность. науч. Отчет 2016; 6: 1–10. doi: 10.1038/srep20159. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

18. Niu C, LaRosa CR, Miao J, Mills MJ, Ghazisaeidi M. Магнитоуправляемое фазовое упрочнение сплавов с высокой энтропией. Нац. коммун. 2018; 9:1–9. doi: 10.1038/s41467-018-03846-0. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

19. Tsai MH. Физические свойства высокоэнтропийных сплавов. Энтропия. 2013;15:5338–5345. doi: 10.3390/e15125338. [CrossRef] [Google Scholar]

20. Acet M. Создание сильного магнетизма в высокоэнтропийных сплавах Cr20Mn20Fe20Co20Ni20 за счет использования его антиинварных свойств. АИП Пров. 2019doi: 10.1063/1.5120251. [CrossRef] [Google Scholar]

21. Abuzaid W, Sehitoglu H, Lambros J. Локализация пластической деформации и образование усталостных микротрещин в Hastelloy X. Mater. науч. англ. А. 2013; 561: 507–519. doi: 10.1016/j.msea.2012.10.072. [CrossRef] [Google Scholar]

22. Абузейд В., Сехитоглу Х. Критическое разрешенное напряжение сдвига для скольжения и образования двойников в монокристаллическом высокоэнтропийном сплаве FeNiCoCrMn. Матер. Характер. 2017; 129: 288–299. doi: 10.1016/j.matchar.2017.05.014. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

23. He ZF, Jia N, Ma D, Yan HL, Li ZM, Raabe D. Совместный вклад трансформации и двойникования в сочетание высокой прочности и пластичности высокоэнтропийного сплава FeMnCoCr при криогенных температурах. Матер. науч. англ. А. 2019; 759: 437–447. doi: 10.1016/j.msea.2019.05.057. [CrossRef] [Google Scholar]

24. Ma D, Grabowski B, Körmann F, Neugebauer J, Raabe D. Ab initio термодинамика высокоэнтропийного сплава CoCrFeMnNi: важность вклада энтропии помимо конфигурационного. Acta Mater. 2015;100:90–97. doi: 10.1016/j.actamat.2015.08.050. [CrossRef] [Google Scholar]

25. Ikeda Y, Tanaka I, Neugebauer J, Körmann F. Влияние внедренного углерода на фазовую стабильность и энергию дефекта упаковки высокоэнтропийного сплава CrMnFeCoNi. физ. Преподобный Матер. 2019;3:68–71. doi: 10.1103/PhysRevMaterials.3.113603. [CrossRef] [Google Scholar]

26. Икеда Ю., Грабовски Б., Кёрманн Ф. Неэмпирическая фазовая стабильность и механические свойства многокомпонентных сплавов: всесторонний обзор сплавов с высокой энтропией и сложных по составу сплавов. Матер. Характер. 2019;147:464–511. doi: 10.1016/j.matchar.2018.06.019. [CrossRef] [Google Scholar]

27. Zhang Y, Zuo T, Cheng Y, Liaw PK. Высокоэнтропийные сплавы с высокой намагниченностью насыщения, удельным электрическим сопротивлением и ковкостью. науч. Отчет 2013; 3: 1–7. doi: 10.1038/srep01455. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

28. К. Пержинска, А. Го, К. Шимански, М. Бернацка, Гавелек, Б. Кальска-Шостко, Д. Олешак, К. Речко , Дж. Валишевски, П. Залески (2014) Электрические и магнитные свойства выбранных высокоэнтропийных сплавов на основе железа. проц. 8-й междунар. конф. Механохимия Мех. Сплав. ДОХОД. 126 , 999–1004. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.126.999.

29. Шебеста Дж., Карва К., Легут Д. Роль магнетизма в стабильности высокоэнтропийного сплава CoCrFeMnNi и его производных. физ. Преподобный Матер. 2019;3:1–10. doi: 10.1103/PhysRevMaterials.3.124410. [CrossRef] [Google Scholar]

30. В. Постников, Электронная структура, 37 (1988).

31. Schneider A, Fu CC, Barreteau C. Зависимость магнетизма Mn от локальной среды в ОЦК железо-марганцевых сплавах: исследование первых принципов. физ. Ред. Б. 2018;98:1–17. doi: 10.1103/PhysRevB.98.094426. [CrossRef] [Google Scholar]

32. Сеннингер О., Мартинес Э., Суассон Ф., Настар М., Бреше Ю. Атомистическое моделирование кинетики разложения сплавов Fe-Cr: влияние магнетизма. Acta Mater. 2014;73:97–106. doi: 10.1016/j.actamat.2014.03.019. [CrossRef] [Google Scholar]

33. Биллингтон Д., Джеймс АДН, Харрис-Ли Э.И., Лагос Д.А., О’Нил Д., Цуда Н., Тойоки К., Котани Ю., Накамура Т., Бей Х., Му С., Самолюк Г.Д. , Stocks GM, Duffy JA, Taylor JW, Giblin SR, Dugdale SB. Объемный и элементный магнетизм среднеэнтропийных и высокоэнтропийных сплавов Кантора-Ву. физ. Ред. Б. 2020; 102:1–14. doi: 10.1103/PhysRevB.102.174405. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

34. Huang S, Li W, Li X, Schönecker S, Bergqvist L, Holmström E, Varga LK, Vitos L. Механизм магнитного перехода в высокоэнтропийных сплавах на основе FeCrCoNi. Матер. Дес. 2016; 103:71–74. doi: 10.1016/j.matdes.2016.04.053. [CrossRef] [Google Scholar]

35. Klaver TPC, Drautz R, Finnis MW. Магнетизм и термодинамика бездефектных сплавов Fe-Cr. Phys Rev. B Condens. Материя Матер. физ. 2006; 74:1–11. doi: 10.1103/PhysRevB.74.094435. [CrossRef] [Google Scholar]

36. Földeáki M, Ledbetter H, Uggowitzer P. Магнитные свойства хромомарганцевых аустенитных нержавеющих сталей. Дж. Магн. Магн. Матер. 1992;110:185–196. doi: 10.1016/0304-8853(92)-I. [CrossRef] [Google Scholar]

37. Рубан А.В., Разумовский В.И. Термодинамическая модель фазовых равновесий в ОЦК сплавах Fe-Cr, основанная на первых принципах. Phys Rev. B Condens. Материя Матер. физ. 2012;86:1–16. doi: 10.1103/PhysRevB.86.174111. [CrossRef] [Google Scholar]

38. Фу С.С., Лаврентьев М.Ю., Сулейрол Р., Дударев С.Л., Нгуен-Ман Д. Низкотемпературный и высокотемпературный магнетизм нанокластеров Cr и Fe в железо-хромовых сплавах. Phys Rev. B — Condens. Материя Матер. физ. 2015;91:1–16. doi: 10.1103/PhysRevB.91.094430. [CrossRef] [Google Scholar]

39. Кожель П., Вртник С., Крнель М., Елен А., Гачник Д., Венчка М., Ягличич З., Меден А., Даной Ф., Ледье Дж., Фейербахер М., Долиншек Дж. Спин-стекло магнетизм неэквиатомного высокоэнтропийного сплава CoCrFeMnNi. Дж. Магн. Магн. Матер. 2021; 523:1–10. doi: 10.1016/j. jmmm.2020.167579. [CrossRef] [Google Scholar]

40. Zhang Y, Zhang M, Li D, Zuo T, Zhou K, Gao MC, Sun B, Shen T. Композиционный дизайн магнитомягких высокоэнтропийных сплавов путем минимизации коэффициента магнитострикции в (Fe Система 0,3 Co 0,5 Ni 0,2)100–x (Al 1/3 Si 2/3)x. Металлы (Базель). 2019;9:1–14. doi: 10.3390/met82. [CrossRef] [Google Scholar]

41. Landgraf FJG, Da Silveira JRF, Rodrigues D. Определение влияния размера зерна и максимальной индукции на коэрцитивное поле электротехнических сталей. Дж. Магн. Магн. Матер. 2011;323:2335–2339. doi: 10.1016/j.jmmm.2011.03.034. [CrossRef] [Google Scholar]

42. Swarzendruber LJ, Hicho GE, Chopra HD, Leigh SD, Adam G, Tsory E. Влияние пластической деформации на магнитные и механические свойства сверхнизкоуглеродистой листовой стали. Дж. Заявл. физ. 1997;81:4263–4265. дои: 10.1063/1.364796. [CrossRef] [Google Scholar]

43. Митра А. Влияние пластической деформации на магнитные свойства нержавеющей стали 304 при растяжении, 9 Th Eur. конф. НК. Берлин. 2006;4(4-4):1–8. [Google Scholar]

44. Фиорилло Ф., Кюпферлинг М., Аппино С. Магнитный гистерезис и шум баркаузена в пластически деформированных стальных листах. Металлы (Базель). 2018 г.: 10.3390/met8010015. [CrossRef] [Google Scholar]

45. Крнель М., Вртник С., Елен А., Кожель П., Ягличич З., Меден А., Фейербахер М., Долиншек Дж. Сперомагнетизм и асперомагнетизм как основные состояния Tb-Dy-Ho- Эр-Тм «идеальный» высокоэнтропийный сплав. Интерметаллиды. 2020 г.: 10.1016/j.intermet.2019.106680. [CrossRef] [Google Scholar]

46. Zhao RF, Ren B, Zhang GP, Liu ZX, Cai B, Jian Zhang J. Порошки высокоэнтропийного сплава CoCrxCuFeMnNi с превосходными магнитомягкими свойствами. Дж. Магн. Магн. Матер. 2019;491:165574. doi: 10.1016/j.jmmm.2019.165574. [CrossRef] [Google Scholar]

47. Sales BC, Jin K, Bei H, Stocks GM, Самолюк GD, May AF, McGuire MA. Квантовое критическое поведение в концентрированном тройном твердом растворе. науч. Отчет 2016; 6: 1–8. doi: 10.1038/srep26179. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

48. Кудрновский Дж., Дрчал В., Мака Ф., Турек И., Хмелевский С. Электронный перенос в высокоэнтропийных сплавах: AlxCrFeCoNi на примере. физ. Ред. Б. 2019; 100:1–8. doi: 10.1103/PhysRevB.100.014441. [CrossRef] [Google Scholar]

49. Куров Н.И., Пушин В.Г., Королев А.В., Князев Ю.В., Ивченко М.В., Устюгов Ю.М. Особенности физических свойств быстрозакаленного высокоэнтропийного сплава AlCrFeCoNiCu. J. Alloys Compd. 2015; 636: 304–309. doi: 10.1016/j.jallcom.2014.12.012. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

50. Вртник С., Лужник Дж., Кожель П., Елен А., Лузар Дж., Крнель М., Ягличич З., Меден А., Фейербахер М., Долиншек Дж. Магнитная фазовая диаграмма и магнитосопротивление гексагонального Gd–Tb–Dy–Ho–Lu высокоэнтропийный сплав. Интерметаллиды. 2019;105:163–172. doi: 10.1016/j.intermet.2018.10.014. [CrossRef] [Google Scholar]

51. Кэрролл Дж., Абузаид В., Ламброс Дж., Сехитоглу Х. Экспериментальная методология установления связи локальной деформации с микроструктурной текстурой. преподобный наук. Инструм. 2010 г.: 10.1063/1.3474902. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

физика | Определение, типы, темы, важность и факты

Модель давления газа Бернулли

Смотреть все СМИ

Ключевые люди:
Жерар Муру Райнер Вайс Донна Стрикленд Валери Томас Кип Торн
Похожие темы:
механика оптика квантовая механика сила тяжести космология

Просмотреть весь связанный контент →

Популярные вопросы

Что такое физика?

Физика — это область науки, изучающая структуру материи и то, как взаимодействуют фундаментальные составляющие Вселенной. Он изучает объекты, начиная от очень маленьких, используя квантовую механику, и заканчивая всей вселенной, используя общую теорию относительности.

Почему физика работает в единицах СИ?

Физики и другие ученые используют в своей работе Международную систему единиц (СИ), потому что они хотят использовать систему, принятую учеными всего мира. С 2019 годаединицы СИ были определены в терминах фундаментальных физических констант, а это означает, что ученые, где бы они ни использовали СИ, могут согласовать единицы, которые они используют для измерения физических явлений.

Сводка

Прочтите краткий обзор этой темы

физика , наука, изучающая структуру материи и взаимодействия между фундаментальными составляющими наблюдаемой Вселенной. В самом широком смысле физика (от греческого physikos ) занимается всеми аспектами природы как на макроскопическом, так и на субмикроскопическом уровнях. Область его изучения охватывает не только поведение объектов под действием заданных сил, но и природу и происхождение гравитационных, электромагнитных и ядерных силовых полей. Его конечной целью является формулировка нескольких всеобъемлющих принципов, которые объединяют и объясняют все такие разрозненные явления.

Физика — основная физическая наука. До недавнего времени физика и натурфилософия взаимозаменяемо обозначали науку, целью которой является открытие и формулировка фундаментальных законов природы. По мере того как современные науки развивались и становились все более специализированными, физика стала обозначать ту часть физической науки, которая не включалась в астрономию, химию, геологию и инженерию. Физика, однако, играет важную роль во всех естественных науках, и во всех таких областях есть разделы, в которых физические законы и измерения получают особое внимание, носящие такие названия, как астрофизика, геофизика, биофизика и даже психофизика. Физику можно, по сути, определить как науку о материи, движении и энергии. Его законы обычно выражаются экономно и точно на языке математики.

Как эксперимент, наблюдение за явлениями в максимально точно контролируемых условиях, так и теория, формулирование единой концептуальной основы, играют существенную и взаимодополняющую роль в развитии физики. Физические эксперименты приводят к измерениям, которые сравниваются с результатом, предсказанным теорией. Говорят, что теория, которая надежно предсказывает результаты экспериментов, к которым она применима, воплощает закон физики. Однако закон всегда может быть изменен, заменен или ограничен более ограниченной областью, если более поздний эксперимент сделает это необходимым.

Конечной целью физики является поиск единого набора законов, управляющих материей, движением и энергией на малых (микроскопических) субатомных расстояниях, в человеческом (макроскопическом) масштабе повседневной жизни и на самых больших расстояниях (например, во внегалактическом масштабе). Эта амбициозная цель была достигнута в значительной степени. Хотя полностью единая теория физических явлений еще не создана (и, возможно, никогда не будет), кажется, что удивительно небольшой набор фундаментальных физических законов может объяснить все известные явления. Совокупность физики, разработанная примерно к началу 20-го века и известная как классическая физика, может в значительной степени объяснить движения макроскопических объектов, которые движутся медленно относительно скорости света, а также такие явления, как тепло, звук, электричество, магнетизм и свет. Современные разработки теории относительности и квантовой механики видоизменяют эти законы в той мере, в какой они применимы к более высоким скоростям, очень массивным объектам и к крошечным элементарным составляющим материи, таким как электроны, протоны и нейтроны.

Викторина по Британике

Квантовая механика

Думаешь, ты знаешь о квантовой механике? Пройдите этот тест. За ответы в суперпозиции правильного и неправильного состояния баллы не начисляются.

Объем физики

Традиционно организованные разделы или области классической и современной физики описаны ниже.

Под механикой обычно понимается изучение движения объектов (или отсутствия их движения) под действием заданных сил. Классическую механику иногда считают разделом прикладной математики. Он состоит из кинематики, описания движения и динамики, изучения действия сил при создании либо движения, либо статического равновесия (последнее составляет науку о статике). Предметы 20-го века квантовой механики, имеющие решающее значение для изучения структуры материи, субатомных частиц, сверхтекучести, сверхпроводимости, нейтронных звезд и других важных явлений, и релятивистской механики, важной, когда скорости приближаются к скорости света, являются формами механики, которые будут будут обсуждаться далее в этом разделе.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подписаться сейчас

В классической механике законы изначально формулируются для точечных частиц, в которых не учитываются размеры, форма и другие внутренние свойства тел. Таким образом, в первом приближении даже такие большие объекты, как Земля и Солнце, рассматриваются как точечные, например, при расчете планетарного орбитального движения. В динамике твердого тела также учитываются протяженность тел и распределение их масс, но предполагается, что они не способны деформироваться. Механика деформируемых твердых тел — это упругость; гидростатика и гидродинамика рассматривают, соответственно, жидкости в состоянии покоя и в движении.

Три закона движения, сформулированные Исааком Ньютоном, составляют основу классической механики вместе с признанием того, что силы являются направленными величинами (векторами) и соответственно комбинируются. Первый закон, также называемый законом инерции, гласит, что, если на него не действует внешняя сила, покоящийся объект остается в покое или, если он движется, он продолжает двигаться по прямой линии с постоянной скоростью. Следовательно, равномерное движение не требует причины. Соответственно, механика сосредотачивается не на движении как таковом, а на изменении состояния движения объекта, которое является результатом действующей на него результирующей силы. Второй закон Ньютона приравнивает результирующую силу, действующую на объект, к скорости изменения его количества движения, которое является произведением массы тела на его скорость. Третий закон Ньютона, закон действия и противодействия, гласит, что при взаимодействии двух частиц силы, действующие друг на друга, равны по величине и противоположны по направлению. В совокупности эти законы механики в принципе позволяют определить будущие движения множества частиц, если известно их состояние движения в какой-то момент, а также силы, действующие между ними и на них извне. Из этого детерминированного характера законов классической механики в прошлом делались глубокие (и, вероятно, неверные) философские выводы, которые даже применялись к человеческой истории.

Лежащие на самом базовом уровне физики, законы механики характеризуются определенными свойствами симметрии, примером которых является вышеупомянутая симметрия между силами действия и противодействия. Другие симметрии, такие как инвариантность (т. е. неизменная форма) законов при отражениях и вращениях, совершаемых в пространстве, обращение времени или переход в другую часть пространства или в другую эпоху времени, присутствуют как в классических механике и в релятивистской механике, а с некоторыми ограничениями и в квантовой механике. Можно показать, что свойства симметрии теории имеют в качестве математических следствий основные принципы, известные как законы сохранения, которые утверждают постоянство во времени значений определенных физических величин при заданных условиях. Сохраняющиеся величины являются наиболее важными в физике; к ним относятся масса и энергия (в теории относительности масса и энергия эквивалентны и сохраняются вместе), импульс, угловой момент и электрический заряд.

магнетизм | Определение, примеры, физика и факты

магнитное поле от токовой петли

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:
Джон Б. Гуденаф Пьер Кюри Петр Леонидович Капица Юлиус Плюкер Питер Перегрин де Марикур
Похожие темы:
магнит ферромагнетизм магнитная цепь антиферромагнетизм магнитный полюс

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

магнетизм , явление, связанное с магнитными полями, которые возникают в результате движения электрических зарядов. Это движение может принимать различные формы. Это может быть электрический ток в проводнике или заряженные частицы, движущиеся в пространстве, или это может быть движение электрона по атомной орбите. Магнетизм также связан с элементарными частицами, такими как электрон, которые обладают свойством, называемым вращением.

Основой магнетизма являются магнитные поля и их воздействие на материю, как, например, отклонение движущихся зарядов и крутящих моментов на другие магнитные объекты. Доказательством наличия магнитного поля является магнитная сила, действующая на заряды, движущиеся в этом поле; сила направлена ​​под прямым углом как к полю, так и к скорости заряда. Эта сила отклоняет частицы, не изменяя их скорости. Отклонение можно наблюдать по крутящему моменту стрелки компаса, который выравнивает стрелку с магнитным полем Земли. Игла представляет собой намагниченный тонкий кусок железа, т. е. небольшой стержневой магнит. Один конец магнита называется северным полюсом, а другой конец – южным полюсом. Сила между северным и южным полюсами притягивает, тогда как сила между одинаковыми полюсами отталкивает. Магнитное поле иногда называют магнитной индукцией или плотностью магнитного потока; это всегда символизируется цифрой Б . Магнитные поля измеряются в единицах тесла (Тл). (Другой единицей измерения, обычно используемой для B , является гаусс, хотя он больше не считается стандартной единицей. Один гаусс равен 10 −4 тесла.) поток через любую замкнутую поверхность равен нулю. (Замкнутая поверхность — это та, которая полностью окружает объем.) Это выражается математически как div B = 0 и может быть понято физически с точки зрения силовых линий, представляющих Б . Эти линии всегда замкнуты сами на себя, так что если они в какой-то момент входят в какой-то объем, то должны и выйти из этого объема. В этом отношении магнитное поле сильно отличается от электрического поля. Силовые линии электрического поля могут начинаться и заканчиваться на заряде, но, несмотря на многочисленные поиски так называемых магнитных монополей, не было найдено эквивалентного магнитного заряда.

Наиболее распространенным источником магнитных полей является петля электрического тока. Это может быть электрический ток в круглом проводнике или движение электрона по орбите в атоме. С обоими этими типами токовых петель связан магнитный дипольный момент, значение которого равно i A , произведение тока i и площади петли A . Кроме того, электроны, протоны и нейтроны в атомах имеют магнитный дипольный момент, связанный с их собственным спином; такие магнитные дипольные моменты представляют собой еще один важный источник магнитных полей. Частицу с магнитным дипольным моментом часто называют магнитным диполем. (Магнитный диполь можно рассматривать как крошечный стержневой магнит. Он имеет то же магнитное поле, что и такой магнит, и ведет себя так же во внешних магнитных полях.) Помещенный во внешнее магнитное поле, магнитный диполь может подвергаться воздействию крутящий момент, стремящийся выровнять его с полем; если внешнее поле неоднородно, на диполь также может действовать сила.

Все вещества в той или иной степени обладают магнитными свойствами. Помещенное в неоднородное поле вещество либо притягивается, либо отталкивается в направлении градиента поля. Это свойство описывается магнитной восприимчивостью вещества и зависит от степени намагниченности вещества в поле. Намагниченность зависит от величины дипольных моментов атомов в веществе и степени, в которой дипольные моменты выровнены друг относительно друга. Некоторые материалы, такие как железо, обладают очень сильными магнитными свойствами из-за выравнивания магнитных моментов их атомов в определенных небольших областях, называемых доменами. В нормальных условиях различные домены имеют поля, которые компенсируют друг друга, но они могут быть выровнены друг с другом, создавая чрезвычайно большие магнитные поля. Различные сплавы, такие как NdFeB (сплав неодима, железа и бора), поддерживают выравнивание своих доменов и используются для изготовления постоянных магнитов. Сильное магнитное поле, создаваемое типичным трехмиллиметровым магнитом из этого материала, сравнимо с электромагнитом, состоящим из медной петли, по которой течет ток в несколько тысяч ампер. Для сравнения, сила тока в обычной лампочке составляет 0,5 ампера. Поскольку выравнивание доменов материала создает магнит, нарушение упорядоченного выравнивания разрушает магнитные свойства материала. Термическое возбуждение, возникающее в результате нагревания магнита до высокой температуры, разрушает его магнитные свойства.

Сила магнитных полей сильно различается. Некоторые репрезентативные значения приведены в таблице.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подписаться сейчас

Типичные магнитные поля
внутри атомных ядер 10 11 Т
в сверхпроводящих соленоидах 20 т
в циклотроне со сверхпроводящей катушкой 5 Т
возле небольшого керамического магнита 0,1 Тл
Поле Земли на экваторе 4(10 −5 ) Т
в межзвездном пространстве 2(10 −10 ) Т

Массачусетский технологический институт использует искусственный интеллект для обнаружения скрытых магнитных свойств в многослойных электронных материалах 2 апреля 2022 г.

Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили скрытые магнитные свойства в многослойном электронном материале, анализируя поляризованные нейтроны с помощью нейронных сетей. Предоставлено: Элла Мару Студия

MIT

MIT — это аббревиатура Массачусетского технологического института. Это престижный частный исследовательский университет в Кембридже, штат Массачусетс, основанный в 1861 году. Он состоит из пяти школ: архитектуры и планирования; инженерия; гуманитарные науки, искусство и социальные науки; управление; и наука. Влияние Массачусетского технологического института включает в себя множество научных прорывов и технологических достижений. Их заявленная цель — сделать мир лучше с помощью образования, исследований и инноваций.

» data-gt-translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>Команда Массачусетского технологического института использует искусственный интеллект, чтобы облегчить обнаружение интригующего явления материалов, которое может привести к электронике без рассеивания энергии.

Сверхпроводники долгое время считались основным подходом к реализации электроники без удельного сопротивления. В последнее десятилетие новое семейство квантовых материалов, «топологические материалы», предложило альтернативные, но многообещающие средства для создания электроники без энергии. диссипация (или потери).По сравнению со сверхпроводниками, топологические материалы обеспечивают несколько преимуществ, таких как устойчивость к возмущениям.Для достижения электронных состояний без диссипации одним из ключевых путей является так называемый «магнитный эффект близости», который возникает, когда магнетизм проникает немного в поверхность топологического материала.Однако наблюдение эффекта близости было сложной задачей9.0003

Проблема, по словам Чжантао Чена, аспиранта машиностроения в Массачусетском технологическом институте, «заключается в том, что люди ищут сигнал, указывающий на наличие этого эффекта, обычно слишком слабый, чтобы его можно было окончательно обнаружить традиционными методами». Вот почему группа ученых из Массачусетского технологического института, Пенсильванского государственного университета и Национального института стандартов и технологий решила попробовать нетрадиционный подход, который в итоге дал удивительно хорошие результаты.

Что находится под слоями и между ними

В течение последних нескольких лет исследователи полагались на метод, известный как рефлектометрия поляризованных нейтронов (PNR), для исследования зависящей от глубины магнитной структуры многослойных материалов, а также для поиска таких явлений, как магнитный эффект близости. В PNR два пучка поляризованных нейтронов с противоположными спинами отражаются от образца и собираются на детекторе. «Если нейтрон сталкивается с магнитным потоком, например, внутри магнитного материала, который имеет противоположную ориентацию, он изменит свое спиновое состояние, что приведет к различным сигналам, измеренным от пучков нейтронов со спином вверх и вниз», — объясняет Нина Андреевич. , кандидат материаловедения и инженерии. В результате эффект близости может быть обнаружен, если показано, что тонкий слой обычно немагнитного материала, помещенный в непосредственной близости от магнитного материала, становится намагниченным.

Но эффект очень тонкий, распространяется всего на 1 нанометр в глубину, и когда дело доходит до интерпретации экспериментальных результатов, могут возникнуть неясности и проблемы. «Включив машинное обучение в нашу методологию, мы надеялись получить более четкое представление о том, что происходит», — отмечает Мингда Ли, профессор Нормана К. Расмуссена по развитию карьеры в Департаменте ядерной науки и техники, возглавлявший исследовательскую группу. Эта надежда действительно оправдалась, и выводы группы были опубликованы 17 марта 2022 года в статье в Обзор прикладной физики .

Исследователи исследовали топологический изолятор — материал, обладающий электроизоляционными свойствами внутри, но способный проводить электрический ток по поверхности. Они решили сосредоточиться на системе слоистых материалов, состоящей из топологического изолятора селенида висмута (Bi 2 Se 3 ), сопряженного с ферромагнитным изолятором сульфидом европия (EuS). Bi 2 Se 3 сам по себе является немагнитным материалом, поэтому магнитный слой EuS доминирует в разнице между сигналами, измеренными двумя пучками поляризованных нейтронов. Однако с помощью машинного обучения исследователи смогли определить и количественно оценить еще один вклад в сигнал PNR — намагниченность, индуцированную в Bi 9.0011 2 Se 3 на границе с соседним слоем EuS. «Методы машинного обучения очень эффективны в выявлении основных закономерностей из сложных данных, что позволяет различать тонкие эффекты, такие как магнетизм близости, в измерении PNR», — говорит Андреевич.

Когда сигнал PNR впервые подается в модель машинного обучения, он очень сложный. Модель способна упростить этот сигнал, так что эффект близости усиливается и, таким образом, становится более заметным. Используя это урезанное представление сигнала PNR, модель может затем количественно определить индуцированную намагниченность, указав, наблюдается ли эффект магнитной близости, а также другие атрибуты системы материалов, такие как толщина, плотность и шероховатость. составляющие слои.

Лучше видеть с помощью ИИ

«Мы уменьшили неоднозначность, которая возникла в предыдущих анализах, благодаря удвоению разрешения, достигнутому с помощью подхода с помощью машинного обучения», — говорят Леон Фан и Генри Хейбергер, студенты-исследователи, участвующие в этом исследовании. исследование. Это означает, что они могли различать свойства материалов на шкале длины 0,5 нм, что составляет половину типичной пространственной протяженности эффекта близости. Это аналогично тому, как если бы вы смотрели на доску с расстояния 20 футов и не могли разобрать ни одного слова. Но если бы вы могли сократить это расстояние вдвое, вы могли бы прочитать все это целиком.

Процесс анализа данных также можно значительно ускорить, полагаясь на машинное обучение. «В прежние времена вы могли потратить недели на возню со всеми параметрами, пока не получите смоделированную кривую, соответствующую экспериментальной», — говорит Ли. «Это может занять много попыток, потому что один и тот же сигнал [PNR] может соответствовать разным комбинациям параметров».

«Нейронная сеть сразу дает ответ», — добавляет Чен. «Больше никаких догадок. Больше никаких проб и ошибок». По этой причине каркас был установлен на нескольких каналах рефлектометрии для поддержки анализа более широких типов материалов.

Некоторые сторонние наблюдатели высоко оценили новое исследование — первое исследование, в котором оценивается эффективность машинного обучения в выявлении эффекта близости, и одно из первых основанных на машинном обучении пакетов, используемых для анализа данных PNR. «Работа Андреевича и др. предлагает альтернативный способ захвата мелких деталей в данных PNR, демонстрируя, как можно постоянно достигать более высокого разрешения», — говорит Канг Л. Ван, заслуженный профессор и заведующий кафедрой электротехники Raytheon Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

«Это действительно захватывающее достижение», — комментирует Крис Лейтон, почетный профессор Университета Макнайта Миннесотского университета. «Их новый подход к машинному обучению может не только значительно ускорить этот процесс, но и выжать из имеющихся данных еще больше информации о материалах».

Группа под руководством Массачусетского технологического института уже рассматривает возможность расширения масштабов своих исследований. «Эффект магнитной близости — не единственный слабый эффект, который нас волнует», — говорит Андреевич. «Разработанная нами структура машинного обучения легко применима к различным видам задач, таким как сверхпроводящий эффект близости, который представляет большой интерес в области квантовых вычислений

Исследование использует электрическое поле для создания магнитных свойств в немагнитном материале

В ходе эксперимента ученые перемещали электрический наконечник вдоль поверхности и прикладывали положительное напряжение. Электрическое поле выравнивает спины электронов в немагнитном материале, и упорядочение создает магнитные свойства. Если напряжение меняется на противоположное, спины снова становятся беспорядочными, и магнетизм теряется. Исследователи смогли увидеть изменения с помощью рентгеновской микроскопии в Стэнфордском источнике синхротронного излучения. Предоставлено: Национальная ускорительная лаборатория SLAC 9.0003

В экспериментальном исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, исследователи нарисовали магнитные квадраты в немагнитном материале с помощью наэлектризованной ручки, а затем «прочитали» этот магнитный рисунок с помощью рентгеновских лучей.

Эксперимент показал, что магнитные свойства могут быть созданы и уничтожены в немагнитном материале с точным приложением электрического поля — то, к чему давно стремились ученые, ищущие лучший способ хранения и извлечения информации на жестких дисках и других магнитных запоминающих устройствах. Исследование проводилось в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Корейском передовом институте науки и технологий.

«Важно то, что это обратимо. Изменение напряжения приложенного электрического поля снова размагничивает материал», — сказал Хендрик Олдаг, соавтор статьи и ученый из Стэнфордского источника синхротронного излучения (SSRL) в лаборатории Министерства энергетики США.

«Это означает, что этот метод можно использовать для разработки новых типов запоминающих устройств с дополнительными слоями информации, которые можно включать и выключать с помощью электрического поля, а не магнитных полей, используемых сегодня», — сказал Олдаг. «Это позволит осуществлять более целенаправленный контроль и с меньшей вероятностью вызовет нежелательные эффекты в окружающих магнитных областях».

«Это экспериментальное открытие важно для преодоления текущих трудностей в приложениях для хранения», — сказал Джун-Сик Ли, научный сотрудник SLAC и один из руководителей эксперимента. «Теперь мы можем сделать окончательное заявление: этот подход может быть реализован для разработки будущих устройств хранения данных».

Выравнивание спинов

Магнитные свойства материала определяются ориентацией спинов электронов. В ферромагнитных материалах, используемых в жестких дисках, магнитах для холодильников и стрелках компаса, спины всех электронов выстроены в одном направлении. Этими вращениями можно управлять, применяя магнитное поле — например, переворачивая их с севера на юг, чтобы хранить информацию в виде единиц и нулей.

Ученые также пробовали различные способы создания «мультиферроидного состояния», в котором магнетизмом можно управлять с помощью электрического поля.

«Это стало одним из Святых Граалей технологий за последнее десятилетие, — сказал Олдаг. «Раньше были исследования, показавшие аспекты этого мультиферроидного состояния. Новизна здесь заключается в том, что, разработав определенный материал, нам удалось как создать, так и устранить магнетизм контролируемым образом на наноуровне».

Перекрёстные помехи между электричеством и магнетизмом

В этом исследовании команда начала с антиферромагнитного материала, который имеет небольшие участки магнетизма, которые компенсируют друг друга, так что в целом он не действует как магнит.

И антиферромагнетики, и ферромагнетики проявляют магнитные свойства только ниже определенной температуры, а выше этой температуры становятся немагнитными.

Разработав антиферромагнитный материал, легированный элементом лантана, исследователи обнаружили, что могут настроить свойства материала таким образом, чтобы электричество и магнетизм могли влиять друг на друга при комнатной температуре. Затем они могли изменить магнитные свойства с помощью электрического поля.

Чтобы увидеть эти изменения, они настроили сканирующий трансмиссионный рентгеновский микроскоп в SSRL, чтобы он мог обнаруживать магнитное вращение электронов. Рентгеновские снимки подтвердили, что намагничивание произошло и было действительно обратимым.

Затем исследовательская группа хотела бы протестировать другие материалы, чтобы посмотреть, смогут ли они найти способ сделать эффект еще более выраженным.

В состав исследовательской группы вошли ученые из Корейского института материаловедения, Университета науки и технологии Пхохан, Национальной ускорительной лаборатории Пхохана, Института химической физики твердых тел им. Макса Планка и Университета Нового Южного Уэльса в Австралии.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.