Изучение магнитных свойств веществ и явления гистерезиса в ферромагнетиках

Цель работы:

1. Познакомится с физическими величинами, характеризующими магнитное поле. и магнитные свойства материалов.

2. Изучение магнитных свойств материалов..

Задачи работы

1. Исследовать кривую намагничения ферромагнитного материала .

2. Определить важнейшие характеристики ферромагнетика.

Магнитный момент.

Магнитное поле характеризуется двумя векторными величинами. Индукция магнитного поля (магнитная индукция)

,

где N_max – максимальная величина момента сил, действующего на замкнутый проводник площадью S, по которому течет ток I. Направление вектора совпадает с направлением правого буравчика относительно направления тока при свободной ориентации контура в магнитном поле.

Индукция определяется прежде всего токами проводимости, т.е. макроскопическими токами, текущими по проводникам. Кроме того, вклад в индукцию дают микроскопические токи, обусловленные движением электронов по орбитам вокруг ядер, а также и собственные (спиновые) магнитные моменты электронов. Токи и магнитные моменты ориентируются во внешнем магнитном поле. Иначе говоря, индукция магнитного поля в веществе определяется не только внешними макроскопическими токами, но также и намагничиванием вещества.

Напряженность магнитного поля определяется только токами проводимости и токами смещения. Напряженность не зависит от намагничивания вещества. Данные величины связаны между собой соотношением:

(5)

где - относительная магнитная проницаемость вещества (безразмерная величина), - магнитная постоянная, равная 4. Размерность напряженности магнитного поля равна.

В магнетизме фундаментальным понятием является магнитный момент. Магнитный момент – векторная физическая величина, характеризующая магнитные свойства частицы или системы частиц, и определяющая взаимодействие частицы или системы частиц с внешними электромагнитными полями. Роль, аналогичную точечному заряду в электричестве, играет замкнутый проводник с током, магнитный момент которого в вакууме равен

(1)

где - сила тока, - площадь контура. Направление вектора определяется по правилу правого буравчика. В данном случае магнитный момент и магнитное поле создаются макроскопическим током (током проводимости), т.е. в результате упорядоченного движения заряженных частиц – электронов – внутри проводника. Размерность магнитного момента равна .

Магнитный момент может создаваться также и микротоками. Атом или молекула представляет собой положительно заряженное ядро и находящиеся в непрерывном движении электроны. Для объяснения ряда магнитных свойств с достаточным приближением можно считать, что электроны движутся вокруг ядра по определенным круговым орбитам. Следовательно, движение каждого электрона можно рассматривать, как упорядоченное движение носителей заряда, т.е. как замкнутый электрический ток (микроток или молекулярный ток). Сила тока I в этом случае будет равна , гдеdq – заряд, переносимый через сечение, перпендикулярное траектории электрона за время dt, e – модуль заряда; - частота обращения электрона.

Магнитный момент, создаваемый микротоком, равен, гдеS – площадь контура; - единичный вектор нормали к контуру, связанный правилом правого винта с направлением тока (рис.1). Так как заряд электрона отрицательный, направление тока противоположно направлению движения электрона. Магнитный момент, обусловленный движением электрона по орбите, называют орбитальным магнитным моментом электрона. Его модуль равен

, (2)

где S – площадь орбиты; r – ее радиус. В результате движения электрона в атомах и молекулах по замкнутым траекториям вокруг ядра или ядер электрон обладает также и орбитальным моментом импульса

Рис 1.

(3)

Здесь - линейная скорость электрона на орбите; - его угловая скорость. Направление вектора связано правилом правого винта с направлением вращения электрона, т.е. вектораивзаимно противоположны (рис.1). Отношение орбитального магнитного момента частицы к механическому называется гиромагнитным отношением. Разделив выражения (2) и (3) друг на друга, получим:

(4)

Электроны, как и многие другие микрочастицы, обладают ещё и собственными (спиновыми) моментами импульса и собственными (спиновыми) магнитными моментами . Сами микрочастицы представляют собой как бы микроскопические магнитики. Для спиновых моментов гиромагнитное отношение в два раза больше.

Магнитные моменты ядер много меньше и их вклад в намагничивание вещества не учитывается.

Магнитный момент атома (молекулы) представляет собой векторную сумму орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов, входящих в его состав. У различных веществ этот момент может быть или равным нулю, или быть отличным от нуля. Механический моментатома (молекулы) равен векторной сумме орбитальных механических и спиновых моментов входящих в его состав электронов.