Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Физика. Электромагнетизм

.pdf
Скачиваний:
134
Добавлен:
17.02.2016
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

Число экспериментальных точек должно быть не менее десяти. Рассчитай-

те среднее значение ЭДС Холла

ϕx .

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1

 

 

 

 

 

 

 

IК, мА

ϕx1 ,

 

ϕx 2 ,

ϕ ,

В, мТл

 

мВ

 

мВ

мВ

 

 

20

 

 

 

 

 

 

40

 

 

 

 

 

 

….

 

 

 

 

 

 

200

 

 

 

 

 

 

7.Рассчитайте магнитную индукцию в зазоре сердечника, на который намотана катушка, по формуле (11). Результаты расчётов зане- сите в таблицу.

8.Постройте график зависимости э.д.с. Холла от магнитной индукции: ϕх = f (B); убедитесь, что экспериментальные точки распо-

ложены (с допустимым отклонением) вдоль прямой линии.

9.

Определите угловой коэффициент этой прямой: K =

ϕx

.

 

 

 

B

10. Определите постоянную Холла и концентрацию носителей заряда в полупроводнике по формулам:

Rх

=

Kd

;

nn

1

,

 

 

 

 

Iд

 

eRх

где e = 1,6 x10-19 Кл – величина элементарного заряда. Результаты расче- та занесите в отчёт.

Контрольные вопросы

1.Какая сила действует на заряженную частицу в магнитном по- ле? От чего зависит ее величина и направление?

2.Укажите физический смысл понятий:

§дрейфовой скорости;

§силы тока;

§плотности тока;

§концентрации носителей тока.

3.В чём состоит эффект Холла? Дайте объяснение этого явления.

4.Получите формулу для ЭДС Холла.

5.Какие типы электропроводности существуют в полупровод-

никах?

31

6.От каких характеристик материала зависит постоянная Холла?

7.Можно ли с помощью эффекта Холла определить концентра- цию носителей заряда? Как это сделать?

8.Как можно измерить индукцию магнитного поля соленоида датчиком Холла?

9.Какими свойствами должен обладать датчик Холла для полу- чения максимальной чувствительности?

10.Почему для исследования был взят полупроводниковый, а не металлический образец?

11.Укажите возможные области применения датчиков Холла.

32

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ № 4 И № 5

СНЯТИЕ ОСНОВНОЙ КРИВОЙ НАМАГНИЧИВАНИЯ ФЕРРОМАГНЕТИКА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОЙ

ПРОНИЦАЕМОСТИ

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КЮРИ

И НАМАГНИЧЕННОСТИ НАСЫЩЕНИЯ

Теоретическое введение

Магнитное поле в веществе Магнитные свойства ферромагнетиков

Наличие среды вокруг проводника с током изменяет его магнитное поле. Это явление объясняется тем, что все вещества способны под дейст- вием магнитного поля создавать собственное магнитное поле, которое на- кладывается на внешнее магнитное поле. Обозначим индукцию внешнего

магнитного поля B0 (это поле называется намагничивающим), индукцию

собственного поля вещества B′ . Тогда, применяя принцип суперпозиции полей, суммарное поле можно характеризовать величиной

′

(1)

B = B0 + B .

Вещества, способные под действием

внешнего магнитного поля

создавать собственное магнитное поле B′(то есть намагничиваться), называются магнетиками.

Для объяснения явления намагничивания Ампером была предложена гипотеза, физическое содержание которой можно сформулировать сле- дующим образом.

В атомах и молекулах движущиеся заряженные частицы (электроны) создают круговые электрические токи (микротоки). Каждый такой микро-

скопический ток обладает магнитным моментом и создает вокруг себя

магнитное поле. Результирующее собственное поле вещества B′ склады- вается из суммы векторов магнитной индукции полей микротоков. В от-

сутствие внешнего поля микроскопические токи и их магнитные моменты ориентированы хаотически, вследствие чего обусловленное им результи- рующее поле равно нулю.

Магнитным моментом контура с током называется векторная величина, равная

33

r

(2)

Pm = i S n,

где i − сила тока в контуре, S− площадь контура,

n − единичный вектор

положительной нормали к плоскости контура (рис. 1).

Рис. 1

Направление вектора нормали связано с направлением тока в контуре правилом правого винта.

Индукция магнитного поля любого тока пропорциональна его маг- нитному моменту. Например, индукция магнитного поля на оси кругового

тока при большом удалении от него определяется по формуле

r = μ0 2 Pm

B 4π r3 ,

где r − расстояние от плоскости контура до точки наблюдения.

При помещении вещества в магнитное поле магнитные моменты Pm

микротоков ориентируются по направлению поля, в результате в магнети-

ке создается результирующий магнитный момент и магнитная индукция

B′, т. е. вещество намагничивается.

Степень намагничивания вещества характеризуют магнитным мо- ментом единицы объёма магнетика. Эту величину называют вектором на-

магничивания или намагниченностью и обозначают символом J . В случае

неоднородного намагничивания среды вектор намагничивания в данной точке определяется следующим выражением:

r

 

åPm

,

(3)

J

=

V

DV

 

 

 

 

где V − физически бесконечно малый объём среды,

содержащий рас-

сматриваемую точку, Pm − магнитный момент отдельного атома или мо-

лекулы. Суммирование производится по всем магнитным моментам мик- ротоков, заключенных в объёме V .

Размерность намагниченности – [J ]=

[P ]

=

А× м2

=

А

[V ]

м3

м .

 

m

 

 

 

 

 

34

Основное уравнение магнитостатики, выражающее закон полного тока для магнитного поля в веществе, может быть записано следующим образом:

ò Hdl = åIмакро .

(4)

L

 

В этом выражении вектор H называется напряжённостью магнитного поля, а I макро − результирующий макроскопический ток, охватываемый

контуром интегрирования (L) .

Циркуляция вектора напряжённости магнитного поля вдоль произвольного замкнутого контура определяется алгебраической суммой макроскопических токов, охватываемых этим контуром.

Напряжённость магнитного поля связана с намагниченностью выра-

жением

r

B

r

 

H =

− J .

(5)

μ0

 

 

 

В вакууме J = 0 , поэтому H 0 . Таким образом, вне намагничен-

r = B

μ0

ного вещества вектор напряжённости H параллелен вектору индукции на- магничивающего поля B0 .

Опыт показывает, что намагниченность является функцией внешнего магнитного поля. Принято намагниченность связывать не с индукцией, а с напряжённостью магнитного поля. Для однородных и изотропных магне- тиков в определенном интервале полей и температур эта зависимость но- сит простой линейный характер:

J = χH ,

(6)

где χ − величина, называемая магнитной восприимчивостью, характери- зующая способность вещества к намагничиванию. Согласно определению напряжённости, размерность H совпадает с размерностью J . Следова- тельно, χ − безразмерная величина.

Физический смысл магнитной восприимчивости: магнитная восприимчивость определяет быстроту изменения величины намагниченности вещества при изменении намагничивающего поля.

Подставив в формулу (5) выражение (6), получим

r

 

B

r

H

=

− χH ,

μ0

откуда

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

B

H =

 

.

μ0 (1+ χ )

35

Обозначим 1 + χ = μ . Безразмерная величина μ , показывающая,

во сколько раз внешнее магнитное поле усиливается за счет магнитного поля микротоков среды, называется магнитной проницаемостью. Магнит-

ная проницаемость характеризует свойство магнетика изменять внешнее магнитное поле B0 и определяется следующим образом:

B = μ B0 .

В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости χ различают три типа магнетиков (рис. 2):

1.Диамагнетики: χ < 0 , χ ~ 10−6 . Типичными представителями

диамагнетиков являются инертные газы, многие органические соединения и ряд металлов. Намагниченность J диамагнетиков прямо пропорцио- нальна величине напряженности магнитного поля H , но противоположно

ей направлена.

2. Парамагнетики: χ > 0 , χ ~ 10−3 − 10−6 . Типичными парамаг- нетиками являются газы – молекулярный кислород O2, окись азота NO,

щелочные металлы, соли редкоземельных элементов. Намагниченность J парамагнетиков прямо пропорциональна напряженности магнитного по-

ля H .

3.Ферромагнетики: χ > 0 , χ ~ 103 − 105 . Типичными ферромаг-

нетиками являются: железо, никель, кобальт, редкоземельные металлы, а также сплавы хрома и марганца.

Рис . 2

Особое место среди магнетиков занимают ферромагнетики. Они от- личаются следующими свойствами:

1)аномально высоким значением магнитной восприимчивости;

2)нелинейной зависимостью J (H ) (см. рис. 2);

36

B(H )

3)наличием температуры Кюри – температуры, при которой ферро- магнетик превращается в парамагнетик;

4)существованием остаточной намагниченности и магнитного гис- терезиса.

Нелинейность зависимости J (H ), а значит и B(H ), обусловлена тем, что в ферромагнетике магнитная восприимчивость χ и проницаемость μ зависят от внешнего поля – χ = χ(H ), μ = μ( H ) .

Зависимости индукции магнитного поля B и магнитной проницае- мости μ от напряженности внешнего магнитного поля представлены на рис. 3.

Рис. 3

Из рисунка видно, что при некотором значении напряжённости поля H магнитная проницаемость достигает максимального значения. При этом же значении H кривая имеет наибольшую крутизну, т. е. производ- ная dBdH максимальна. Так как намагничивание ферромагнетиков имеет нелинейный характер, то принято использовать понятия дифференциаль- ной восприимчивости и дифференциальной проницаемости, которые опре- деляются следующим образом:

χ =

dJ

,

μ =

1

 

dB

.

(7)

dH

μ0

 

 

 

 

 

dH

 

Как показывает опыт, ферромагнитными свойствами обладают лишь вещества, имеющие кристаллическую структуру. Атомы таких веществ обладают магнитными моментами, обусловленными спиновыми магнит- ными моментами электронов. В отсутствие внешнего магнитного поля так называемое обменное взаимодействие электронов, имеющее квантовую природу, приводит к упорядоченному (параллельному) расположению магнитных моментов атомов.

При повышении температуры энергия тепловых колебаний атомов решетки увеличивается, и расстояние между атомами также увеличивает- ся. В результате этого обменное взаимодействие электронов, приводящее к

37

спонтанному (самопроизвольному) намагничиванию отдельных участков ферромагнетика, ослабевает. При некоторой температуре, называемой температурой (или точкой) Кюри, спонтанное намагничивание исчезает и ферромагнетик превращается в парамагнетик.

Итак, у ферромагнетиков (в отличие от диа- и парамагнетиков) при температурах ниже точки Кюри магнитные моменты электронов вследст-

вие обменного взаимодействия выстраиваются параллельно друг другу в микроскопических участках кристалла, называемых доменами.

В размагниченном состоянии кристаллы содержат области (домены), намагниченные до насыщения в одном направлении (в соответствии с рас- положением атомов в кристаллической решетке). В другом месте кристал- ла могут содержаться области, намагниченные в противоположном на- правлении или под каким-либо углом. При этом результирующая намагни- ченность образца равна нулю.

Размеры доменов зависят от размеров образца или кристаллита, его внутренней структуры (деформированный или отожённый и т. д.) и со- ставляют для железа 10-2–10-3 см. Между соседними доменами имеются границы, ширина которых исчисляется долями микрона. Вектор намагни- ченности в граничном слое постепенно поворачивается от направления, совпадающего с направлением намагниченности в одном домене, к на- правлению намагниченности в другом домене.

Экспериментально существование доменов доказано с помощью ферромагнитного порошка, оседающего на хорошо отполированной по- верхности кристалла в местах расположения границ доменов. Под микро- скопом в этом случае хорошо просматривается доменная структура . Су- ществуют также методы, позволяющие в поляризованном свете видеть по- верхностную доменную структуру хорошо отполированных ферромагне-

тиков и сквозную доменную структуру в полупрозрачных магнитных плёнках.

При помещении ферромагнетика во внешнее поле происходит пере- стройка векторов намагниченности отдельных доменов в направлении поля. Рассмотрим процесс намагничивания простейших по своей структуре фер- ромагнетиков (например, кобальта). В размагниченном состоянии домены расположены вдоль одной из кристаллографических осей (рис. 4, под а).

Стрелками указано направление намагниченности каждого домена.

При наложении внешнего магнитного поля H намагничивание будет осу-

ществляться за счёт последовательного вращения магнитных моментов в самой границе, приводящего к её движению. Домены, благоприятно ори- ентированные по отношению к полю (магнитные моменты которых обра- зуют с направлением внешнего поля острый угол (α<90°), расширяются за

счёт доменов, в которых магнитные моменты образуют с направлением H

Этот метод исследования называется методом порошковых фигур.

38

тупой угол (α>90°). Такой процесс называется процессом смещения (рис. 4, под б). При некотором значении напряженности поля H домены, небла- гоприятно ориентированные по отношению к внешнему полю H , полно- стью поглощаются доменами, благоприятно ориентированными, и весь об- разец намагничивается до насыщения в направлении кристаллографиче- ской оси (рис. 4, под в).

H=0

H1>0

H3> H2

a)

б)

в)

г)

Рис. 4

При дальнейшем увеличении поля происходит одновременный по- ворот векторов магнитных моментов доменов (вектора спонтанной намаг- ниченности) тем больше, чем больше поле. Это явление называется процессом вращения. При некоторой напряжённости поля все магнитные мо-

менты практически выстраиваются вдоль вектора H (рис. 4, под г). Имеет место так называемое техническое насыщение.

Высокая магнитная проницаемость μ ферромагнетиков объясняется, во-первых, существованием в отсутствие поля намагниченных до насыще- ния доменов, во-вторых, лёгкостью, с которой междоменные границы пе-

ремещаются под действием поля и приводят к быстрому намагничиванию ферромагнетика.

Если убрать внешнее поле H , то доменные границы уже не вернутся к исходному состоянию (рис. 5). Это означает, что образец останется на- магниченным в направлении поля (ширина доменов разная). Говорят, что в этом случае ферромагнетик обладает остаточной намагниченностью Jr ,

или остаточной магнитной индукцией Br .

Таким образом, процесс намагничивания оказывается необратимым.

Причиной этого является существование в реальных кристаллах дефектов типа дислокаций, инородных включений, примесей и т. д., которые задер- живают движение междоменной границы.

39

Рис. 5

Рассмотрим процесс намагничивания ферромагнетика в координатах

(B, H ) (рис. 6).

При увеличении поля H от 0 до H S индукция B растет по кривой 0-

1, достигая насыщения в точке 1. При уменьшении внешнего поля кривая намагничивания не совпадает с кривой 0-1, а вследствие необратимого движения границ пойдет по кривой 1-2. При H = 0 ферромагнетик будет

обладать остаточной индукцией Вr , которая является одной из важных

характеристик ферромагнетика. Таким образом, изменение индукции В отстает от изменения H .

Рис. 6

Магнитным гистерезисом ферромагнетиков называется отстава-

ние изменения намагниченности J и магнитной индукции B от изменения напряжённости внешнего намагничивающего поля, обусловленное зависи-

мостью J и B от их предыдущих значений.

Для того чтобы свести к нулю остаточную индукцию, необходимо приложить поле обратного направления. Величина напряжённости обрат-

40