metod_lab_el-magn

6.Определить координаты nX и nY вершины петли.

7.Уменьшая с помощью потенциометра силу тока в первой обмотке получить на экране осциллографа семейство петель гистерезиса и определить для вершин каждой из них значение nXi и nYi . Измерения проводить до тех пор, пока петля не стянется в точку.

вость χ0 по углу наклона касательной к I = f (H ) в точке О; в) максималь-

ную полную восприимчивость χ max , которой соответствует наибольший угол наклона касательной, проведенной из начала координат к кривой намаг-

ничивания I = f (H ); г) аналогично определить значение максимальной полной проницаемости μmax по кривой B = f (H ).

Упражнение 2. Определение потерь на перемагничивание

Площадь петли гистерезиса можно найти следующим образом. Цена одного деления в направлении оси H , как вытекает из выражения (9), равна k X в

направлении оси B – kY (см. формулу 10). Тогда площадь одной клетки бу-

дет равна k X × kY . Если петля гистерезиса содержит N клеток, то ее пло-

142

щадь S равна S = N × k X × kY . Количество теплоты, выделяющейся в едини-

1.С помощью переключателей "усиление по вертикали" и "усиление по горизонтали" и потенциометром R добиться того, чтобы петля гистерезиса имела участок насыщения и занимала большую часть экрана.

2.Снять координаты 16 – 20 различных точек петли в делениях координатной сетки экрана осциллографа.

3.Вычертить петлю на миллиметровке, выбирая по осям X и Y такой же масштаб, как на координатной сетке.

4.Подсчитать число n миллиметровых клеток, охватываемых верхней половиной петли. Вычислить полное число клеток N = 2n .

5.Вычислить значения k X и kY по формулам (13) и (14).

6.По формуле (15) вычислить мощность потерь на перемагничивание.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.С помощью, каких физических параметров описывают магнитное поле в веществе?

2.Какова природа ферромагнетизма? Каковы основные свойства ферромагнетиков?

3.Что называется магнитной восприимчивостью и проницаемостью?

4.Что называется намагниченностью? Объясните механизмы намагничивания ферромагнетика? Что означает магнитное насыщение ферромагнетика?

5.Каким образом можно объяснить явление гистерезиса? Как объяснить наличие остаточной намагниченности?

6.Чем отличаются ферриты от ферромагнетиков?

7.Где применяются магнитомягкие и магнитожесткие материалы?

Литература: 2, § 94, 103-107, 110-112, 115, 119; 4, § 38, 42; 7, § 58, 61, 62,

74, 75, 79.

143

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №22

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧКИ КЮРИ ФЕРРОМАГНЕТИКА

Цель работы: определение точки Кюри ферромагнетика по температурной зависимости магнитной проницаемости.

Приборы и принадлежности: ферритовый тороид с двумя катушками, амперметр, вольтметр, печь, термометр.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Вещества, в которых возникает ферромагнитное упорядочение, т. е. когда большинство атомных магнитных моментов параллельны друг другу называются ферромагнетиками. Такие вещества способны обладать самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля. К числу ферромагнетиков относятся переходные элементы (железо, кобальт, никель), некоторые редкоземельные элементы, а также широкий спектр их сплавов, и окислов. Для ферромагнетиков характерно наличие внутренних незаполненных электронных слоев. Например, для железа, никеля и кобальта незаполненными являются 3d-слой, для гадолиния слой - 4f. Основные магнитные свойства ферромагнетиков – способность сильно намагничиваться в слабых магнитных полях, большая величина µ, нелинейная зависимость магнитной индукции B от напряженности H и гистерезис. Как всякое макроскопическое явление, намагничивание имеет свою микроскопическую природу. и обусловлено магнитными моментами атомов и молекул вещества, которые в свою очередь складываются: из электронных орбитальных моментов, из электронных спиновых (собственных) моментов, а также из ядерных моментов.

Степень намагничивания вещества характеризуется векторной величиной, называемой намагниченностью и равной магнитному моменту единицы объема вещества:

144

J = D1 ∑ pмол

V

где pмол - магнитный момент отдельного атома; V - физически бесконеч-

но малый объем в окрестности, данной точки. В СИ намагниченность изме-

где χ - магнитная восприимчивость вещества.

Влияние вещества на магнитное поле характеризуется также магнитной

где ( μ0 - магнитная постоянная, равная 4π ×10−7 Гнм. Безразмерные вели-

чины χ и μ связаны между собой соотношением

Исследования показывают, что феppомагнетизм обусловлен межатомным взаимодействием (оно также называется обменным), имеющим квантовый характер и являющимся по своей природе электростатическим. Результат этого взаимодействия сводится к тому, что спиновые моменты соседних атомов стремятся расположиться параллельно или антипаpаллельно друг другу. У одних веществ обменное взаимодействие больше, у других - меньше. У феppомагнетиков это взаимодействие столь велико, что в области темпеpатуp, ниже некоторой (темпеpатуpы или точки Кюpи) спины соседних атомов ориентированы параллельно друг другу, а тепловые колебания атомов не в состоянии pазpушить такое pасположение.

145

Энергию A, возникающую в результате обмена электронами соседних атомов, называют обменной энергией или интегралом обменной энергии. При положительном интеграле обменной энергии A (см.рис. 1.), что соот-

Рис.1. Зависимостьинтегралаобменнойэнергии A ототно- шение межатомного расстояния a к диаметру незапол-

ненной электронной оболочки d .

ветствует минимуму электростатической энергии, возникает параллельная ориентация спинов. При отрицательном знаке A (рис. 1.) энергетически выгодно антипараллельное расположение спинов. Численное значение и знак интеграла A зависит от степени перекрытия электронных оболочек.

Когда, в результате сильного обменного взаимодействия спины электронов устанавливаются параллельно друг другу, в ферромагнетике возникают области, спонтанно намагниченные до насыщения. Данные области называются доменами. Размеры их очень малы (1...100 мкм). В отсутствие внешнего поля магнитные моменты различных доменов ориентированы беспорядочно и в целом ферромагнитный образец может оказаться ненамагниченным.

Доменная структура ферромагнетика удовлетворяет условию минимума полной свободной магнитной энергии.

146

При нагревании ферромагнетика, происходит уменьшение намагни-

ченности J и при температуре, равной точке Кюри Tк (и выше) он теряет свои сильные магнитные свойства. Так как тепловое движение атомов и молекул разрушает параллельное расположение магнитных моментов и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное является фазовым переходом второго рода, который сопровождается также резким изменением не только магнитных, но и ряда физических свойств ферромагнетика: теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, коэффициента линейного расширения.

Вблизи точки Кюри наблюдается

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка для определения точки Кюри ферромагнетика представлена на рис. 3. Она состоит из печи, в которую помещается исследуемый образец. Им является ферритовый образец тороидальной формы с двумя катушками.

В технике обычно применяются смешанные ферриты, состоящие из окисла железа, и окислов двух или более металлов. Индукция магнитного поля ферритов обычно значительно ниже, чем у металлических ферромагнетиков, а удельное сопротивление ферритов во много раз больше, чем сопро-

тивление металлических ферромагнетиков и лежит в пределах от 102 до

109 Ом × см. Следовательно, ферриты практически свободны от влияния индукционных вихревых токов и их можно применять в устройствах высокой

147

T 0C

печь

A

Рис. 3

частоты. Температура образца измеряется термометром T (рис. 3). От генератора Г (рис. 3) через катушку 1 пропускают переменный ток

Магнитное поле переменного тока i1 посредством ферритового торои-

да создает изменяющийся во времени магнитный поток через катушку 2. В

результате в ней возникает ЭДС индукции, амплитуда, которой ε02 опреде-

148

тушке, измеряемому с помощью вольтметра V . ЭДС индукции, наводимой во второй катушке, будет равна

где Ф – магнитный поток через вторую катушку.

Из (10) получим для магнитной проницаемости следующее выраже-

ние

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ ЕГО РЕЗУЛЬТАТОВ

1. . Собрать схему согласно рис. 2.

2. На катушку 1 подать переменное напряжение от звукового генератора частотой f = 10 ÷ 20 кГци задать силу тока I1 = 0.1 ÷ 10 mA, кон-

тролируя ее с помощь амперметра A.

149

3.С помощью вольтметра V измерить ЭДС на катушке 2.

4.Измерить температуру с помощью термометра T .

5.Включить печь и через каждые 5-10 минут производить измерения согласно п. 2-4.

6.Измерения производить до температуры образца равной 160-1700.

7.Выключить печь и произвести аналогичные измерения, снижая температуру до 600С.

8.Вычислить магнитную проницаемость по формуле (11).

9. По данным значениям µ и T построить график зависимости

µ = f (T ) и из этого графика определить точку Кюри.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Какие виды магнетиков вам известны?

2.Какова природа ферромагнетизма?

3.Как объяснить большую магнитную проницаемость ферромагнетика?

4.Каков механизм намагничивания ферромагнетика?

5.Что такое точка Кюри? Как определяется точка Кюри по температурной зависимости магнитной проницаемости?

6.Почему ЭДС индукции во вторичной обмотке резко уменьшается с приближением к точке Кюри?

7.Объясните причину возникновения ЭДС во вторичной обмотке?

8.Вывести формулу (11).

Литература: 2, § 94, 110, 118, 119; 4, § 38, 40-42; 7, § 61, 74-76, 79.

150

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Агапов Б.Т. Максютин Г.В., Островерхов П.Н. Лаборатоный практикум по физике. М.: Высш. шк., 1982. 607 с.

2.Калашников С.Г. Электричество М.: Наука, 1985. 592 с.

3.Лабораторные занятия по физике: Учеб. Пособие / Под ред. Л.Л. Голь-

дина. М.: Наука, 1983. 704 с.

4.Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. М.: Наука 1985. 463 с.

5.Попов В.С. Электрические измерения. М.: Наука, 1968. 486 с.

6.Рублев Ю.В., Куценко А.И. Кортнев А.В. Практикум по электричеству.

М.: Высш. Шк. 1971. 312 с.

7.Сивухин Д.В. Общий курс физики: В 5 т. Т. 3. М.: Наука, 1983. 688 с.

8.Физический практикум. Электричество и оптика / Под ред. В.И. Ивероновой. М.: Наука, 1968. 816 с.

9.Физический практикум по физике / Под ред. К.А. Барсукова и Ю.И. Уханова. М.: Высш. Шк., 1988. 351 с.