Лабораторная работа № 10 изучение физических свойств ферромагнетиков

Цель работы: ознакомление с одним из распространенных методов получения петель гистерезиса - индукционным; определение характеристик ферромагнетика: магнитной индукции насыщения B_s, остаточной магнитной индукции B_r, коэрцитивной силы H_c и потерь энергии на перемагничивание образца W.

Оборудование: трансформатор с сердечником из ферромагнетика, осциллограф, конденсатор, два резистора, потенциометр, амперметр, ключ.

Краткие теоретические сведения

При внесении любого тела в магнитное поле оно намагничивается. Это состояние образца количественно характеризуется вектором намагниченности J, который по определению равен

где V  объем образца, содержащего N элементарных магнитных моментов;  элементарный магнитный момент атомов или молекул.

Как видно из определения, вектор намагниченности равен магнитному моменту единицы объема вещества. Если всюду в теле = const, то оно намагничено однородно. Если результирующий момент имеет наибольшее значение для всего тела (или его части), то тело (или его часть) намагничено до насыщения. Это состояние описывается вектором намагниченности насыщения .

К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, гадолиний, диспрозий и большое число сплавов на их основе. Отличительной особенностью ферромагнетиков является то, что в отсутствие внешнего поля Н при нормальных условиях они состоят из отдельных областей, в каждой из которых намагниченность однородна и равна насыщению. Эти области самопроизвольной намагниченности получили название домéны.

Вектор намагниченности образца, состоящий из суммы векторов намагничивания всех доменов, может быть равным нулю (размагниченное состояние) или отличным от нуля (остаточная намагниченность). Самопроизвольная намагниченность доменов до насыщения объясняется в квантовой механике тем, что в атомах часть собственных магнитных моментов электронов устанавливается параллельно друг другу, образуя не скомпенсированный магнитный момент домена, при этом энергия атомов минимальна.

На рис. 10.1 показан примерный вид доменов в ферромагнитной пластинке с результирующим магнитным моментом, равным нулю.

Рис. 10.1.

Стрелками указаны направления намагниченности насыщения в каждом домене. Между собой домены разделяются границами.

При нагревании, из-за усиления хаотического движения атомов и ослабления диполь-дипольного взаимодействия вследствие теплового расширения, параллельная ориентация собственных магнитных моментов электронов нарушается. При некоторой температуре, называемой температурой Кюри, результирующий магнитный момент домена обращается в нуль и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Для железа, например, температура Кюри равна 763 С, для никеля 360 С. Вместе с исчезновением самопроизвольной намагниченности в ферромагнетике исчезают домены.

Процесс намагничивания для случая простейшей доменной структуры показан на рис.10.2.

при отсутствии поля (H = 0) намагниченность тела равна нулю, так как ширина доменов с противоположной намагниченностью одинакова и одинаковы их объемы (рис. 10.2,а). При увеличении внешнего поля растет объем доменов, намагниченность которых составляет с полем меньший угол, за счет тех доменов, у которых этот угол больше. На рис. 10.2,б увеличиваются домены 1,3,5 за счет доменов 2,4,6. В результате образец получает некоторую результирующую намагниченность. Изменение объема доменов происходит путем смещения доменных границ.

J = 0 J = J₁ J = J_s J = J_s

a б в г

Рис. 10.2.

В некотором поле (рис.10.2,в) процесс смещения границ заканчивается, так как тело превращается в один макроскопический домен. Чтобы увеличивать дальше намагниченность вдоль внешнего поля, нужно вектор намагниченности J_s повернуть в направлении поля (рис.10.2,г). Эта стадия намагничивания носит названиепроцесса вращения вектора намагниченности.

Таким образом, процесс намагничивания ферромагнетика осуществляется смещением границ между доменами и вращением вектора намагниченности J_s. Такой процесс получил название технического намагничивания.

График зависимости намагниченности J тела от внешнего поля называют кривой намагничивания. В технике кривую намагничивания обычно строят в координатах B и H, где B  индукция образца, связанная с вектором намагниченности J соотношением

,

где ₀  магнитная постоянная.

Типичная кривая намагничивания 0-1 показана на рис. 10.3. В поле H_s индукция достигает значения B_s . В этом состоянии намагниченность близка к насыщению.

Рис. 10.3.

При уменьшении поля от H_s образец размагничивается и индукция уменьшается, однако ее падание идет не по первоначальной кривой 0 -1, а по некоторой 1-2, так что в своем изменении индукция B отстает от поля H. Явление отставания индукции от внешнего поля, характерное для ферромагнетиков, получило название магнитного гистерезиса.

Основная причина гистерезиса в том, что любой реальный ферромагнетик имеет дефекты, структурные неоднородности и т. д., которые задерживают смещение доменных границ в процессе размагничивания. Чтобы это смещение происходило, границам нужно сообщить добавочную энергию, которая берется за счет энергии магнитного поля. В бездефектных материалах явление гистерезиса проявляется значительно слабее.

Явление отставания приводит к тому, что при полном снятии поля (H=0) в образце существует остаточная индукция B_r. Чтобы осуществить дальнейшее размагничивание, необходимо изменить направление поля на противоположное и постепенно его увеличивать (отрезок 2-3).

Поле H_c, при котором ферромагнетик размагничивается (B = 0 ), называется коэрцитивной силой. При H > H_c происходит намагничивание образца в обратном направлении по кривой 3-4. Аналогично, уменьшая поле от H_s (состояние 4) до нуля и затем (после 5) увеличивая его в противоположном направлении, снова получим исходное состояние намагниченности насыщения (точка 1). Совершится замкнутый цикл перемагничивания, а кривая 1-2-3-4-5-6-1, по которой он происходит, носит название петли гистерезиса.

Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затрачиваемой на перемагничивание единицы объема ферромагнетика. На перемагничивание за один период в расчете на одну клетку координатной сетки осциллографа расходуется энергия, равная

где В_о  магнитная индукция (в Тл ) на одно деление координатной сетки осциллографа, Н_о  напряженность магнитного поля (в А/м ) на одно деление координатной сетки осциллографа. В процессе перемагничивания эта энергия полностью переходит в тепло. Потери энергии на перемагничивание образца за один период находят по формуле

, (10.1)

где S_n  площадь петли гистерезиса в делениях координатной сетки, V  объем образца.

Площади петель гистерезиса одинаковых по размерам образцов из ферромагнитных материалов пропорциональны потерям энергии на перемагничивание. Поэтому, наряду с H_c , B_r и B_s площадь петли гистерезиса является важнейшей характеристикой материала.