ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ. Вещество состоит из атомов

Вещество состоит из атомов. Движение электрона в атоме можно представить в виде замкнутого электрического тока. Этот ток создает свое магнитное поле и обладает некоторым магнитным моментом. Определим магнитный момент атома, основываясь на теории Бора. Пусть электрон движется по круговой орбите радиуса r со скоростью V. Магнитный момент орбитального движения электрона равен произведению силы тока (равной отношению заряда электрона к периоду обращения) на площадь орбиты , где период равен . Радиус орбиты и скорость неизвестны. Их можно исключить, так как они входят в выражение момента импульса, который, согласно постулату Бора, равен , г де h – постоянная Планка, n = 1, 2, … – квантовое число. Тогда магнитный момент электрона будет равен , где = 9,02∙10 ^–23 Дж с /кг – магнетон Бора.

Кроме орбитального магнитного момента электрон обладает еще спиновым магнитным моментом. Результирующий магнитный момент атома равен векторной сумме орбитальных и спиновых магнитных моментов. В парамагнетиках и ферромагнетиках магнитный момент атома обычно равен нескольким магнетонам Бора. Только в диамагнетиках магнитные моменты электронов скомпенсированы.

Намагничивание веществ обусловлено действием магнитного поля на магнитные моменты атомов. В магнитном поле на магнитные моменты атомов действует момент силы М = р_m В sin a, который стремится установить векторы магнитных моментов атомов в направлении вектора индукции В магнитного поля. Этот процесс называется намагничиванием. Характеристикой является намагниченность, равная векторной сумме магнитных моментов атомов в единице объема: . Атомы создают внутреннее магнитное поле μ ₀ J, которое складывается с внешним μ ₀ Н полем: . В однородном веществе индукция магнитного поля связана с напряженностью соотношением

В = m m ₀ Н. (1)

Здесь m ₀ = 4p∙10 ^–7 Гн/м – магнитная постоянная, m – относительная магнитная проницаемость. Она характеризует способность веществ намагничиваться и равна отношению индукции поля в веществе к индукции μ ₀ H внешнего поля . В парамагнетиках магнитная проницаемость чуть больше единицы, а в диамагнетиках чуть меньше единицы.

Ферромагнетики – это вещества, способные очень сильно намагничиваться. Магнитная проницаемость достигает сотен тысяч единиц. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, их сплавы. Для атомов ферромагнетиков характерно то, что внешняя электронная оболочка заполнена, а внутренняя 3d – недостроена. Поэтому из-за более сильного так называемого обменного взаимодействия между атомами энергетически выгоднее параллельная ориентация магнитных моментов атомов даже в отсутствие внешнего магнитного поля.

Но если во всем объеме ферромагнетика магнитные моменты атомов самопроизвольно установятся параллельно, то он будет сильнейшим постоянным магнитом. Этого не наблюдается, за исключением мелких крупинок. Объясняется это тем, что объем ферромагнетика разделяется на небольшие области самопроизвольного намагничивания так, что их магнитные поля замыкаются. Энергия магнитного поля становится минимальной. Эти области самопроизвольного намагничивания называются домены. Размеры доменов 0,1–1мкм.

Так как домены уже намагничены до насыщения, то внешнему магнитному полю нет необходимости, как в парамагнетиках, преодолевать тепловое движение. Доста-точно даже слабого магнитного поля, чтобы граница между доменами начала смещаться, увеличивая объем тех доменов, намагниченность которых близка к направлению поля, которые находятся в энергетически выгодном состоянии. Поэтому намагниченность и магнитная проницаемость быстро возрастают (рис. 1). В средних и сильных полях начинается процесс вращения магнитных моментов атомов по направлению к магнитному полю. После этого намагниченность ферромагнетиков достигает насыщения.

Температурная зависимость намагниченности обусловлена влиянием теплового движения атомов на их обменное взаимодействие. При температуре абсолютного нуля магнитные моменты атомов внутри домена параллельны, и намагниченность максимальна. С ростом температуры упорядоченная ориентация магнитных моментов атомов нарушается. При некоторой температуре, называемой температурой Кюри, когда энергия теплового движения атомов становится сравнимой с энергией обменного взаимодействия, упорядоченность исчезает. Ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. У железа температура Кюри 770 °С, у никеля 358 °С, у ферритов 100–200 ^оС.

Исследование температурной зависимости магнитной проницаемости ферромагнетика выполняется на установке (рис.2). Исследуемое ферритовое кольцо находится внутри электронагревателя. На кольце имеются две катушки. По первичной катушке протекает переменный ток силой I, который создаёт магнитное поле с напряженностью

. (2)

Здесь l – длина средней линии сердечника, N ₁ – число витков первичной катушки, w – циклическая частота переменного тока. Переменное магнитное поле создает во вторичной катушке ЭДС электромагнитной индукции. По закону Фарадея ЭДС равна скорости изменения магнитного потока через все витки:

. (3)

Здесь N ₂ – число витков вторичной катушки, S –- площадь поперечного сечения сердечника. Среднее значение магнитной проницаемости может быть рассчитано по формуле . Подставив сюда значение амплитуд индукции из (3) и напряженности из (2), получим

где – отношение эффективных значений ЭДС и силы тока, измеряемых приборами, С – параметр установки.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Убедиться, что тумблер нагревателя в положении «выкл.» Включить трансформатор в сеть 220 В. Установить некоторую силу тока в намагничивающей катушке. Записать в таблицу силу тока, ЭДС и комнатную температуру.

2. Включить нагреватель. По мере повышения температуры, через каждые 20°С измерять ЭДС. Результаты записать в таблицу. Измерения проводить до тех пор, пока ЭДС не уменьшится до нуля.

Выключить установку.

3. Произвести расчеты. Определить магнитную проницаемость по формуле (4).

4. Построить график зависимости магнитной проницаемости от температуры. Размер графика не менее половины страницы. На осях координат нанести равномерный масштаб. Около точек провести плавную кривую линию до пересечения с осью температур.

5. Определить среднее значение < t> температуры Кюри как точку пересечения экспериментальной линии с осью температур.

6. Оценить случайную погрешность измерения температуры Кюри как среднее отклонение точек от экспериментальной кривой на её крайнем участке.

7. Записать результат t=< t> ± d t. Сделать вывод.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение намагниченности. Какая связь между индукцией, напряжённостью магнитного поля и намагниченностью?

2. Назовите основные свойства ферромагнетиков.

3. Объясните причину самопроизвольного намагничивания и образования доменной структуры ферромагнетиков.

4. Объясните процессы смещения доменных границ и процессы вращения магнитных моментов атомов при намагничивании.

5. Дайте определение температуры Кюри. Как влияет нагрев на магнитную структуру ферромагнетиков?

6. Выведите формулу для магнитной проницаемости исследуемого ферромагнетика.

Работа 43

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: