Лабораторная работа № 17

Измерение магнитной проницаемости ферромагнетика индукционным методом

1. Цель работы:Измерить магнитные проницаемости образцов стали и феррита индукционным методом.

2. Электронный осциллограф. Описание прибора вынесено в конец этой методички.

3. Магнитные свойства вещества.

Нейтральные молекулы и атомы вещества состоят из заряженных частиц – положительно заряженных ядер и отрицательно – электронов. Вследствие кругового движения частиц атом может обладать дипольным магнитным моментом. Магнитный момент атома связывается со спиновым магнитным моментом каждого электрона, спиновым моментом ядра и орбитальным магнитным моментом, вызванным движением электронов по орбитам. Векторный характер сложения различных составляющих общего магнитного момента допускает возможность равенства его нулю в отсутствие внешнего магнитного поля.

Магнетиками называются макроскопические тела, способные намагничиваться – приобретать магнитные свойства. В качестве величины, характеризующей намагничивание вещества, вводится вектор намагничивания (намагниченность) как векторная сумма магнитных моментов атомов, находящихся в единице объема, определяемый как:

=. (16.1)

Для магнетиков, находящихся в не слишком сильных магнитных полях,

=, (16.2)

где – магнитная восприимчивость вещества.

Диамагнетизм. Явлением диамагнетизма называется индуцирование дополнительного магнитного момента в атомных электронных оболочках под действием внешнего магнитного поля. Для диамагнетиков <0, (|_m|~10^-5).

В неоднородном магнитном поле на диамагнетик действуют силы в направлении уменьшения поля, т.е. образец диамагнетика выталкивается из магнитного поля.

Парамагнетизм. Явление парамагнетизма наблюдается у веществ, атомы которых имеют постоянный магнитный момент _m. В отсутствие внешнего магнитного поля дезориентирующее действие теплового движения не допускает упорядоченной ориентации векторов _m. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле возникает явление прецессии электронных орбит и векторов магнитных моментов атомов вокруг направления внешнего поля. Совместное действие поля и теплового движения атомов приводит к преимущественной ориентации магнитных моментов атомов по направлению внешнего магнитного поля. Парамагнитная восприимчивость сильно зависит от температуры

_m=. (16.3)

В неоднородном магнитном поле на парамагнетик действует сила в направлении увеличения поля, т.е. образец парамагнетика втягивается в область магнитного поля.

Ферромагнетизм. Ферромагнетиками называются вещества, в которых намагниченность может во много раз (10⁴-10⁵) превосходить вызывающее ее внешнее поле. Атомы ферромагнетика обладают постоянными магнитными диполями, которые сильно связаны между собой. Ниже некоторой характерной температуры Т_к (называемой температурой Кюри) магнитные диполи атомов расположены параллельно в целых областях. Величина и структура этих областей, называемых доменами Вейса, зависят от температуры и напряженности приложенного внешнего поля. Выше Т_к неупорядоченное тепловое движение разрушает обусловленное связью параллельное расположение магнитных диполей и ферромагнетик ведет себя как парамагнетик.

Магнитным гистерезисом ферромагнетиков называется отставание изменения магнитной индукции от изменения напряженности внешнего намагничивающего поля, обусловленное зависимостьюот ее предыдущих значений. Магнитный гистерезис есть следствие необратимых изменений при намагничивании и перемагничивании. Причинами магнитного гистерезиса являются необратимые процессы смещения границ между областями самопроизвольной намагниченности (доменами). Явление гистерезиса иллюстрируется зависимостью В=f(Н) на рисунке 16.1.

У ферромагнетиков даже в отсутствие внешнего магнитного поля Н может существовать поле В_ост – остаточная индукция. Этот случай соответствует постоянным магнитам.

Поле В_ост можно свести до нуля, приложив противоположно направленное внешнее магнитное поле Н_к – так называемую коэрцитивную силу.

Вектор индукции результирующего магнитного поля в магнетике равен векторной сумме магнитных индукций внешнего (намагничивающего) и внутреннего полей

Рисунок 16.1 – Петля гистерезиса ферромагнетика

=₀+_внутр, ₀=μ₀, _внутр=μ₀. (16.4)

Связь между магнитной индукцией , напряженностьюи намагничиванием

=μ₀(+)=μ₀(1+)= μμ₀. (16.5)

Связь между магнитной проницаемостью μ и магнитной восприимчивостью χ_m

=1+χ_m. (16.6)

Если образец ферромагнетика намагнитить во внешнем магнитном поле, то после снятия внешнего поля он остается намагниченным. Осесимметричный постоянный магнит (намагниченный ферромагнетик) создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобное полю катушки с током. В таком случае основной характеристикой постоянного магнита является величина макроскопического дипольного момента .

Индукция магнитного поля диполя с магнитным моментом :

В₁=μ₀Р_m/(2πr³) – для оси диполя,

В₂=μ₀Р_m/(4πr³) – в перпендикулярной плоскости. (16.7)

Зная объем магнита V, можно вычислить его намагниченность

J=P_m/V. (16.8)