Лабораторная работа №10

Лабораторная работа № 10

Изучение гистерезиса ферромагнитных материалов

Цель работы. Изучения явления гистерезиса ферромагнитных материалов. Измерение кривой намагничения, коэрцитивной силы и работы перемагничивания ферромагнетика по петле гистерезиса.

Приборы и оборудование. Кассета ЛФ-99, звуковой генератор Г3-33, осциллограф С1-117/1, образцы ферромагнетика.

1. Магнитные моменты атомов и молекул

Все вещества являются магнетиками. Магнетики при внесении их во внешнее магнитное поле изменяются так, что сами создают дополнительное магнитное поле. При этом полная индукция В магнитного поля равна сумме индукции внешнего (намагничивающего) В₀ поля и индукции В' магнитного поля, порожденного магнетиком. Изменение состояния магнетика под действием внешнего поля называется намагничиванием магнетика.

Магнитные свойства веществ определяются величиной и ориентацией магнитных моментов атомов и молекул¹. Магнитный момент плоского контура с током i площадью S равен

p_m = iS_n (10.1)

где n — положительная нормаль к контуру. Вектор p_m направлен по нормали к плоскости контура так, что образует с направлением тока правовинтовую систему.

В магнитном поле В на такой контур действует момент сил

М = [р_mВ], (10.2)

который стремится повернуть контур так, чтобы направления векторов р_m и В совпадали. Контур с током создает также собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с вектором р_m. Электрон, движущийся вокруг ядра, подобен круговому току. Сила такого тока

I = , (10.3)

где ν — частота обращения электрона вокруг ядра. А магнитный момент, создаваемый таким круговым током,

p_m=evS = evr², (10.4)

где r — радиус круговой орбиты электрона. Так как 2rv = u— скорость движения электрона, то (10.4) можно записать так:

p_m =eur/2. (10.5)

Движущийся по орбите электрон обладает и моментом импульса (механическим моментом)

L = mur, (10.6)

причем, как видно из рис. 10.1, векторы р_m и L противоположны.

Помимо орбитальных магнитного р_т и механического L моментов электрон обладает собственными механическим моментом L_s (спином) и спиновым магнитным моментом p_ms, которые также антиколлинеарны. Результирующий магнитный момент атома складывается из результирующих орбитального р_т и спинового р_тs моментов всех его электронов. Это сложение осуществляется по правилам, разработанным квантовой механикой, согласно которым магнитный момент атома определяется лишь электронами не полностью заполненных оболочек. При определении магнитного момента молекулы следует учитывать, что образование химической связи между атомами требует определенной перестройки внешних электронных оболочек атомов, при чем такой, что результирующий магнитный момент молекул имеет, как правило, тенденцию принимать нулевое значение, хотя магнитные моменты составляющих молекул атомов и не равны нулю.

2. Диамагнетизм и парамагнетизм

Во внешнем магнитном поле на электрон атома будет действовать в соответствии с (10.2) вращательный моментМ. Но поскольку электрон обладает механическим моментом L, под действием вращательного момента его орбита, подобно механическому волчку, будет совершать прецессию вокруг направления магнитного поля В с угловой скоростью ω' (рис. 10.2). Это дополнительное движение электрона приводит к появлению у него магнитного момента р’_m, называемого индуцированным, при чем направлен этот момент против магнитного поля В. В этом заключается сущность явления диамагнетизма². Диамагнетизм присущ всем веществам, но обнаруживается только у тех из них, атомы и молекулы которых не обладают магнитным моментом (диамагнетики)³.

Если атомы и молекулы вещества обладают постоянным магнитным моментом, то магнитное поле B не только индуцирует в каждом атоме момент р_m, но и оказывает ориентирующее действие на магнитные моменты р_т атомов, стремясь сориентировать их вдоль направления поля B. Поскольку p_m р_m результирующий магнитный момент атома во внешнем поле оказывается направленным вдоль индукции В поля. Такие вещества называются парамагнетиками⁴. Итак, в диамагнетиках внешнее магнитное поле ослабляется, а в парамагнетиках усиливается.