Fizika_Laboratornye_raboty / 34

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

________________________________________________________________

КАЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра физики

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ

для студентов специальностей 2903, 2906, 2907, 2908, 2910

Раздел 2. Электричество и магнетизм

Лабораторная работа № 34 МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Казань 2000

3

УДК 539.384

Составитель: Н. А. Жихарева Под редакцией Л. И. Маклакова, В. В. Алексеева

Методические указания к лабораторным работам по физике для студентов специальностей 2903, 2906, 2907, 2908, 2910.

Лабораторная работа № 34. ²Магнитные свойства вещества"/ Казанская госу- дарственная архитектурно-строительная академия. Составитель Н. А. Жихарева (под редакцией Л. И. Маклакова, В.В. Алексеева). Казань, 2000 г.

В работе рассмотрены вопросы, связанные с магнитными свойствами вещества. Да- на краткая теория. Приведена установка, на которой проводятся измерения.

Стр. 9, рис. 4

Рецензент: доцент кафедры молекулярной физики Казанского госуниверситета Г. Г. Пименов

Ó Казанская государственная архи- тектурно-строительная академия,

2000 г.

4

том pS. Полный магнитный момент атома или молекулы равен векторной сумме ор- битальных и спиновых моментов всех электронов. По характеру намагничивания все вещества можно разделить на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов и мо- лекул которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. При внесении диамагнетика во внешнее магнитное поле его атомы и молекулы приобретают маг- нитный момент, направленный противоположно внешнему полю, что приводит к ослаблению магнитного поля в веществе. Такой индукционный эффект появления

магнитного момента под действием внешнего магнитного поля называется диамагнетизмом. Это универсальный эффект, присущий всем телам без исключения. От- метим, что в неоднородном магнитном поле диамагнетик выталкивается в область более слабого поля. Диамагнетиками являются инертные газы, большинство орга- нических соединений, многие металлы (золото, медь, серебро), вода, стекло, мра- мор.

Парамагнетиками называются вещества, у которых атомы и молекулы в отсутствие внешнего поля имеют некоторый магнитный момент. Однако вслед-

ствие теплового движения магнитные моменты отдельных молекул ориентированы хаотически и тело в целом не намагничено. При внесении парамагнетика во внеш-

нее магнитное поле происходит частичная ориентация магнитных моментов вдоль внешнего поля, что приводит к усилению магнитного поля в веществе. В сильных магнитных полях магнитные моменты атомов и молекул почти полностью устанав- ливаются по направлению внешнего поля, т.е. имеет место магнитное насыщение. Насыщение парамагнетиков легче достигается при низких температурах, когда дез- ориентирующее действие теплового движения весьма слабое. Эффект ориентацион- ного намагничивания называется парамагнетизмом. По величине этот эффект тоже слаб, хотя перекрывает диамагнитный эффект. В неоднородном магнитном поле па- рамагнетики втягиваются в область сильного магнитного поля. К парамагнетикам относятся кислород, алюминий, платина, щелочные металлы и т.д.

Диамагнетики и парамагнетики относятся к группе слабомагнитных материа- лов. Существует и группа веществ, обладающих сильными магнитными свойствами, называемых ферромагнетиками. В ферромагнетиках имеются области размером до 0.1мм, называемые доменами, в которых спиновые магнитные моменты электронов выстроены параллельно друг другу в одном направлении, т.е. эти области намагни- чены. Однако в отсутствие внешнего магнитного поля весь ферромагнетик не обна- руживает намагниченности, так как магнитные моменты отдельных доменов распо- ложены хаотически. При внесении ферромагнетика в магнитное поле начинают ориентироваться по направлению поля магнитные моменты не отдельных атомов, как в парамагнетике, а целых областей — доменов. Этот процесс приводит к усиле- нию магнитного поля в ферромагнетике, причём собственное магнитное поле внут- ри вещества значительно превосходит поле внешнее.

Ферромагнитные свойства зависят от температуры. Для ферромагнетика су- ществует такая температура Т = ТК, при которой его ферромагнитные свойства про- падают. При этой температуре энергия теплового движения атомов становится дос- таточной для разрушения областей самопроизвольного намагничивания. Эта темпе- ратура называется точкой Кюри. При Т > ТК ферромагнетик ведёт себя как пара- магнитное вещество. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, ряд сплавов, причём ферромагнетизм обнаружен только в кристаллическом состоянии

6

перечисленных веществ. Точка Кюри для железа ~750 oC, для никеля ~ 350 oC, для кобальта ~ 1150 oC.

ГИСТЕРЕЗИС

Характерной особенностью ферромагнетиков является магнитный гистерезис. Это явление заключается в том, что индукция магнитного поля в веществе зависит не только от индукции В0 внешнего магнитного поля (индукции магнитного поля в вакууме), но и от предварительного намагничивания, которому подвергался ферро- магнетик.

Если ферромагнетик, ранее не подвергавшийся намагничиванию, поместить в магнитное поле, то с ростом индукции В0 этого внешнего поля в ферромагнетике будет появляться намагниченность (участок 0 – 1 рис.2). Это объясняется ориента- цией магнитных моментов доменов вдоль направления В0. В точке 1 практически

при изготовлении из них постоянных маг- нитов. Для этих целей применяют ферромагнетики с большой остаточной индукцией.

Для полного размагничивания ферромагнетика необходимо приложить магнитное поле обратного направления. Величина индукции поля Вk (участок 0 – 3), при которой намаг- ниченность ферромагнетика исчезает полностью, называется коэрцитивной силой.

Остаточная намагниченность и коэрцитивная сила являются характеристиками ферро- магнетика. Дальнейшее увеличение индукции обратного поля увеличивает индукцию В (участок 3 – 4), т.е. приводит к ориентации магнитных моментов доменов вдоль нового направления поля В0. Проходя полный цикл изменения индукции от +В до –В и обрат- но, т.е. перемагничивая образец, мы получим замкнутую кривую (1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 1), которая называется петлёй гистерезиса.

Такое перемагничивание связано с переориентацией магнитных моментов доменов и приводит к усилению теплового движения. Это значит, что часть работы, затрачивае- мой на переориентацию доменов, превращается в теплоту, вследствие чего при пере- магничивании наблюдается нагревание вещества. Эта работа совершается силами маг-

7

нитного поля за счёт его энергии. Опыт показывает, что количество тепла, выделяюще- гося при перемагничивании за полный цикл, измеряется площадью петли гистерезиса.

Различные ферромагнитные вещества дают различные кривые гистерезиса. Для технических применений требуется различный тип гистерезиса. Принято разли- чать «мягкие» магнитные материалы, характеризуемые малой коэрцитивной силой (узкая петля гистерезиса) и «жесткие», характеризуемые большой коэрцитивной си- лой (широкая петля гистерезиса). К числу первых принадлежит чистое железо, кремниевая сталь, сплавы железа с никелем (особенно сплав «пермаллой», содер- жащий 78% Ni). Такого рода материалы употребляются, например, для изготовле- ния сердечников трансформаторов. К числу «жестких» магнитных материалов отно- сятся углеродистые и специальные стали (например, сплав «магнико»). «Жесткие» материалы употребляются для изготовления постоянных магнитов.

Усиление или ослабление магнитного поля в веществе характеризуют физиче- ской величиной, называемой магнитной проницаемостью, которая показывает, во

сколько раз модуль индукции магнитного поля в веществе отличается от модуля индукции того же поля в вакууме, т.е. μ = B/B0, где μ — магнитная проницаемость вещества.

Для диамагнетиков μ < 1, для парамагнетиков μ > 1, при этом они близки к единице. Для ферромагнетиков её порядок 105 — 106 и зависит от индукции маг- нитного поля.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСА.

Петлю гистерезиса нетрудно получить на экране осциллографа. Если ферро- магнетик поместить в магнитное поле, создаваемое переменным током. Исследуе- мым ферромагнетиком является сердечник тороида Т. Первичная обмотка тороида питается переменным током от лабораторного автотрансформатора (ЛАТРА) А (рис. 3).

Напряжение Ux, подаваемое на горизонтально отклоняющие пластины осцил- лографа, пропорционально индукции магнитного поля B0, а на вертикально откло- няющие пластины подается напряжение Uy , пропорциональное индукции поля в сердечнике тороида В.

Опуская математические расчёты, запишем:

8

где m0 — магнитная постоянная, n1 — число витков тороида, приходящих на едини- цу длины тороида, N2 — число витков вторичной обмотки, S — площадь одного витка.

На экране осциллографа получается петля гистерезиса. За один период сину- соидального изменения тока луч на экране опишет полную петлю гистерезиса, а за каждый последующий период в точности её повторит. Поэтому на экране будет видна неподвижная петля гистерезиса. Увеличивая напряжение Ux с помощью авто- трансформатора, мы будет увеличивать амплитуду колебаний B0 и получать на эк- ране последовательно ряд различных по своей площади петель гистерезиса. Верхняя точка петли находится на кривой намагничивания.

ЗАДАНИЕ.

1.Вычислить величину коэрцитивной силы материала сердечника.

2.Вычислить максимальную магнитную индукцию Вm.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1.Включить в сеть осциллограф и стенд.

2.Подключить гнезда «ОСЦ Х» и «ОСЦ У» стенда к соответствующим входам осциллографа (находятся на правой и левой стенке осциллографа со- ответственно).

3.Наблюдать на экране петлю гистерезиса, размер петли можно регу- лировать с помощью ручки «V/ДЕЛ». Вращая ручку ЛАТРА, создать в веще-

произведению k2/2 на цену деле-

ния по оси Х (0,45 V/ДЕЛ);

в) используя формулу (1), рассчитать величину Bk при R1 = 15 Ом; n1 = 1000 м-1; m0 =1,25×10-6 Гн/м.

9

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1.Что такое магнитный момент атомов и индукция магнитного поля?

2.Дайте характеристику диа-, пара- и ферромагнетиков.

3.Что называется точкой Кюри?

4.Отличие ферромагнетиков от диа- и парамагнетиков.

5.Что такое гистерезис? Коэрцитивная сила? Остаточная намагниченность?

6.Что характеризует собой площадь петли гистерезиса?

7.Что такое магнитная проницаемость вещества?

10