Исследование характеристик ферромагнетиков

Цель работы: ознакомиться со свойствами ферромагнетиков, экспериментально исследовать их основные характеристики и провести компьютерную обработку полученных результатов.

Элементы теории

При помещении вещества в магнитное поле вектор магнитной индукции , характеризующий результирующее магнитное поле, создаваемое макро- и микротоками в вакууме

, (1)

где Гн/м – магнитная постоянная; – намагниченность, определяемая магнитным моментом единицы объема магнетика; – безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью вещества. Безразмерная величина

(2)

представляет собой магнитную проницаемость вещества.

Ферромагнетики – это вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, которая существует при отсутствии внешнего магнитного поля.

Ферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все магнитные моменты атомных носителей магнетизма в веществе параллельны, и оно обладает спонтанной намагниченностью (см. рис. 1).

К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель, гадоликий, их сплавы и соединения.

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и достигает величин 10⁴ – 10⁵.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков также достаточно велика: ; = 800 000.

В зависимости от напряженности магнитного поля магнитная проницаемость изменяется следующим образом (рис. 2). Вначале величина растет с увеличением затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 ( , поэтому при с ростом отношение , а ).

Р и с. 1. Ферромагнитная атомная структура

гранецентрированной атомной кубической решетки

(стрелками обозначены направления атомных моментов;

- вектор суммарной намагниченности единицы объема)

В зависимости от напряженности магнитного поля магнитная проницаемость изменяется следующим образом (рис. 2).

Р и с. 2. График зависимости для ферромагнетиков

Вначале величина растет с увеличением , затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 ( , поэтому при с ростом отношение , а ).

Характерной особенностью ферромагнетиков является то, что для них зависимость намагниченности от (а следовательно, индукции от ) определяется предысторией намагничения ферромагнетика. Если намагнитить ферромагнетик до насыщения (точка 1, рис. 3), а затем начать уменьшать напряженность намагничивающего поля, то уменьшение описывается кривой 1-2, лежащей выше кривой 1-0. При отлично от 0, т. е. в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничение .

Р и с. 3. Зависимость намагниченности от

С наличием остаточного намагничения связано существование постоянных магнитов. Намагничивание обращается в 0 под действием поля , имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение. Напряжение называется коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 34), и при достигается насыщение (точка 4). Затем ферромагнетик можно вновь размагнитить (кривая 456) и опять перемагнитить до насыщения (кривая 61). То есть при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля намагниченность изменяется в соответствии с кривой 1234561, которая называется петлей гистерезиса.

Работа намагничения ферромагнетика рассчитывается согласно выражению

. (3)

Можно показать, что потери энергии на гистерезисе пропорциональны площади петли :

. (4)

указывает, что интегрирование производится по площади петли.

Ферромагнетики с малой (до 1,2 /см) коэрцитивной силой (с узкой петлей гистерезиса) называются мягкими, с большей (до нескольких тысяч ампер на сантиметр) коэрцитивной силой (с широкой петлей гистерезиса) – жесткими. Величины , и определяют применимость ферромагнетиков для практических целей. Жесткие ферромагнетики (углеродистые и вольфрамовые стали) применяются для изготовления постоянных магнитов, а мягкие (мягкое железо, сплав железа с никелем) – для изготовления сердечников трансформаторов.

Ферромагнетики обладают существенной особенностью: намагниченность насыщения имеет наибольшее значение при ( ) и монотонно уменьшается до 0 при температуре, равной температуре Кюри ( ) (рис. 4).

Выше ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. При переход ферромагнетик-парамагнетик, как правило, является фазовым переходом II рода.

Р и с. 4 . Зависимость намагниченности насыщения от температуры