19 Электромагнетизм

Лабораторная работа № э-09 (4-эм) магнитные и температурные свойства магнетиков

Цель лабораторной работы: исследование магнитных и температурных свойств ферромагнетиков.

Указания по организации самостоятельной работы студентов

1. Изучить теоретический материал по конспекту лекций и учебнику [1, § 132-136].

2. Изучить описание лабораторной работы.

3. Подготовить конспект и бланк отчета по лабораторной работе.

4. Подготовить ответы на вопросы к допуску (1-8) и к защите (9-14) лабораторной работы:

1) Почему магнетические свойства присущи всем материальным телам?

2) Какие вещества называют диа-, пара- и ферромагнетиками? Перечислите их магнитные свойства.

3) Дайте определение магнитной индукции , намагниченности, явлению гистерезиса.

4) От чего зависит и как вычисляется магнитный момент атома? Какой магнитный момент электрона определяет магнитные свойства ферромагнетиков?

5) Как намагничиваются диа- и парамагнетики?

6) Поясните метод измерений и опишите установку. Нарисуйте электрическую схему, используемую для измерений.

7) Выведите расчётные формулы для вычисления Н_с и B_s.

8) Объясните, как оценить погрешность измерений?

9) Сформулируйте определение домена, доменной границы, коэрцитивной силы Н_с, индукции насыщения B_s, остаточной индукции В_ост.

10) Перечислите процессы намагничивания и перемагничивания ферромагнетиков.

11) Объясните причину магнитного гистерезиса.

12) Покажите на примере графика В =f/(Т), как зависят магнитные свойства ферромагнетиков от температуры Т? Зависят ли от температуры магнитные свойства диа- и парамагнетиков?

13) Объясните, что происходит в ферромагнетиках при температуре Кюри.

14) Где применяются ферромагнетики?

Теория

Все вещества обладают магнитными свойствами и являются магнетиками. Универсальность магнетизма объясняется существованием магнитных моментов у элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов), из которых состоят атомы веществ.

По магнитным свойствам магнетики разделяют на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. К диамагнетикам относятся: органические соединения, элементы Сu, Bi, Sb, Ag, Аu, Pb, I, С, Si, Zn, S, H₂O, CO₂, инертные газы. Редкоземельные элементы, щелочные металлы, воздух, кислород, Cr, Mn, Sn, Pt, переходные элементы 8 группы являются парамагнетиками. Ферромагнитны – Fe, Ni, Со, Gd, при низких температурах – Ду, Ег, Но, Тm и их сплавы.

Магнитная индукция магнетика, помещённого во внешнее магнитное поле напряжённостью, равна:

, (1)

где – магнитная постоянная, Гн/м; – магнитная проницаемость, ;– магнитная восприимчивость.

В диамагнетиках магнитная восприимчивость отрицательна и незначительно меньше нуля ( < 0), проницаемость меньше единицы ( < 1). В парамагнетиках > 0, > 1 также незначительно. Поэтому диамагнетики и парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам.

В ферромагнетиках магнитная восприимчивость и проницаемость достигают больших величин ( >> 0, >> 1). Их намагниченность превосходит намагниченность диа- и парамагнетиков до 10¹⁰ числа раз. Они являются наиболее силъномагнитными веществами.

Ферромагнетики обладают рядом характерных магнитных свойств, таких, как сложная зависимость магнитной проницаемости от напряжённости поля Н, впервые изученная А.Г. Столетовым и называемая кривой Столетова (рис. 1); неоднозначная и нелинейная зависимость индукции В от поля Н, называемая петлёй гистерезиса (рис. 2).

Во всех магнетиках, как видно из формулы (1), магнитная индукция слагается из индукции, созданной полем в вакууме, и индукции, возникающей в магнетике, благодаря его намагниченности:

(2)

Вектором намагниченности называют магнитный момент единицы объёма магнетика:

, (3)

где – векторная сумма магнитных моментов атомов в объёме V.

Магнитный момент атома образуется из магнитных моментов электронов и магнитного момента ядра атома. Магнитный момент ядра в 1000 раз меньше магнитных моментов электронов, и им можно пренебречь. Электрон, вращающийся по орбите вокруг ядра атома, в первом приближении можно рассматривать как замкнутый ток. Он создаёт магнитный момент, который называют орбитальным моментом. электрона. Также электрон обладает собственным или спиновым магнитным моментом (спином).

Зная число электронов в атоме, их расположение (электронное строение атома) и взаимодействие, можно вычислить магнитный момент атома. В простейшем случае вычисляют в виде векторной суммы орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов:

, (4)

где i – число электронов в атоме.

Найденный магнитный момент определяет намагниченность (3), магнитную индукцию (2) и магнитные свойства магнетиков.

Если магнитный момент атома равен нулю ( = 0), то вещество является диамагнетиком. Под действием внешнего поля Н в диамагнетиках возникает прецессия (равномерное вращение) электронных орбит вокруг поля , которая создаёт дополнительный магнитный момент, направленный против поля . Поэтому результирующее магнитное поле в диамагнетиках будет меньше, чем в вакууме в раз.

Магнитная восприимчивость диамагнетиков не зависит от температуры Т и магнитного поля Н. Намагниченность I диамагнетиков линейно убывает с ростом поля Н.

В пара- и ферромагнетиках магнитный момент атома не равен нулю (). Под действием поля магнитные моменты атомов парамагнетика ориентируются вдоль направления поля , увеличивая величину магнитного поля парамагнетика в раз по сравнению с полем в вакууме.

Магнитная восприимчивость парамагнетика зависит от температуры Т. По закону Кюри обратно пропорциональна Т и равна: , где –постоянная величина. Величина намагниченности I парамагнетиков линейно возрастает с ростом поля Н.

Магнитные свойства ферромагнетиков обусловлены спиновыми магнитными моментами электронов.

При образовании кристалла ферромагнетика между электронами соседних атомов возникают обменные силы, которые ориентируют спиновые магнитные моменты электронов параллельно, что приводит к появлению результирующего магнитного момента в макроскопических областях ферромагнетика и к возникновению в них однородной, самопроизвольной (или спонтанной) намагниченности .

Области самопроизвольной намагниченности ферромагнетика, в которых спиновые магнитные моменты электронов расположены параллельно друг другу, называют доменами. Они имеют размеры от 10^-4 до 10^-1 см. В пределах домена ферромагнетик намагничен до насыщения I_s. Направления векторов в различных доменах в отсутствие внешнего магнитного поля различны, поэтому суммарный магнитный момент и намагниченность всего образца ферромагнетика равны нулю (рис. 3 и 4).

Если ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле Н, то он будет намагничиваться. Это означает, что появится и будет возрастать результирующий магнитный момент в ферромагнетике. Зависимость намагниченности I от напряжённости магнитного поля Н показана на рис. 3. Кривая намагничивания I =f(H) для железа была впервые получена А.Г. Столетовым. Рассмотрим её.

Когда внешнее магнитное поле отсутствует (Н = 0), намагниченность I образца равна нулю. При наложении поля Н намагниченность ферромагнетика начинает возрастать. В слабых магниных полях Н этот рост I будет происходить за счёт процесса скачкообразных, сначала обратимых, а затем необратимых смещений доменных границ (участок 1 на рис. 3 и 4). В результате движения границ будет увеличиваться объём доменов, магнитные моменты которых составляют малые углы с направлением поля Н. Ферромагнетик будет намагничиваться. (Доменной границей называют переходную область между доменами, в которой происходит постепенный поворот вектора от направления в одном домене до направления в другом домене.).

При возрастании напряжённости внешнего поля Н (участок 2 на рис. 3 и 4) магнитные моменты доменов начинают необратимо поворачиваться в направлении магнитного поля до совпадения с ним. Когда все собственные магнитные моменты электронов, участвующих в образовании ферромагнитного состояния, оказываются ориентированы по направлению поля Н, возникает техническое насыщение ферромагнетика. Поле Н, в котором возникает состояние технического насыщения, называют полем насыщения H_s, а магнитную индукцию, соответствующую полю H_s, –индукцией насыщения B_s.

При дальнейшем увеличении внешнего поля Н (участок 3 на рис. 3 и 4) величина намагниченности I незначительно возрастает за счёт парапроцесса, в результате которого увеличивается число электронов, участвующих в образовании ферромагнитного состояния.

Если довести ферромагнетик до состояния технического насыщения и начать уменьшать величину внешнего магнитного поля Н до нуля, а затем, изменив направление напряжённости Н на противоположное, увеличивать величину Н до значения поля насыщения – H_s, то будет происходить необратимое изменение намагниченности I образца и его магнитной индукции В (см. формулу (2)). Этот процесс называют перемагничиванием ферромагнетика. При этом наблюдается отставание изменения намагниченности I и индукции В ферромагнетика от изменения напряжённости внешнего магнитного поля Н, которое и называют маг­нитным гистерезисом.

Кривую зависимости I от поля Н, а также кривую зависимости магнитной индукции В от Н, которая описывает перемагничивание ферромагнетика, называют петлёй гистерезиса (см. рис. 2). Петля гистерезиса, соответствующая техническому насыщению ферромагнетика, называется максимальной.

Магнитное поле Н, при котором максимальная петля гистерезиса пересекает ось абсцисс и для которого магнитная индукция В равна нулю, называют полем коэрцитивной силы Н_с (см. рис. 2).

Магнитная индукция, оставшаяся в ферромагнетике после того, как его намагнитили до насыщения, а затем уменьшили магнитное поле Н до нуля, называется остаточной индукцией В_ост (см. рис. 2).

Процесс перемагничивания ферромагнетика происходит в соответствии с процессами намагничивания. В слабых полях Н перемагничивание осуществляется путём необратимого смещения доменных границ, а в более сильных полях – путём необратимого вращения вектора намагниченности в доменах. При смещении доменная граница скачками преодолевает неоднородности в ферромагнетике, рассеивая накопленную при задержке на них энергию. Это обуславливает необратимые потери энергии при движении границы. Аналогичные потери энергии имеют место и при повороте векторов намагниченности в доменах. Энергия магнитного поля Н, затраченная на перемагничивание ферромагнетика, переходит в тепло. Величина потерь энергии при перемагничивании ферромагнетика определяется площадью петли гистерезиса. Необратимый характер процессов перемагничивания (смещения границ и вращения ) является причиной магнитного гистерезиса.

Ферромагнитное состояние вещества зависит от температуры. Для каждого ферромагнетика существует определённая температура Т_с, при которой нарушается параллельная ориентация спинов и области самопроизвольного намагничивания распадаются. Вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эту температуру называют точкой Кюри. Для железа она равна 1043°К, для никеля – 1393°К, для кобальта – 631°К. При температуре выше точки Кюри ферромагнетик становится парамагнетиком. В точке Кюри происходит фазовый переход второго рода, связанный со скачкообразным изменением свойств магнитной симметрии ферромагнетиков. При температуре Кюри интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения его самопроизвольной намагниченности и исчезновения параллельной ориентации собственных магнитных моментов электронов. Ферромагнетик превращается в парамагнетик.

Ферромагнетики находят самое широкое применение в электротехнике, радиоэлектронике, ЭВМ, промышленности, транспорте.

Магнитомягкие ферромагнитные материалы, обладающие низкой коэрцитивной силой, используются в генераторах, моторах, электродвигателях, трансформаторах.

Магнитожёсткие или высококоэрцитивные ферромагнетики применяются в качестве постоянных магнитов в разнообразных областях современной техники.

Тонкие слои ферромагнетиков или магнитные пленки используют в качестве логических элементов и элементов памяти в современных ЭВМ.