Лабораторная работа № 17 изучение магнитного гистерезиса с помощью осциллографа

Цель работы: изучить свойства ферромагнетиков; экспериментально исследовать явление магнитного гистерезиса.

1. Теоретическое введение

Магнитные свойства всех веществ (магнетиков) определяются природой микрочастиц (электронов, протонов, нейтронов), обусловливающих структуру вещества, и их взаимодействием. Эти частицы обладают собственным (спиновым) и орбитальным магнитными моментами. Последний обусловлен движением электронов в оболочках атомов (молекул) и внутриядерным движением протонов и нейтронов. Во многих случаях магнитными моментами ядер можно пренебречь и считать, что магнетизм атомов (молекул) определяется спиновыми и орбитальными магнитными моментами электронов.

Основной величиной, характеризующей магнитное состояние вещества, является намагниченность (вектор намагничения) , которая равна векторной сумме магнитных моментов молекул, находящихся в единице объема, то есть

, (116)

где n – число частиц в физически малом объеме ∆V магнетика; – магнитный момент i -й молекулы.

Для магнетиков, находящихся в не слишком сильных магнитных полях, намагниченность

. (117)

Безразмерная величина χ называется магнитной восприимчивостью, она зависит от природы вещества и его состояния; – напряженность внешнего магнитного поля. Вещества, магнитная восприимчивость которых отрицательна (χ < 0) и очень мала (порядка 10^-6), относятся к диамагнетикам. У парамагнетиков χ > 0, ее значения при комнатной температуре лежат в пределах от 10⁻³до 10⁻⁵.

Вектор магнитной индукции результирующего магнитного поля в магнетике

, (118)

где – магнитная индукция внешнего намагничивающего поля,– магнитная индукция внутреннего поля. При однородном намагничивании вещества

, (119)

где µ₀= 4π⋅10⁷Гн/м – магнитная постоянная; µ = 1 + χ – магнитная проницаемость среды. Она показывает, во сколько раз магнитная индукция поля в образце отличается от магнитной индукции поля в вакууме при одной и той же напряженности Н. Для диамагнетиков µ < 1, а для парамагнетиков µ > 1. В обоих случаях магнитная проницаемость не зависит от величины напряженности поля и мало отличается oт единицы.

На рис. 31 приведена зависимость намагниченности J от напряженности Н внешнего поля (кривая намагничивания) для предварительно полностью размагниченного образца.

Всравнительно слабых полях (область I) намагничивание происходит за счет обратимого смещения границ доменов. При возрастании Н происходит увеличение объемов тех доменов, магнитные моменты которых составляют меньший угол с вектором, за счет доменов, у которых этот угол больше. Дальнейшее увеличение поля приводит к необратимому смещению этих границ (область II). При некотором значении Н «неблагоприятно» ориентированные домены исчезают вовсе. Если поле еще больше увеличивается (область III), то намагничивание происходит за счет поворота магнитных моментов доменов в направлении. И наконец, в сильном поле (Н > Н_нас) магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно полю. В этом состоянии образец имеет наибольший возможный при данной температуре магнитный момент, то есть намагничен до насыщения (J = J_нас). Внутреннее поле ферромагнетика, соответствующее состоянию насыщения, может в сотни и даже тысячи раз превышать вызывающее его внешнее поле, поэтому магнитная проницаемость µ для ферромагнетиков достигает больших значений (10³–10⁶).