ФИЗИКА 1 семестр / Методички 2 семестр / Гистерезис ферромагнетиков

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Нижегородский Государственный Технический Университет

Выксунский филиал

Кафедра общеобразовательных и общепрофессиональных дисциплин

Лабораторная работа № 2-18.

Гистерезис Ферромагнитных

материалов

г. Выкса 2007

Составили: В.П.Маслов, И.И.Рожков, А. М. Кривенко, Р.В.Щербаков.

Свойства электростатического поля: Лаб. Работа № 2-20 по общей физике для студентов всех специальностей / НГТУ;

Приведены основные сведения по теории электростатического поля. Дана методика исследования электростатического поля методом электролитической ванны. При составлении пособия использованы описания лабораторных работ НГТУ, МАИ, МИФИ, СФТИ и др. вузов.

Научный редактор: Радионов А.А

Цель работы: Определение кривой намагничивания, коэрцитивной силы, остаточной намагниченности, работы перемагничивания ферромагнетика за один цикл по петле гистерезиса при различных напряжениях питания.

Приборы и оборудование: лабораторный стенд ЛКЭ-6М, звуковой генератор, электронный осциллограф.

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 магнитного 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 магнит­ ных моментов атомов и молекул. Магнитный момент плоского контура с током i площадью S равен ,

где п - положительная нормаль к контуру. Вектор рп направлен по нормали к плоскости контура так, что образует с направлением тока правовинтовую систему.

В магнитном поле а на такой контур действует момент сил

(2)

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

• (3)

где v - частота обращения электрона вокруг ядра. А магнитный момент, создаваемый таким круговым током

(4)

где г - радиус круговой орбиты электрона. Так как -скорость движения электрона, то (4) можно записать так:

(5)

Движущийся по орбите электрон обладает и моментом импульса (механическим моментом), модуль которого

(6)

причем, как видно из рис.1, векторы и проти­воположны.

Помимо орбитальных магнитного и меха­нического L моментов электрон обладает собст­венным механическим моментом . (спином) и спиновым магнитным моментом которые так­же антиколлинеарны. Результирующий магнитный момент атома складывается из результирующих ор­битального и спинового моментов всех его электронов. Это сложение осуществляется по правилам, разработанным квантовой механикой, согласно которым магнитный момент атома определяется лишь электронами не полностью заполненных оболочек.

Диамагнетизм и парамагнетизм

Во внешнем магнитном поле на электрон атома бу­дет действовать в соответствии с (2) вращательный мо­мент. Но поскольку электрон обладает механическим моментом , под действием' вращательного момента его орбита, подобно механическому волчку, будет совершать прецессию вокруг направления магнитного поля с уг­ловой скоростью (рис.2).

Это дополнительное движе­ние электрона приводит к появлению у него магнитного момента называемого индуцированным, причем на­правлен этот момент против магнитного поля. В этом за­ключается сущность явления диамагнетизма. Диамагне­тизм присущ всем веществам, но обнаруживается только у тех из них, атомы и молекулы которых не обладают магнитным моментом (диамагнетики).

Если атомы и молекулы вещества обладают посто­янным магнитным моментом, то магнитное поле не только индуцирует в каждом атоме момент но и ока­зывает ориентирующее действие на магнитные моменты атомов , стремясь сориентировать их вдоль направления магнитного поля.Это явление называют парамагнетизмом Поскольку ,результирующий магнитный момент атома во внешнем поле оказывается направленным вдоль индукции поля. Такие вещества называются парамагнетиками.

Итак, в Диамагнетиках внешнее магнитное поле ослабляется, а в парамагнети­ках усиливается.

Намагничение магнетиков

Результирующая индукция магнитного поля в магнетиках складывается из ин­дукции внешнего (намагничивающего) поля и индукции поля, (создаваемого его атомами и молекулами):

Намагничение магнетика количественно характеризуется вектором - намагниченностью. Эта величина определяется как суммарный магнитный момент единицы объема вещества:

(7)

„. Для описания магнитного поля кроме намагниченности и индукции используют вектор напряженности магнитного поля , такой, что:

(8)

Согласно (8), результирующая индукция магнитного поля в магнетиках складывается из индукции внешнего (намагничивающего) магнитного поля и индукции поля, создаваемого его атомами и молекулами.

Единицы измерения: и - , . Выражение (8) часто записывают в виде:

(9)

Где Гн/м – магнитная постоянная, - магнитная проницаемость.

Для диа- и парамагнетиков значения соответственно меньше и больше единицы.

Магнитная проницаемость диамагнетиков и парамагнетиков мало отличается от магнитной проницаемости вакуума( для вакуума ) и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Например, диамагнетик висмут имеет , у парамагнетика платины . В этом смысле диамагнетики и парамагнетики являются слабомагнитными веществами. Однако существует особый класс магнетиков, для которых существенно превышает единицу ( ). Эти вещества называются ферромагнетиками.

Ферромагнетики

К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, некоторые сплавы (пермаллой, ). Кроме большой величины, отличие ферромагнетиков заключается в том, что даже в отсутствие внешнего магнитного поля они могут обладать ненулевой намагниченностью, создавая вокруг себя магнитное поле. Примером могут служить постоянные магниты. Другие характерные свойства ферромагнетиков состоят в следующем. Зависимость от (и от ) не является линейной (см. ветвь 1 кривой на рис. 3). Следовательно, магнитная проницаемость оказывается зависящей от напряженности поля. Если напряженность поля менять циклически, например, по синусоидальному закону, то зависимость от изображается кривой, называемой петлей гистерезиса (рис. 3). При первоначальном включении индукция поля растет в соответствии с ветвью 1 кривой. Уменьшение происходит по ветви 2. При обращении в нуль вещество сохраняет значение намагниченности, называемое остаточной намагниченностью. Как видно из (8), при выполнено равенство, т. е. значение определяется отношением где - значение индукции в точке пересечения ветви 2 и оси В. Только под действием противоположно направленного поля напряженности индукция оказывается равной нулю. Это значение напряженности называется коэрцитивной силой. При дальнейшем изменении получается ветвь 3 и т. д. Смысл слова «гистерезис» (в переводе - запаздывание) состоит в том, что в точке напряженность уже нулевая, снижение до нуля происходит с запаздыванием, когда уже достигло величины обратного знака. Если максимальное значение напряженности таково, что намагниченность достигает насыщения, то получается петля, называемая предельной (максимальной) петлей гистерезиса. Состояние насыщения проявляется в том, что при Н_т > продолжения кривых 2 и 3 переходят в одну прямую линию. Петля гистерезиса обладает центральной симметрией относительно начала координат. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, которую потребляет ферромагнетик при каждом полном цикле перемагничивания. Плотность энергии определяется формулой:

(10)

С молекулярной точки зрения причина особых свойств ферромагнетиков объясняется следующим образом. В ферромагнетиках ответственными за их магнитные свойства являются собственные (спиновые) магнитные моменты электронов. Атомы ферромагнетика объединяются в группы размером около 1 мкм, называемые доменами. В пределах домена магнитные моменты атомов параллельны друг другу, а намагниченности разных доменов отличаются по направлению. Схематически группа доменов показана на рис.4:

Стрелками обозначены направления их магнитных моментов. Так как в смежных доменах эти направления различны, то в целом намагниченность образца магнетика нулевая. Образование доменов обусловлено тем, что в таком состоянии суммарная энергия атомов образца минимальна, и это состояние, следовательно, является наиболее энергетически выгодным. Под влиянием внешнего поля происходит смещение доменных стенок, растут те домены, намагниченность которых направлена вдоль Н . Происходит также поворот направления намагниченности доменов в сторону внешнего поля. При уменьшении поля имеет место обратный процесс. Гистерезис (запаздывание) происходит потому, что перестройка структуры доменов сопровождается потерей энергии, и требуется обратная сила Н_с, чтобы вернуть домены в исходное состояние.

Для каждого ферромагнетика характерна определенная температура (точка Кюри), при которой домены распадаются вследствие тепловых колебаний, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Для железа эта температура равна 768°С. При охлаждении вещества до температур ниже точки Кюри в нем вновь возникают домены.

Ферромагнетики широко применяют в электротехнике (трансформаторы, генераторы, электродвигатели, дроссели), радиотехнике, автоматике и других областях.

Отметим, что явление ферромагнетизма, также как и диамагнетизма и парамагнетизма, имеет квантовую природу.