Домены 1 и 3 увеличиваются за счёт доменов 2 и 4 при намагничивании

При намагничивании во внешнем магнитном поле намагниченность J ферромагнетика растет с увеличением намагниченного поля по нелинейному закону, достигая значения насыщения J_нас при достаточно больших напряженностях H. Пусть стрелка на штриховой линии на рис. 1 показывает направление вектора напряженности H внешнего магнитного поля. На начальном этапе намагничивания ферромагнетика междоменные границы смещаются, обеспечивая увеличение размеров тех доменов, направление вектора намагниченности J у которых наиболее близки к направлению вектора H (домены 1 и 3 на рис. 1). И только в области, близкой к насыщению, намагничивание осуществляется благодаря «довороту» магнитных моментов доменов до совпадения с направлением напряженности внешнего поля H.

Тепловое движение атомов вещества мешает согласованной ориентации спиновых моментов электронов в доменах, и тем больше, чем выше температура. Поэтому с ростом температуры самопроизвольная намагниченность уменьшается. При достижении некоторой температуры, называемой точкой Кюри, доменная структура разрушается, и ферромагнетик полностью утрачивает самопроизвольную намагниченность, превращаясь в парамагнетик. Зависимость спонтанной намагниченности ферромагнетика от температуры показана на рис. 2, где J/J_нас – относительная намагниченность, J_нас – максимально возможная намагниченность, то есть намагниченность насыщения, T_с – температура, или точка Кюри.

Рис. 2. Типичная зависимость относительной намагниченности J/J_нас

Ферромагнетика от абсолютной температуры т

Ниже приведены значения точки Кюри для некоторых ферромагнитных веществ – чистых металлов:

Металл	Гадолиний	Никель	Железо	Кобальт
Точка Кюри, К	289	631	1043	1400

Схема установки для определения точки Кюри изображена на рис. 3. Установка представляет собой трансформатор Тр₂ с ферромагнитным сердечником. Его первичная обмотка W₁ через другой, понижающий трансформатор Тр₁ подключена к сети переменного тока 220 В через тумблер П₁ («Питание»). С помощью обмотки W₁ – «Обмотка возбуждения» - в сердечнике создается переменный магнитный поток Ф, изменяющийся по гармоническому закону. В цепь вторичной обмотки W₂ включен прибор Пр₂, по показаниям которого можно судить о магнитном состоянии материала сердечника.

В используемом трансформаторе часть сердечника вырезана и в место разрыва вмонтирована электропечь 3, в которой размещают исследуемый образец 1 из ферромагнитного материала. Печь питается постоянным током, чтобы не оказывать влияния на величину э.д.с. во вторичной обмотке. Для этого используется выпрямительный блок 2. Мощность печи регулируется реостатом 4 (ручка «Температура»), что позволяет добиваться стабильного теплового режима образца. Температура образца измеряется термопарой 5, подсоединенной к прибору Пр₁. Пока образец находиться в ферромагнитном состоянии, он замыкает магнитную цепь сердечника. При нагревании образца до температур, превышающих точку Кюри, его магнитная проницаемость уменьшается на несколько порядков. Так же сильно уменьшается и магнитный поток через сердечник. Магнитная цепь разрывается.

Рис. 3. Схема лабораторной установки:

Тр₁ – понижающий трансформатор, Тр₂ – основной трансформатор,

W₁ и W₂ – обмотки основного трансформатора

Действительно, если замкнутый магнитный контур состоит из двух частей с разными магнитными свойствами, то величина магнитного потока Ф определяется выражением:

(1)

где L_i, s_i и μ_i – значения длины, площади поперечного сечения и магнитной проницаемости ненагреваемой (i = 1) и нагреваемой (i = 2) частей сердечника трансформатора; I и N – сила тока и число витков в обмотке возбуждения; μ₀ – магнитная постоянная.

Из формулы (1) следует:

1. если L₂ = 0, то магнитный поток имеет значение Ф = Ф₁ = INμ₀μ₁s₁/L₁

2. если L₂ – величина того же порядка, что и L₁, s₁ ≈ s₂, но μ₂ <<μ₁,

то Ф = Ф₂ ≈ INμ₀μ₂s₂/L₂.

Сравнивая потоки Ф₁ и Ф₂, получим, что Ф₂/Ф₁ ≈ (μ₂L₁) / (μ₁L₂) ~ μ₂/μ₁, то есть Ф₂<<Ф_1.

Метод определения точки Кюри основан на зависимости э.д.с. индукции во вторичной обмотке трансформатора от магнитного состояния сердечника, а именно, той его части, которой является образец из ферромагнитного вещества.

Согласно закону Фарадея, э.д.с. электромагнитной индукции ε_i пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

ε_i = -dФ/dt (2)

В случае переменного тока I = I₀cosωt изменение магнитного потока во времени также удовлетворяет гармоническому закону, поскольку согласно формуле (1) Ф ~ I. Тогда магнитный поток можно представить как Ф = Ф₀cosωt и dФ/dt = -Ф₀ωsinωt. Теперь из формулы (2) следует:

ε_i = Ф₀ωsinωt (3)

Таким образом, амплитуда Ф₀ω э.д.с. индукции ε_i во вторичной обмотке W₂ трансформатора Тр₂ пропорциональна амплитуде магнитного потока Ф₀ в сердечнике. Это свойство трансформатора и используется в установке для определения точки Кюри. Если из-за изменения магнитных свойств сердечника уменьшается амплитуда магнитного потока, то уменьшается также и значение э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора.

В лабораторной работе находят зависимость напряжения U₂ на вторичной обмотке W₂ трансформатора от температуры исследуемого образца. Ток, пропорциональный этому напряжению, измеряется прибором Пр₂.

Температуру образца t определяют с помощью термопары, э.д.с. которой U₁ измеряется цифровым милливольтметром (Пр₁). Связь между значениями U₁ и температурой t дается соотношением

t (˚C) = t_к + κU₁ (4)

где коэффициент пропорциональности κ = 24,4 град/мВ; t_к – комнатная температура, ˚С; U₁ – показания прибора Пр₁ в мВ.