Лабораторная работа № 4

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.

1. Теория

1.1. Ферромагнетики

Существует класс магнетиков, для которых магнитная восприимчивость  (а значит, и μ) гораздо больше единицы (μ ~ 10⁴). Эти вещества называются ферромагнетиками. У вещества находящегося в ферромагнитном состоянии есть характерный признак - оно ощутимо притягиваться к магниту. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, а также ферриты. Ферриты (оксиферы) — химические соединения оксида железа Fe₂O₃ с оксидами других металлов.

Чтобы пояснить причины возникновения ферромагнетизма посмотрим, как устроен атом железа. В атоме железа – 26 электронов, которые образуют четыре оболочки. Первая, самая внутренняя оболочка, содержит два электрона (1s-электроны), вторая – восемь (2s- и 3p-электроны), третья – четырнадцать (3s- 3p- и 3d-электроны) и последняя – два (4s-электроны). При этом вторая оболочка состоит из двух (s и p), а третья - из трех (s, p и d) подоболочек (рис. 1). Третья и четвертая оболочки атома не достроены: в третьей может быть до 18 электронов, а в четвертой – до 32. Недостающие четыре электрона в третьей оболочке приходятся на подоболочку 3d. Собственные магнитные моментов электронов могут иметь только одну из двух взаимно противоположных ориентаций в пространстве. Эти ориентации обозначим знаками "+" и "–" (рис. 1). Внутренние оболочки застроены полностью, и магнитные моменты электронов в каждой из оболочек взаимно компенсируют друг друга. Это же условие выполняется для 3s и 3р уровней и для валенного 4s уровня.

На уровне 3d расположены пять электронов с положительным собственным магнитным моментом и один электрон с отрицательным. Таким образом, четыре электронных спина на 3d уровне оказываются нескомпенсированными, следовательно, весь атом в целом имеет результирующий магнитный момент.

Незаполненные оболочки с нескомпенсированными собственными магнитными моментами электронов имеют также атомы Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn и др., но вещества из этих атомов не являются ферромагнитными. Наличие нескомпенсированных собственных магнитных моментов электронов является необходимым условием образования ферромагнитного вещества, но этого не достаточно.

Как уже было упомянуто, ферромагнетики тянутся к магниту. Можно заметить, что и атом железа, и атом алюминия сами по себе обладают магнитными моментами. Но алюминий практически не притягивается к магниту. В веществе атомы располагаются в узлах кристаллической решетки и кроме обычных связей между ними их оболочками устанавливаются так называемые обменные взаимодействия. При определенном соотношении между размерами атомов и межатомными расстояниями обменные взаимодействия приводят к тому, что нескомпенсированные собственные магнитные моменты электронов соседних атомов устанавливаются параллельно друг другу.

О бменные взаимодействия упорядочивают магнитные моменты в таких веществах как Fe, Co, Ni и у некоторых редкоземельных элементов. Такие атомы, как Al, Sc, Ti и многие другие не образуют обменного взаимодействия. Их магнитные моменты при всех температурах остаются хаотично ориентированными, а значит, общий момент не возникает. Такие вещества называют парамагнетиками.