Снятие петли Гистерезиса и кривой намагничивания с помощью осциллографа

Цель: 1. Освоение метода наблюдения петли магнитного гистерезиса с помощью электронного осциллографа. 2. Снятие кривой намагничивания ферромагнетика. 3. Определение остаточной индукции и коэрцитивной силы ферромагнетика. 4. Определение магнитной проницаемости ферромагнитного образца. Приборы и принадлежности: 1. Установка для изучения характеристик ферромагнетика. 2. Набор ферромагнитных образцов. 3. Электронный осциллограф.

Теоретическое введение

Магнитное состояние вещества объясняется его внутренним строением: типом атомов и молекул и их взаимодействием друг с другом. Магнитный момент атома суммируется из магнитных моментов электронов и магнитного момента ядра ; причем . Магнитный момент электрона определяется характером его движения вокруг ядра, т. е. орбитальным магнитным моментом и спиновым магнитным моментом . Поэтому

, (1)

где — число электронов в атоме.

Главной характеристикой магнитного состояния веществ является вектор намагничивания:

. (2)

Вектор намагничивания — геометрическая сумма магнитных моментов атомов или молекул единицы объема вещества.

Единицей измерения вектора намагничивания является 1 А/м. Вектор намагничивания зависит от рода вещества и вектора напряженности внешнего магнитного поля Н:

, (3)

где — магнитная восприимчивость вещества. Магнитное состояние вещества характеризуется также вектором индукции В:

, (4)

где - магнитная постоянная, определяющая абсолютную магнитную проницаемость вакуума и равная Гн/м;

- относительная магнитная проницаемость вещества, связанная с магнитной восприимчивостью соотношением

В зависимости от знака магнитной восприимчивости вещества различают диамагнитные, у которых , и парамагнитные, у которых . Магнитная восприимчивость вакуума равна 0, и магнитная проницаемость равна 1. В зависимости от величин магнитных проницаемости - или восприимчивости . вещества делят на три группы:

1. диамагнетики, имеющие ;

2. парамагнетики, имеющие ;

3. ферромагнетики, имеющие .

Первые две группы образуют класс слабомагнитных веществ, третья группа представляет собою класс сильномагнитных веществ.

Ферромагнетики — в широком смысле есть класс парамагнетиков, намагничивающихся во внешнем магнитном поле по направлению этого поля, в узком смысле — класс веществ, обладающих рядом отличительных особенностей. К этим особенностям относятся:

• кристаллическое состояние вещества;

• аномально большое значение магнитной проницаемости (порядка );

• нелинейный характер зависимости вектора намагничивания от напряженности внешнего магнитного поля;

• гистерезис магнитных свойств, существование остаточного намагничивания и коэрцитивной силы ;

• зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля, — кривая Столетова;

• зависимость магнитной проницаемости от температуры , существование точки Кюри .

Яркими представителями ферромагнитных веществ являются Fe-26, Co-27, Ni-28. К сильномагнитным веществам относятся также ферриты, антиферромагнетики и антиферримагнетики.

Квантовая природа ферромагнетизма по s-d-обменной модели обусловлена параллельной ориентацией спинов электронов на внутренних незаполненных слоях атомов кристалла. Параллельная ориентация спинов электронов приводит к состоянию сильного намагничивания вещества. Однако при отсутствии внешнего магнитного поля кристаллу в целом быть однородно намагниченным энергетически невыгодно. Поэтому кристалл разбивается на домены. Домены—области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания. Поведение векторов намагничивания в доменах и границ между доменами определяют процессы перемагничивания ферромагнетиков во внешнем переменном магнитном поле.

Процесс перемагничивания удобно проследить по кривой зависимости вектора магнитной индукции В вещества от напряженности внешнего магнитного поля. Эту кривую называют петлей гистерезиса. Ее вид изображен на рис. 1. Когда напряженность

Рис. 1

внешнего поля равна нулю, намагничивание не исчезает и характеризуется величиной , которая называется остаточной индукцией. Намагничивание обращается в нуль лишь под действием поля , имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Напряженность называется коэрцитивной силой. При действии на ферромагнетик переменного магнитного поля индукция изменяется в соответствии с кривой 1—2—3— 4—5—1.

Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура , при которой области спонтанного намагничивания распадаются и вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри. При температуре выше точки Кюри ферромагнетик становится обычным парамагнетиком и петля гистерезиса исчезает.