Описание метода измерений и установки

Приборы и принадлежности: тороидальный ферромагнитный образец – тороид Тр, звуковой генератор сигналов – ЗГ, осциллограф электронный – ОЭ, электронный термометр – ЭТ, нагревательная обмотка L_н, сопротивления, конденсатор.

Если ферромагнетик нагревать, то с ростом температуры тепловые колебания атомов возрастают и разрушается параллельная ориентация собственных спиновых магнитных моментов электронов. В результате возникает разупорядочение спинов в ферромагнетике и уменьшаются намагниченность насыщения I_s, магнитная индукция насыщения B_s, поле насыщения H_s, поле коэрцитивной силы Н_с.

Уменьшение магнитных свойств ферромагнетика происходит постепенно. На рис. 5 показано изменение магнитной индукции B_s ферромагнетика, наблюдаемое с ростом температуры Т. При низких температурах Т магнитная индукция B_s сначала медленно убывает с увеличением температуры Т. Вблизи определенной температуры Т_с, называемой точкой Кюри, наблюдается резкое уменьшение B_s и индукция насыщения стремится к нулю при Т=Т_с. Точку Кюри можно определить, находя пересечение кривой зависимости B_s=f/(Т) с осью температур Т. Температура Кюри Т_с соответствует переходу вещества образца из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

В лабораторной работе температуру Кюри Т_с определяют по исчезновению ферромагнитных свойств образца при его нагревании. Измеряют величину уменьшающейся магнитной индукции B_s по петле гистерезиса с ростом Т, для получения которой используют осциллографический метод. Принципиальная схема установки для наблюдения петли гистерезиса и измерения магнитных характеристик B_s, B_ост, H_s, Н_с приведена на рис. 6.

Исследуемый ферромагнитный образец тороидальной формы Тр нагревают с помощью нагревательной обмотки L_н которую включают кнопкой К. Температуру t° С образца измеряют с помощью электронного термометра ЭТ.

На тороиде Тр, кроме нагревательной обмотки, плотно намотаны ещё две обмотки. Первичная обмотка L₁, намагничивающая с числом витков N₁ и вторичная – L₂ с числом витков N₂. На обмотку L₁ через сопротивление R₁ подают переменный ток J₁ от генератора ЗГ. В результате возникает магнитное поле, напряжённость которого пропорциональна току J₁(n₁ – число витков, приходящееся на единицу длины обмотки L₁).

H=n₁J₁ (5)

Напряжение U_x снимают с сопротивления R₁:

(6)

Оно пропорционально току J₁ и, следовательно, полю Н=n₁J₁. Напряжение U_x подают на вход «X» осциллографа. Отклонение X электронного луча по горизонтальной оси осциллографа будет пропорционально величине U_x, следовательно, напряжённости магнитного поля Н:

(7)

При увеличении тока J₁ в обмотке L₁ изменяются магнитная индукция и магнитный поток Ф, пронизывающий образец. Магнитный поток, пронизывающий каждый виток обмотки L₂, равен BS, где S – площадь поперечного сечения витка катушки L₂.

Полный магнитный поток, пронизывающий обмотку L₂, определяют по формуле

Ф=BSN₂. (8)

В результате изменения магнитного потока Ф по закону электромагнитной индукции Фарадея в обмотке L₂ возникает ЭДС индукции:

(9)

Закон Ома для цепи обмотки L₂ в данный момент времени записывается в виде:

, (10)

где – мгновенный ток в обмотке L₂, U_c – напряжение на конденсаторе С:

, (11)

–заряд конденсатора, .

Величины С, R₂ подобраны так, что U_c<<J₂R₂ и, следовательно U_c в формуле (10) можно пренебречь. Тогда

(12)

Подставляя из формулы (9), получим:

(13)

Напряжение U_c пропорционально магнитной индукции В образца и подаётся на вход «У» осциллографа ОЭ. Величина индукции В равна

(14)

Таким образом, на вход «X» осциллографа (на горизонтально отклоняющие пластины) подаётся напряжение U_x, пропорциональное напряжённости внешнего магнитного поля Н, а на вход «У» (на вертикально отклоняющие пластины) подаётся напряжение U_c, пропорциональное магнитной индукции В ферромагнетика. В результате на экране осциллографа получается петля гистерезиса В=f(H). За каждый период синусоидального изменения тока электронный луч описывает петлю гистерезиса, и на экране ОЭ будет наблюдаться неподвижная картина.

Изменяя U_x, увеличивают поле Н и получают на экране осциллографа максимальную петлю гистерезиса. Для определения величин Н_c, H_s, В_ост (см. рис. 2) вычислят соответствующие напряжения U_x и U_c, зная чувствительность осциллографа h_x по оси X, чувствительность b_y – по оси у и измеряя на экране осциллографа отрезки ОН_с, OH_s по оси X и отрезку OB_ост, OB_s по оси у в мм. Тогда

, (15)

где X=ОН_с с для Н_с и X=OH_s для Н_s; у = OB_ост для В_ост и у=OB_s для B_s.

Учитывая формулы (7), (14) и последние равенства, получим:

(16),

где ,– постоянные величины, равные: C₁=15·10² А/м²,

C₂=20 Тл/м.

Зная C₁ и C₂, получим окончательные формулы для вычисления магнитных характеристик Н_с, H_s, В_ост, B_s в виде:

(17)