ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический

университет"

Кафедра физики твердого тела

Методические указания

к лабораторным работам № 1-4

по курсу «Физика магнетизма»

для студентов направления 16.03.01 «Техническая физика» (профиль «Физическая электроника»)

очной формы обучения

Воронеж 2014

Составители: канд. физ.-мат. наук И.В. Бабкина,

д-р физ.-мат. наук Ю.Е. Калинин,

д-р физ.-мат. наук О.В. Стогней

УДК 539.67, 548:537.621

Методические указания к лабораторным работам № 1-4 по курсу «Физика магнетизма» для студентов направления 16.03.01 «Техническая физика» (профиль «Физическая электроника») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. И.В. Бабкина, Ю.Е. Калинин, О.В. Стогней. Воронеж, 2014. 30 с.

Методические указания содержат краткие теоретические сведения, схемы, лабораторные задания, контрольные вопросы.

Предназначены для студентов профиля «Физическая электроника» при изучении дисциплины «Физика магнетизма».

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе Word 2003 и содержатся в файле «ЛР по магнетизму.doc».

Табл. 2. Ил. 9. Библиогр.: 9 назв.

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. Е.К. Белоногов

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.Е. Калинин

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НАМАГНИЧИВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ 3d –ЭЛЕМЕНТОВ

Цель работы: изучение петли гистерезиса ферромагнетиков магнитометрическим методом и определение основных параметров.

Используемое оборудование и материалы: вибраци­онный магнитометр, ферромагнитные образцы, таблицы и справочники для расчетов.

Теоретическая часть

Ферромагнитные материалы состоят из участков, которые даже при отсутствии внешнего поля намагничены до насыще­ния (области самопроизвольного намагничивания). Обычно векторы намагниченности этих областей расположены в про­странстве хаотически, и поэтому их суммарный магнитный момент равен нулю. Процесс технического намагничивания заключается в ориентировании векторов намагниченности об­ластей самопроизвольного намагничивания в направлении приложенного внешнего магнитного поля.

В общем случае намагниченность (или индукция) не яв­ляется однозначной функцией напряженности магнитного по­ля, а зависит от магнитной «предыстории» образца. Поэтому следует условиться о начальном состоянии среды, для которой определяется зависимость индукции или намагниченности от напряженности магнитного поля. За «начальное» состояние принимают состояние так на­зываемого полного размагничивания, которое характеризуется одновременным равенством нулю намагниченности и напря­женности магнитного поля (1=0 и Н=0). Если образец из ферромагнитного материала не подвер­гался действию магнитного поля, то он находится в полностью размагниченном состоянии и области самопроизвольного намагничивания в нем расположены таким образом, что их магнитные моменты хаотически направлены в образце.

При помещении такого образца в магнитное поле, моно­тонно и медленно изменяющееся от нуля до некоторой вели­чины, можно

определить его кривую намагничивания I=f(H), которая называется кривой первого (первоначального) намаг­ничивания. Обычный вид кривой первоначального намагничи­вания показан на рис. 1, а.

Если учесть, что часто невозможно полностью размагни­тить ферромагнитный образец так, чтобы в нем имело место действительно хаотическое расположение векторов магнитных моментов областей самопроизвольного намагничивания (кроме случая нагрева образца выше температуры Кюри, когда это возможно), что у ряда материалов свойства необратимо изме­няются после первого намагничивания (например, у перминвара), а также и то, что экспериментально получить кривую первого намагничивания обычно довольно трудно. то следует признать, что эта кривая не может являться технической характеристи­кой ферромагнитных материалов.

В общем случае кривую первоначального намагничива­ния можно разделить на пять участков (рис. 1, а). Представим себе, что намагничивается небольшой кристаллик ферромагнетика, состоящий первоначально m четырех доме­нов (рис. 1, 6). Допустим, что кристаллик имеет кубическую кристаллическую структуру; его основные кристаллографические направления, совпадающие с направлениями результи­рующих магнитных моментов этих четырех доменов, указаны на рисунке крестиком. При наложении на образец небольшого магнитного поля Н начальное распределение доменов стано­вится энергетически невыгодным, и происходит рост одних доменов за счет других, вызванный соответствующим смеще­нием доменных границ. Если поле убрать, выключить, восста­новится прежняя картина. Поэтому участок Ii кривой намагни­чивания называется участком обратимого смещения (домен­ных границ).

В этой области магнитная восприимчивость и проницае­мость - величины постоянные и не зависят от напряженно­сти поля:

I = H (1)

B = H (2)

Второй участок кривой намагничивания (I₂ – область Релея)

характеризуется квадратичной зависимостью намагничен­ности и индукции от напряженности магнитного поля:

; (3)

. (4)

Область Рэлея также находится в области слабых полей, зна­чительно меньших коэрцитивной силы. В этой области вос­приимчивость и проницаемость линейно возрастают с увели­чением напряженности поля:

; (5)

(6)

Процесс намагничивания в области Рэлея происходит главным образом за счет опрокидывания (инверсии) областей самопро­извольного намагничивания в направлении легкого намагни­чивания, ближайшие к направлению приложенного поля, и в меньшей степени за счет упругого смещения границ. У боль­шинства ферромагнитных материалов намагниченность под­чиняется в определенной области закону Рэлея. Однако суще­ствуют материалы, у которых такой области на кривой намаг­ничивания нет.

Если же поле будет продолжать расти, верхний (на рис. 1, б) домен постепенно вытеснит все остальные и образец станет «однодоменным». Этот процесс называется необратимым смещением (участок II на рис. 1, а). Необратимость заключается в том, что если теперь выключать поле, прежняя картина рас­пределения доменов сама не восстановится: отсутствуют даже «зародыши» исчезнувших доменов.

Но пока еще (конец участка II) результирующий вектор магнитного момента нашего единственного домена «привязан» силами магнитной анизотропии к направлению оси кристалла. Дальнейшее увеличение поля оторвет этот вектор от направле­ния оси кристалла и повернет его ближе к направлению напряженности поля. Участок III и носит название «вращение» (результирующих векторов магнитных моментов доменов) и заканчивается - при совпадении направлений поля и моментов - так называемым «техническим насыщением» намагниченности (I_s) или индук­ции (B_s), которое достигается в поле насыщения H_s.

Если продолжать увеличивать поле выше H_s, намагничен­ность будет продолжать медленно расти. Для большинства ма­териалов этот рост так мал, что его очень трудно измерить. Это явление соответствует участку IV на рис. 1, а и носит назва­ние «парапроцесса», или «истинного намагничивания». Дело в том, что силы теплового движения не могут нарушить парал­лельность большинства _ат домена, но способны все-таки вне­сти некоторое разупорядочение атомных магнитных моментов (тем большее, чем выше температура). Увеличение внешнего поля дает обратный эффект - увеличивает их упорядочение, что и составляет сущность парапроцесса.

Рассмотрев природу начальной кривой намагничивания, отметим, что, кроме самой величины намагниченности I мате­риала, в технике большое значение имеет скорость ее роста при росте напряженности внешнего поля Н, характеризуемая отношением изменения намагниченности I в данном поле к величине соответствующего изменениям поля Н и называе­мая магнитной восприимчивостью I/H. Различают на­чальную, максимальную, среднюю и др. восприимчивости, в зависимости от того, в каком месте кривой ее вычисляют. Другая важная для характеристики магнитных материалов величи­на: =1+- называется магнитной проницаемостью. Возвраща­ясь к рис. 1, а, представим себе, что, доведя поле до H_s, мы нач­нем уменьшать его до нуля. Опыт показывает, что намагни­ченность не вернется к нулю по начальной кривой намагничи­вания, новая кривая пройдет выше прежней (рис. 1, в) и пересе­чет ось I при Н=0 с некоторым значением I_г (остаточная намаг­ниченность). Чтобы довести I до нуля, надо увеличить внешнее поле в направлении, противоположном прежнему, до значения Н_C (коэрцитивная сила). Проведя полный цикл изменения поля в обе стороны, получим изображенную на рисунке петлю гис­терезиса намагниченности. Одна из причин запаздывания сле­дования намагниченности за полем - необратимость смещения доменных границ, о которой шла речь выше. Другая причина связана с несовершенствами кристалла. Энергии поля хватает на то, чтобы, прорвав доменную границу, перебросить ее при движении через встретившееся на ее пути «включение» (де­фект решетки, атом примеси и т. д.). Но при спаде поля и воз­врате доменной границы обратно ее собственной энергии не хватит на то, чтобы миновать включение. Граница «застрянет» на нем. Все это вместе и приводит к гистерезису.

Различают магнитомягкие материалы, имеющие малые I_г и H_s, узкую петлю (площадь петли пропорциональна потере энергии, ее переходу в тепло за период перемагничивания), и магнитотвердые материалы с большими I_г и H_s, с широкой петлей гистерезиса (рис. 1, г). Понятно, что мягкие материалы должны быть однородными по структуре, свободными от при­месей и внутренних напряжений. Простейший пример - чистое железо. Противоположный пример - закаленная сталь, содер­жащая углерод, главным образом в виде цементита, иногда в виде внедренных в решетку железа атомов или в виде включе­ний и т.п. Сталь обладает сравнительно широкой петлей гисте­резиса и используется для изготовления наиболее дешевых по­стоянных магнитов.

Экспериментальная часть

Можно выделить три принципиально различных спосо­ба измерения намагниченности: 1) непосредственно измеряет­ся сила, действующая на намагниченное тело; 2) регистрирует­ся поле, создаваемое намагниченным образцом; 3) использует­ся явление электромагнитной индукции.

К приборам, использующим второй способ измерений, относятся магнитометры с вибрирующим образцом. Суть ме­тода вибрационного магнитометра заключается в том, что находящийся в воздушном зазоре электромагнита намагниченный образец колеблется с низкой частотой вверх и вниз с незначительной амплитудой около 0,1 - 0, 2 мм; поле рассеяния, обусловленное намагниченностью вибрирующего образца, создает осцилли­рующий магнитный поток в расположенной поблизости изме­рительной катушке, сигнал переменного тока в которой и слу­жит мерой намагниченности.

Схема вибрационного магнитометра изображена на рис. 2. Образец 4 закрепляется на длинном штоке 10. Другой конец штока расположен внутри электромагнита 1. Шток с об­разцом располагается между двумя катушками 7 и электромаг­нитом 5. Генератором 6 подается гармонический сигнал часто­той 67 Гц и амплитудой 10 В на электромагнит 1, в результате шток 10 с образцом 4 совершает вертикальные колебания с частотой задаваемой генератором. Колебания штока контроли­руются с помощью осциллографа 3 на канале 1, для этого на штоке намотана катушка 14, находящаяся между неподвиж­ными постоянными магнитами 2 и 13. С помощью электромаг­нита 5 создается подмагничивающее поле, которое намагничи­вает образец 4. Колеблющееся магнитное поле образца инду­цирует ЭДС в катушках 7. Катушки расположены таким обра­зом, чтобы сигнал складывался. ЭДС, возникающая в катуш­ках, пропорциональна магнитному полю образца. В выносном усилителе 8 сигнал с катушек предварительно усиливается и подается на канал "а" усилителя-преобразователя УПИ-2. Опорный сигнал на канал "Ъ" УПИ-2 подается с гене­ратора 6

с той же частотой, с какой колеблется шток. На уси­лителе-преобразователе устанавливается время интеграции 1 сек. и коэффициент усиления полезного сигнала в диапазоне от 100 до 100000. Вид гармонического сигнала промодулированного полезным сигналом контролируется на канале 2 осцилло­графа 3. Полезный сигнал, пропорциональный намагниченно­сти образца, снимается с канала "d" УПИ-2 и подается на само­писец 12 на канал "Y" или на АЦП электронно-вычислительного комплекса. На канал "X" самописца 12 или АЦП электронно-вычислительного комплекса подается напряжение с датчика Холла 11. В качестве эталонного сигнала используют сигнал от Ni, намагниченность насыщения которо­го известна (55,370 А*м²/кг).

Намагниченность исследуемого образца вычисляется по следующей формуле:

(7)

где _Х - искомая намагниченность [А*м²/кг], _Ni - намагни­ченность Ni [А*м²/кг], m_Ni - масса Ni [кг], m_X - масса иссле­дуемого образца [кг], _Ni - значение ЭДС, соответствующей максимальной намагниченности Ni [мВ], _X - значение ЭДС, соответствующей максимальной намагниченности образца [мВ].

Для того, чтобы уменьшить влияние размагничивающего фактора исследуемые образцы располагают параллельно внешнему магнитному полю. Поскольку толщина образцов со­ставляла несколько мкм, то вполне корректным является при­ближение, в соответствии с которым поле внутри образцов равно приложенному полю.

Порядок выполнения работы

1. Изучить устройство и принцип работы вибрационного магнитометра.

2. Закрепить один из предложенных образцов в держатель. Построить контрольную кривую намагничивания, подобрать необходимый масштаб на самописце. (Все кривые намагничи­вания должны быть в одном масштабе.)

3. Построить петли гистерезиса для предложенных ферро­магнитных образцов. По петлям гистерезиса определить коэр­цитивную силу материалов Н_C и поле насыщения Hs: исполь­зуя коэффициент для датчика Холла (k=174 мкВ/мТл), пере­считать значения напряжения в значения напряженности внешнего поля Н.

Оценить по внешнему виду, каким чистым ферромаг­нитным металлам соответствуют полученные кривые. Выбрать критерии, по которым можно осуществить данную оценку. Для оценки воспользоваться данными таблицы.

5.Определить массу образцов, рассчитав объем. Значения плотности взять из справочника.

6. Используя кривую намагничивания контрольного образца, определить ко­эффициент К для пересчета величины намагниченности, изме­ренной в относительных единицах, к абсолютным значениям.

7. Рассчитать остаточную намагниченность материалов σ_г, используя формулу (7).

8. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу.

Контрольные вопросы

1. Рассказать о характеристиках магнитного поля B и H, в каких единицах они измеряются.

2. Перечислить и охарактеризовать методы измерения намагничен-ности.

3. Рассказать об устройстве и принципе действия вибраци­онного магнитометра.

4. Назовите основные магнитные характеристики вещества в посто­янном магнитном поле.

5. Охарактеризуйте кривую намагничивания ферромагнетика.

6. Перечислите основные виды магнетизма.

7. Дайте характеристику магнетизма веществ, не обладающих атомным магнитным порядком.

8. Назовите магнитоупорядоченные мате­риалы.

9. Дайте определение размагничивающему полю образца и размагничивающему фактору.

10. Как использовать эффект Холла для измерения напряженности магнитного поля.

/Л. 1; 2; 3; 4/