Лабораторная работа № 2

Изучение гистерезиса ферромагнитных материалов

Цель работы. Изучения явления гистерезиса ферромагнитных материалов. Измерение кривой намагничения, коэрцитивной силы и работы перемагничивания ферромагнетика по петле гистерезиса.

Приборы и оборудование. Прибор «Гистерезис» ФТАС/1, осциллограф С1-117/1 (С1-65), вольтметр В7-16, образцы ферромагнетика.

т

Теория

1. Магнитные моменты атомов и молекул

Поскольку все в той или иной степени являются магнетиками, то при внесении их во внешнее магнитное поле их внутреннее состояние изменяются так, что сами создают дополнительное магнитное поле. При этом полная индукция В магнитного поля равна сумме индукции внешнего (намагничивающего) В₀ поля и индукции В' магнитного поля, порожденного магнетиком. Изменение состояния магнетика под действием внешнего поля называется намагничиванием магнетика.

Магнитные свойства веществ определяются величиной и ориентацией магнитных моментов атомов и молекул¹. Сами же магнитные моменты в веществе создаются круговыми токами движущихся зарядов. В первую очередь это могут быть электроны, движущиеся по своим орбитам в атоме. Магнитный момент плоского контура с током i площадью S равен

p_m = iS·n (2.1)

где n — положительная нормаль к контуру. Вектор p_m направлен по нормали к плоскости контура так, что образует с направлением тока правовинтовую систему.

В магнитном поле В на такой контур действует момент сил

М = [р_mВ], (2.2)

который стремится повернуть контур так, чтобы направления векторов р_m и В совпадали.

Заметим, что контур с током создает также собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с вектором р_m. При намагничивании вещества происходит суммирование всех магнитных полей, как внутренних полей, так и внешнего поля.

Электрон, движущийся вокруг ядра, подобен круговому току. Сила такого тока

I = e·v, (2.3)

где ν — частота обращения электрона вокруг ядра. А магнитный момент, создаваемый таким круговым током,

p_m=evS = ev r², (2.4)

где r — радиус круговой орбиты электрона. Так как 2 rv = u — скорость движения электрона, то (2.4) можно записать так:

p_m =eur/2. (2.5)

Движущийся по орбите электрон обладает и моментом импульса (механическим моментом)

L = mur, (2.6)

причем, как видно из рис. 2.1, векторы р_m и L противоположны. Здесь m – масса электрона.

Помимо орбитальных магнитного р_т и механического L моментов электрон обладает собственными механическим моментом L_s (спином) и спиновым магнитным моментом p_ms, которые также антиколлинеарны. Результирующий магнитный момент атома складывается из результирующих орбитального р_т и спинового р_тs моментов всех его электронов. Это сложение осуществляется по п равилам, разработанным квантовой механикой, согласно которым магнитный момент атома определяется лишь электронами не полностью заполненных оболочек. При определении магнитного момента молекулы следует учитывать, что образование химической связи между атомами требует определенной перестройки внешних электронных оболочек атомов, при чем такой, что результирующий магнитный момент молекул имеет, как правило, тенденцию принимать нулевое значение, хотя магнитные моменты составляющих молекул атомов и не равны нулю.