Лабораторна робота №36 зняття петлі гістерезису феромагнетика за допомогою вимірника індукції

МЕТА РОБОТИ:	дослідити магнітні властивості феромагнітного осердя за допомогою датчика Холла.
ОБЛАДНАННЯ:	котушка з феромагнітним осердям, вимірник магнітної індукції, джерело постійної напруги, реостат, амперметр, двополюсний перемикач, з’єднувальні провідники.

Теоретичні відомості

1. Ефект Холла.

Для вимірювання індукції магнітного поля використовують прилад, робота якого заснована на ефекті Холла. Останній полягає у виникненні поперечної різниці потенціалів у провіднику зі струмом, поміщеному в магнітне поле. Розглянемо провідник у вигляді прямокутного паралелепіпеда (див. рис. 1). Уздовж провідника протікає струм , густина якого дорівнює:

, (1)

де – площа поперечного перерізу провідника.

1879 р. А. Холл експериментально встановив, що на бокових гранях провідника перпендикулярно до напряму струму та напряму магнітного поля (наприклад, між точками 1 та 2) виникає різниця потенціалів , яка пропорційна густині струму, індукції магнітного поля та товщині провідника:

. (2)

К оефіцієнт пропорційності носить назву сталої Холла. Для пояснення ефекту Холла розглянемо подовжній переріз провідника, як наведено на рис. 2. Густина електричного струму пропорційна концентрації носіїв, заряду носія та швидкості їх дрейфу:

. (3)

У магнітному полі на рухомий електричний заряд діє сила Лоренца:

, (4)

під дією якої заряди зазнаватимуть зміщення до бокових граней та накопичуватимуться там ( – векторний добуток швидкості дрейфу носіїв струму та індукції поля). У свою чергу, рознесені по бокових гранях різнойменні електричні заряди створюватимуть електричне поле з напруженістю . Рівновага настане тоді, коли сила Кулона:

(5)

зрівноважить силу Лоренца . Для схрещених електричного та магнітного полів названа умова набуде вигляду:

. (6)

Зважаючи, що напруга між точками 1 та 2 дорівнює:

, (7)

із (3), (6) та (7) отримуємо результуюче співвідношення:

. (8)

2. Магнітні властивості речовин.

Магнетизм речовини в основному обумовлений орбітальним та спіновим магнітними моментами електронів атомів. Діамагнетизм спостерігається в речовин, атоми яких при відсутності зовнішнього магнітного поля не мають магнітних моментів (скомпенсовані орбітальні та спінові моменти електронів). Парамагнетизм спостерігається в тих речовин, атоми яких при відсутності зовнішнього магнітного поля мають нескомпенсовані магнітні моменти. Тепловий рух атомів перешкоджає їм зайняти вибраний напрямок. Під дією зовнішнього магнітного поля магнітні моменти атомів частково орієнтуються. Для деяких речовин сили орієнтації магнітних моментів атомів переважають теплову взаємодію. Тому речовина і без зовнішнього магнітного поля може бути намагніченою. Такі речовини називають феромагнетиками.

О собливістю всіх феромагнетиків є своєрідна нелінійна залежність індукції магнітного поля від напруженості зовнішнього магнітного поля – петля гістерезису, хід якої наведено на рис. 3. Індукцію B_r називають залишковою намагніченістю, а напруженість Н_с – коерцитивною силою. Коерцитивна сила – це така напруженість зовнішнього магнітного поля, яка повністю знімає намагніченість феромагнетика. За величиною коерцитивної сили феромагнетики поділяють на магнітотверді та магнітом’які.

Магнітотверді матеріали характеризуються високою коерцитивною силою . Їх використовують для виготовлення постійних магнітів. До магнітотвердих матеріалів належать деякі вуглецеві сталі, вольфрамова, кобальтова, хромиста сталі, сплави альніко (Al, Ni, Co, Fe), маґнію, а також ферити кобальту та барію.

Магнітом’які матеріали відзначаються невеликою коерцитивною силою та малими втратами на гістерезис. До них належать електротехнічна сталь (0,8–4,8% кремнію) та пермалої (залізо-нікелеві сплави). Перші дві цифри в марці пермалою показують процентний вміст нікелю.

Продовжуючи записувати залежність індукції від напруженості у вигляді:

, (9)

чітко усвідомлюємо, що магнітна проникність (чи магнітна сприйнятливість ) є неоднозначними функціями напруженості . Наявністю областей самочинної намагніченості (доменів) та особливостей їхньої поведінки в зовнішньому магнітному полі пояснюється нелінійний характер (петля гістерезису) залежності індукції магнітного поля у феромагнетику від напруженості магнітного поля; а саме, у зовнішньому полі домени можуть або стрибком переорієнтовуватись (на що вказує ефект Баркгаузена), або „поїдати” один одного, переміщуючи границі доменів.