7.5. Контрольные вопросы

1. Каковы отличительные особенности сегнетоэлектриков? Назовите области применения сегнетоэлектриков.

2. Почему на экране осциллографа можно наблюдать зависимость Q = f(U) для исследуемого сегнетоэлектрического конденсатора? Какие параметры сегнетоэлектрика можно определить по виду петли гистерезиса?

3. Что называют точкой Кюри? Почему в точке Кюри диэлектрическая проницаемость максимальна?

4. Что характеризует площадь петли гистерезиса? Как она изменится при увеличении температуры?

5. Объясните ход зависимостей , ε_p = f(Е₂).

8. Исследование свойств металлических ферромагниных материалов

8.1. Основные понятия и определения

К ферромагнитным относят материалы с большой положительной магнитной восприимчивостью, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Особые свойства ферромагнетиков обусловлены наличием у них в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) намагниченности и доменной структуры. Для осуществления спонтанной намагниченности необходимо выполнение по крайней мере двух условий: в состав материала должны входить атомы или ионы металлов, имеющих недозаполненные внутренние, например 3d, электронные оболочки (к таким металлам относятся железо, никель, кобальт и др.); кристаллическая структура должна быть такой, чтобы силы обменного взаимодействия между этими атомами приводили к их взаимному упорядочению, т.е. к параллельной ориентации их спиновых магнитных моментов. В отсутствии внешнего магнитного поля состояние, при котором вектор спонтанной намагниченности имел бы во всем образце одно направление, энергетически не выгодно, т.к. оно привело бы к большому рассеянию магнитного потока в окружающее пространство, поэтому образец самопроизвольно разбивается на отдельные области (домены), имеющие размеры порядка единиц микрометров. Внутри каждого домена вектор намагниченности имеет одинаковое направление, а суммарный магнитный поток замкнут внутри образца. Соседние домены с различной ориентацией магнитного момента разделены доменными границами, в которых направление спиновых моментов изменяется плавно. При воздействии внешнего магнитного поля происходит перестройка доменной структуры, что и приводит к намагничиванию образца.

Важнейшим свойством ферромагнетиков является нелинейная зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н. Эту зависимость называют кривой намагничивания. На начальном участке кривой намагничивания, где наблюдается монотонное возрастание индукции, преобладают процессы обратимого смещения доменных границ. При этом происходит увеличение объема тех доменов, магнитные моменты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля. В области более сильных полей смещение доменных границ приобретает необратимый характер. Здесь кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну. По мере дальнейшего увеличения Н возрастает роль второго механизма намагничивания - механизма вращения, при котором магнитные моменты доменов постепенно поворачиваются в направлении поля. На этом участке рост магнитной индукции замедляется. Когда все магнитные моменты доменов ориентируются вдоль поля, наступает магнитное насыщение.

По кривой намагничивания ферромагнетика легко построить зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля. Статическую магнитную проницаемость μ определяют по формуле

μ = B / (μ₀ H), (8.1)

где μ₀ = 4π ^.10^-7 Гн/м - магнитная постоянная.

При увеличении напряженности поля магнитная проницаемость сначала растет, что связано со линейной зависимостью смещения доменных границ от Н и с возрастанием вклада процессов вращения. Далее она достигает максимального значения μ_max и затем уменьшается из-за насыщения магнитной индукции.

Если после намагничивания образца до насыщения внешнее поле медленно уменьшить до нуля, то индукция в нуль не обратится, а примет значение В_r, называемое остаточной индукцией. Чтобы убрать остаточную индукцию, необходимо приложить поле противоположного направления напряженностью Н_c, называемое коэрцитивной силой. В зависимости от численного значения Н_c, ферромагнетики делят на магнитомягкие и магнитотвердые. Остаточная индукция и коэрцитивная сила являются параметрами статической предельной петли гистерезиса (ПГ), которую получают при медленном циклическом перемагничивании намагниченного до насыщения образца. Площадь статической ПГ характеризует потери энергии на гистерезис Э_Г, обусловленные необратимыми процессами смещения и вращения в единичном цикле перемагничивания. При достаточно быстром изменении Н по величине и знаку зависимость В(Н) описывает динамическую ПГ. При намагничивании до одинакового предельного значения индукции площадь динамической ПГ металлических ферромагнетиков больше площади статической ПГ на величину, характеризующую потери энергии на вихревые токи Э_ВТ. Величина Э_Г постоянна в достаточно широком диапазоне частот, а величина Э_ВТ возрастает пропорционально частоте.

Мощности потерь на гистерезис и на вихревые токи описываются соответственно формулами:

P_Г = Э_Г f = η (B_m)ⁿ f ; P_ВТ = Э_ВТ f = ξ (B_m)² f², (8.2)

где η - коэффициент, зависящий от свойства материала; В_m - максимальная индукция, достигаемая в данном цикле; n - показатель степени от 1,6 до 2 для различных материалов; ξ - коэффициент, зависящий от удельной проводимости ферромагнетика и формы образца; f - частота изменения магнитного поля.

Для металлических ферромагнетиков характерно уменьшение измеряемой величины магнитной проницаемости от частоты, наблюдаемое на достаточно низких частотах, когда инерционность процессов намагничивания еще не проявляется. Это объясняется размагничивающим действием вихревых токов. Вихревые токи, индуцируемые в ферромагнитном сердечнике, создают, в соответствии с законом Ленца, собственный поток магнитной индукции, находящийся в противофазе с основным потоком. Плотность потока, создаваемого вихревыми токами, максимальна в центре сердечника и равна нулю на поверхности его. Поэтому результирующая магнитная индукция убывает от поверхности вглубь сердечника. Относя измеренный поток ко всему сечению сердечника, мы определяем некоторое эффективное значение индукции при данной частоте и соответствующее ему эффективное значение магнитной проницаемости μ_ЭФ.

В настоящей работе проводится исследование основных магнитных свойств железо-никелевого сплава (пермаллоя).