4 Контрольные вопросы
4.1 Какова природа магнетизма?
4.2 Какие элементарные частицы обладают магнитным моментом?
4.3 Чему равен орбитальный и спиновый магнитный моменты электрона, атома?
4.4 Какие вещества называются ферромагнетиками? Что такое домены?
4.5 Что называется кривой намагничивания, частной и предельной петлей гистерезиса?
4.6 Объясните, как по частным петлям гистерезиса построить кривую намагничивания?
Лабораторная работа №6
Исследование кривой намагничивания
и петли гистерезиса ферромагнетиков
осциллографическим методом
Цель и задачи работы: Изучение кривой намагничивания и петли гистерезиса ферромагнетиков.
1 Общие сведения
Существует ряд веществ, которые легко намагничиваются до насыщения в сравнительно слабых полях (H = 102 ÷ 104 А/м), т.е. в полях, намного меньших, чем поля насыщения парамагнетиков, такие вещества называются ферромагнетиками. В отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнетик состоит из большого множества областей, называемых доменами, внутри которых магнитные моменты атомов расположены строго параллельно (т.е. домены в отсутствие внешнего поля намагничены до насыщения). Разбиение ферромагнетика на домены происходит так, что суммарный магнитный момент всех доменов тела равен нулю (рисунок 1). Размеры доменов зависят от чистоты материала, размеров исследуемого образца и достигают порядка 10-7 – 10-4 м.
Рисунок 1 Расположение магнитных доменов ферромагнетика в отсутствие внешнего магнитного поля
В общем случае критерий ферромагнетизма сводится к следующим двум условиям: 1) у атома должна существовать незаполненная внутренняя электронная подоболочка; 2) радиусы этих подоболочек должны быть малы по сравнению с расстоянием между ядрами соседних атомов или ионов.
При выполнении этих условий между ближайшими атомами возникает положительное обменное взаимодействие, которое и приводит к параллельной ориентации магнитных моментов соседних атомов. Обменное взаимодействие имеет электростатическую природу. Оно характеризует частоту перемены мест (обмена) двух электронов соседних атомов, находящихся в незаполненной внутренней подоболочке. Величина обменного взаимодействия существенно зависит от расстояния между атомами, резко (экспоненциально) уменьшаясь при удалении атомов друг от друга на расстояния, превосходящие размер атома.
Вышеперечисленным двум условиям удовлетворяют такие переходные элементы (т.е. элементы с незаполненными внутренними подоболочками) как Fe, Co, Ni, Gd (железо, кобальт, никель, гадолиний) и многочисленные сплавы и соединения на основе этих металлов.
Рассмотрим свойства ферромагнитного тела в присутствии внешнего магнитного поля. Зависимость намагниченности тела от напряженности магнитного поля называется кривой намагничивания. На рисунке 2 приведена типичная кривая намагничивания для ферромагнетиков (петля гистерезиса). С увеличением поля намагниченность сначала растет медленно, а потом начинается резкий рост: при незначительном увеличении магнитного поля намагниченность возрастает в десятки раз. Затем рост намагниченности снова замедляется и наступает так называемое насыщение намагниченности, т.е. при дальнейшем увеличении напряженности поля намагниченность практически не меняется.
Рисунок 2 Петля гистерезиса для ферромагнетика
Главную часть кривой намагничивания можно разделить на ряд участков. На участке OA изменение намагниченности обусловлено обратимым смещением доменных границ: домены, магнитные моменты которых образуют меньшие углы с направлением поля, возрастают по объему за счет тех доменов, магнитные моменты которых совпадают с направлением поля.
Если снова уменьшить магнитное поле до нуля, то в образце возникает первоначальное распределение доменов. Поэтому участок кривой намагничивания ОА называется областью обратимых смещений доменных границ. На участке АВ кривая намагничивания имеет максимальную крутизну. Этот участок характеризуется интенсивным протеканием процесса необратимого смещения доменных границ.
На участке ВС смещения доменных границ в основном закончены, и намагничивание осуществляется путем вращения магнитных моментов отдельных доменов к направлению внешнего магнитного поля. На участке СД изменение намагниченности уже практически не происходит, так как магнитные моменты атомов всего тела направлены вдоль поля. Эта область называется областью насыщения намагниченности, а соответствующее значение намагниченности называется намагниченностью насыщения (оно определяется линейным экстраполированием участка СД кривой намагничивания к нулевому полю).
Если магнитное поле уменьшить от значений соответствующих магнитному насыщению образца, намагниченность будет уменьшаться не по кривой СВАО (рисунок 2), а вдоль СЕ так, что при Н = 0 намагниченность не равна нулю. Отставание намагниченности от внешнего поля называется магнитным гистерезисом.