Лабораторная работа № 1 (с)

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ

МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ФЕРРОМАГНЕТИКА

ОТ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

ЦЕЛЬ: Построить основную кривую намагничивания ферромагнетика В(Н), и исследовать зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля _r(Н).

ОБОРУДОВАНИЕ: Лабораторный комплекс «Электричество и магнетизм»: миниблоки «Ферромагнетик», «Сопротивление», генератор сигналов специальной формы, мультиметры.

основы Теории

1. Магнитное поле в веществе

Магнитное поле создается проводниками с током, движущимися зарядами, намагниченными телами, а также переменным электрическим полем (токами смещения). Если в магнитное поле, образованное, например, током в проводнике, внести то или иное вещество, то поле изменится. Это связано с тем, что различные вещества в магнитном поле намагничиваются, т.е. сами становятся источниками магнитного поля. Согласно принципу суперпозиции результирующее магнитное поле в среде является векторной суммой полей, создаваемых проводником с током (внешнее поле с индукцией ) и намагниченной средой (), и поэтому поле в среде не равно полю в вакууме.

. (1)

Вещества, способные намагничиваться называются магнетиками. По магнитным свойствам магнетики разделяют на слабомагнитные и сильномагнитные. К слабомагнитным веществам относятся парамагнетики и диамагнетики, к сильномагнитным – ферромагнетики.

Количественной характеристикой намагниченного состояния вещества служит векторная величина – намагниченность , которая определяется отношением магнитного момента макроскопически малого объема вещества к этому объему:

, (2)

где ΔV – элементарный объем; – магнитный моментi-го атома (молекулы) из общего числа атомов (молекул) содержащихся в объеме ΔV.

Так как магнитный момент атома складывается из магнитных моментов входящих в его состав электронов, которые в магнитном поле приобретают индуцированные магнитные моменты, то при помещении магнетика во внешнее магнитное поле происходит его намагничивание, т.е. в веществе возникает собственное магнитное поле :

. (3)

Если учесть, что основные характеристики магнитного поля магнитная индукция и напряженность магнитного поля в вакууме связаны соотношением =m₀, то выражение (1) можно переписать в виде:

. (4)

Как показывает эксперимент, в слабых полях вектор намагниченности пропорционален напряженности магнитного поля, вызывающего намагничивание

т.е:

, (5)

где χ – магнитная восприимчивость магнетика.

Тогда для напряженности магнитного поля можно записать следующее выражение:

или .(6)

Безразмерная величина μ=1+χ – называется магнитной проницаемостью вещества и показывает, во сколько раз индукция магнитного поля изменится (по сравнению с вакуумом) при внесении в него магнетика. Для диамагнетиков магнитная восприимчивость имеет отрицательное значение χ≈−(10^-4÷10^-6), а следовательно μ<1. Магнитная восприимчивость парамагнетиков имеет положительные значения χ≈(10^-4÷10^-6), а магнитная проницаемость μ немногим более единицы.

Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярные водород и азот, висмут, цинк, медь, золото, серебро, кремний, германий, вода (жидкая), ацетон, глицерин, нафталин и многие другие органические и неорганические соединения.

К парамагнетикам относятся многие металлы (щелочные и щелочноземельные), а также кислород О₂, окись азота NО, оксид марганца МnО, хлорное железо FeCl₂ и др.

Ферромагнетиками (от лат. ferrum – «железо») называют твердые (как правило, кристаллические) вещества, которые обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, сильно изменяющейся под влиянием внешних воздействий − магнитного поля, деформации, изменения температуры. Ферромагнетики, в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков, являются сильномагнитными средами, в которых собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превосходить вызвавшее его внешнее магнитное поле. Типичными представителями ферромагнетиков являются переходные металлы: железо, кобальт, никель, и многие их сплавы. Также ферромагнетизмом обладают некоторые элементы группы редкоземельных металлов при низких температурах (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий).