פרק 12 - שדות מגנטיים בחומר

From EM Fields - TAU
Revision as of 17:33, 20 April 2022 by RonelM (talk | contribs)
Jump to navigation Jump to search

שדות מגנטיים בחומר

מנגנוני מגנטיזציה

  • Spin Magnetization
  • Orbital Magnetization

דיאמגנטים - Orbital Magnetization

מנגנון התגובה ל-H→ הוא דרך שינוי השטף. מתוך עקרון לנץ, דיפול התגובה יהיה הפוך לשדה החיצוני.

פאראמגנטים, פרומגנטים - Spin Magnetization

וקטור מגנטיזציה - M→

נסתכל על אלמנט מגנטיזציה קטן:dm→=∑m→=M→⋅dv⇔dm→dv=M→ישנם שני מודלים לתיאור המקורות השקולים המייצגים את המגנטיזציה:

  1. מודל הזרם האמפרי
  2. מודל המטען המגנטי

1.מודל הזרם האמפרי

כאשר באזור מסוים משתנה המגנטיזציה, תהיה צפיפות זרם שקולה המייצגת שינוי זה.

נרצה לשכנע שמתקיים: J→a=∇×M→. נתחיל מלהסתכל שוב על אלמנט מגנטיזציה קטן:dm→=M→(dl→⋅da→)=(M→⋅dl→)da→מתקיים I=M→⋅dl→ ולכן:dm→=Ida→קיבלנו את התוצאה שקיבלנו דרך מגנטוסטטיקה עבור מומנט הדיפול של לולאת זרם בשטח da→.

מה סך הזרם שעובר דרך הלולאה שהגדרנו?I=∮M→⋅dl→מצד אחד, ישנו הקשר בין הזרם לצפיפות הזרם:I=∬J→a⋅da→מצד שני, לפי משפט סטוקס נוכל לומר:∮M→⋅dl→=∬∇→×M→⋅da→מאחר שאין תלות בלולאה בה נבחר, נקבל את השוויון:J→a=∇×M→והוכחנו.

זרמי מגנטיזציה משטחיים

נמצא תנאי שפה במעבר בין תווכים בהם H→ שונה:∇×H=J+∂D∂t⇒n^×(H→2−H→1)=k→ובין תווכים בהם M→ שונה:∇×M=Ja⇒n^×(M→2−M→1)=k→a

משוואות מקסוול בחומר

נוכל לרשום את משוואות מקסוול בנוכחות מגנטיזציה:{∇×E→=−∂(μ0H→a)∂t∇⋅D→=ρf∇×H→a=∂D→∂t+J→f+∇×M→⏟Ja→∇⋅(μ0H→a)=0ותנאי השפה:{n^×(E→2−E→1)=0n^⋅(D→2−D→1)=ηfn^×(H→a,2−H→a,1)=K→f+n^×(M→2−M→1)⏟Ka→n^⋅(μ0H→a,2−μ0H→a,1)=0

2. מודל המטענים המגנטיים

נבנה את המודל באמצעות השוואה בין הפולרזיציה לבין המגנטיזציה:P→⇔μ0M→צפיפות המטען הנפחית:ρp=−∇⋅ P⇔ρm=−∇⋅(μ0M→)צפיפות הזרם:Jp→=∂p∂t⇔Jm→=∂∂t(μ0M→)צפיפות המטען המשטחית:ηp=−n^⋅(P→2−P→1)⇔ηm=−n^⋅(μ0M→2−μ0M→1)

חוק שימור המטען המגנטי

קיבלנו את הביטוי לצפיפות המטען המשטחית:ηm=−n^⋅(μ0M→2−μ0M→1)נגזור אותו בזמן:∂ηm∂t=−n^⋅(μ0∂M2∂t→−μ0∂M→1∂t)=−n^⋅(Jm2→−Jm1→)וקיבלנו את חוק שימור המטען המגנטי:−∂ηm∂t=n^⋅(Jm2→−Jm1→)

משוואות מקסוול במודל המטען (אנלוגיה עם מודל הפולריזציה החשמלית)

נרשום את משוואות מקסוול:{∇⋅(ϵ0E)=ρf+(−∇⋅P)∇×H=∂(ϵ0E)∂t+Jf+∂P∂tn^⋅(ϵ0E2−ϵ0E1)=ηf+(−n^⋅[P2−P1])⇒{∇⋅(μ0H→)=ρmf⏟=0+ρm=ρm∇×E→=−∂∂t(μ0H→)−∂∂t(μ0M→)⏟Jm−Jmf⏟=0n^⋅(μ0H→2−μ0H→1)=ηmf⏟=0+ηm=−n^⋅(μ0M→2−μ0M→1)

סיכום המודלים - משוואות מקסוול בחומר

מודל הזרם האמפרי:{∇×E→=−∂(μ0H→a)∂t∇⋅D→=ρf∇×(H→a−M→)=∂D→∂t+J→f∇⋅(μ0H→a)=0n^×(E→2−E→1)=0n^⋅(D→2−D→1)=ηfn^×([H→a,2−M→2]−[H→a,1−M→1])=K→fn^⋅(μ0H→a,2−μ0H→a,1)=0מודל המטען המגנטי:{∇×E→=−∂(μ0H→a)∂t∇⋅D→=ρf∇×H→=∂D→∂t+J→f∇⋅(μ0[H→+M→])=0n^×(E→2−E→1)=0n^⋅(D→2−D→1)=ηfn^×(H→2−H→1)=K→fn^⋅(μ0[H→2+M→2]−μ0[H→1+M→1])=0נשים לב לכך שאם נגדיר H→+M→=H→a נקבל בדיוק את אותן משוואות!

משוואות מקסוול בחומר - צפיפות השטף המגנטי

{∇×E→=−∂B∂t∇⋅D→=ρf∇×H→=∂D→∂t+J→f∇⋅B→=0n^×(E→2−E→1)=0n^⋅(D→2−D→1)=ηfn^×(H→2−H→1)=K→fn^⋅(B→2−B→1)=0נגדיר B→=μ0H→a צפיפות השטף המגנטי.

תזכורת: D→=ϵ0E→+P→

דוגמה 1

גליל קטן בעל מגנטיזציה אחידה M→=Mz^.

מודל המטען:ρm=−∇⋅(μ→0M→)=0צפיפות המטען המשטחית על חלקו העליון של הגליל:ηm,top=−z^⋅(0−μ0Mz^)=μ0Mצפיפות המטען המשטחית בתחתית הגליל:ηm,bottom=−z^⋅(μ0Mz^−0)=−μ0Mרחוק מאוד מהגליל נראה דיפול בעל מגנטיזציה:m→=M→⋅V=Mπa2hz^אם נסתכל על הגליל כדיפול נקבל:μ0m→=μ0Mπa2⋅hz^קיבלנו את אותו הביטוי! כעת אפשר להציב בביטוי לשדה דיפולי.

מודל הזרם האמפרי:J→a=∇×M→=0K→a=r^×(0−Mz^)=Mφ^H→a=H→+M→⇒B→=μ0H→a=μ0(H→+M→)⏞connection between models

דוגמה 2

כדור בעל מגנטיזציה אחידה. מהו B→ בכל המרחב?

נשתמש במודל המטען:ηm=−n^⋅(M→out−M→in)μ0=−r^⋅(0−Mz^μ0)=Mr^⋅z^=Mcos⁡θμ0צפיפות המטען:ρm=−∇⋅(μ0M→)=0נפתור באמצעות פוטנציאל סקלרי:∇×H→=J→f⏟=0+∂D→∂t⏟=0 static+J→a⏟=0 Not using this field=0⇒H→=−∇ϕmנציב ונקבל ממקסוול:∇⋅(μ0H→)=ρm=0⇒∇⋅(μ0⋅(−∇ϕm))=0קיבלנו את משוואת לפלס:∇2ϕm=0נפתור את משוואת לפלס עם מקורות משטחיים בלבד:{ϕm(r>>a)→0ϕm(r→0)<∞n^×(H→2−H→1)=K→f=0n^⋅(μ0H→2−μ0H→1)=ηm=μ0Mcos⁡θנבחר פתרון כללי (l=0,n=1):ϕ=(c1r+c2r2)cos⁡θϕm1=Arcos⁡θ,ϕm2=Cr2cos⁡θנציב בתנאי השפה:Aacos⁡θ=Ca2cos⁡θ⇒a3A=Cמתנאי השפה האחרון:r^⋅[μ0⋅(−∇ϕm2)−μ0(−∇ϕm1)]=μ0Mcos⁡θ−∂ϕm2∂r+∂ϕm1∂r=Mcos⁡θ⇒−[−2Ca3cos⁡θ]+Acos⁡θ=Mcos⁡θ⇒2Ca3+A=Mנקבל את המקדמים:A=M3,C=a3M3נציב את המקדם חזרה בפוטנציאל הראשון:ϕm1=M3rcos⁡θ⇒H→1=−∇ϕm1=−M3z^נמצא את השדה המגנטי:⇒B→1=μ0⋅(H→1+M→)=μ0⋅(−M3z^+Mz^)=23μ0Mz^כעת נציב את המקדם בפוטנציאל השני:ϕm2=M3a3r2cos⁡θ⇒H→2=−∇ϕm2=Ma33r3[2cos⁡θr^+sin⁡θθ^],B→2=μ0H→2תזכורת - שדה מגנטי של דיפול:H→dip=m4πr3[2cos⁡θr^+sin⁡θθ^]נשווה מקדמים ונקבל:m4π=Ma33⇒m=M⋅43πa3⏟Vball

יחסי חוקה - סוספטביליות מגנטית, פרמאביליות

אם הקשר לינארי:M→=χmH→⇒B→=μ0(H→+M→)=μ0(1+χm)⏟≡μr⏞≡μH→כאשר χm הסוספטביליות המגנטית.

משוואות מקסוול בחומר לינארי

נוכל לעדכן את משוואות מקסוול עבור חומרים לינאריים:{∇×E→=−∂(μH→)∂t∇⋅(ϵE→)=ρf∇×H→=∂(ϵE→)∂t+J→f∇⋅(μH→)=0n^×(E→2−E→1)=0n^⋅(ϵ→2E→2−ϵ1E→1)=ηfn^×(H→2−H→1)=K→fn^⋅(μ2H→2+μ1H→1)=0

חומרים לא מגנטיים (תגובה חלשה)
פאראמגנטים דיאמגנטים סוג החומר
0<χm<<1 |χm|<<1,χm<0 χm
חומרים מגנטיים (תגובה חזקה)
פרומגנטים פרימגנטים סוג החומר
תגובה חזקה מאוד,

בד"כ לא לינארית

תגובה חזקה מאוד אופי התגובה