Работа №6. Измерение магнитной проницаемости. Петля гистерезиса ферромагнетика

Цель работы: Изучение свойств ферромагнетиков, освоение методов измерения магнитной проницаемости вещества.

Краткая теория

,

где S – площадь, обтекаемая током, – единичный вектор нормали к этой плоскости. Таким образом, каждый электрон в атоме обладает определенным орбитальным магнитным моментом. Не следует забывать, что векторы и направлены в данном случае в противоположные стороны, т.к. заряд электрона отрицательный. Соответственно вектор механического и магнитного моментов имеют для электрона противоположные направления. При определении суммарного магнитного момента атома необходимо учитывать также сумму собственных магнитных моментов электронов.

Магнитный момент единицы объема вещества принято характеризовать вектором намагничения

где – вектор магнитного момента атома или молекулы, из которых состоит вещество, V – физически малый объем.

Необходимо иметь в виду, что в магнитном поле происходит прецессия электронных орбит, при котором вектор описывает конус вокруг направления с некоторой угловой скоростью. Магнитное поле, создаваемое прецессией, направлено противоположно внешнему магнитному полю. Поэтому, если магнитный момент атома или молекулы равен нулю, то суммарное поле в таком веществе будет меньше внешнего поля. В противном случае магнитный момент атома или молекулы ориентируется по полю, и поле в таком веществе усиливается. Соответственно принято делить подобные вещества на диамагнетики и парамагнетики.

Индукция магнитного поля в веществе складывается из индукции m _о создаваемой внешним полем, и индукции, создаваемой в веществе, которая характеризуется вектором намагничения

где – напряженность поля, m _о= 4 p ^.10^-7 Гн/м – магнитная постоянная.

Для некоторых магнитных кристаллов направления векторов и могут не совпадать друг с другом. Подобные вещества называют анизотропными магнетиками. В таких магнетиках величина намагничения зависит от направления поля относительно осей кристалла. Для большинства веществ направления и всегда совпадают. Намагничение таких веществ не зависит от направления внешнего поля, и поэтому они получили название изотропных магнетиков.

Для изотропных магнетиков

где c – магнитная восприимчивость, зависящая от рода магнетика и его состояния (температура и т.д.).

= m^.m _о ,

где m 1+ c – магнитная проницаемость вещества. Для диамагнетиков m <1, для парамагнетиков m >1 (соответственно c <0 и c >0). По абсолютному значению для этих типов магнетиков m мало отличается от единицы. Например, для воды c -9^.10^-6 (диамагнетик), для алюминия c 21^.10^-6 (парамагнетик).

Особняком стоят вещества, получившие название ферромагнетиков, свойства которых сильно отличаются от других типов магнетиков.

1. Магнитная проницаемость ферромагнетиков во много раз больше, чем у парамагнетиков. Например, для чистого железа максимальное значение магнитной проницаемости достигает 5000.

2. Зависимость между индукцией В и напряженностью Н для ферромагнетиков существенно нелинейная. Соответственно магнитная проницаемость не линейно зависит от Н.

3. Ферромагнетикам свойственно явление гистерезиса (запаздывания). Сущность его заключается в том, что магнитная индукция в ферромагнетике является неоднозначной функцией напряженности, она зависит также и от того, какой была ранее. Рассмотрим график зависимости магнитной индукции в ферромагнетике от напряженности внешнего магнитного поля (Рис. 1).

4. Ферромагнитные свойства исчезают при некоторой температуре (точка Кюри) и ферромагнетик переходит в парамагнетик.

Рассмотрим график зависимости магнитной индукции в ферромагнетике от напряженности внешнего магнитного поля (Рис.1). Положим, что первоначально ненамагниченый ферромагнетик помещен в катушку, создающую магнитное поле. Будем увеличивать напряженность магнитного поля от нуля до некоторого значения Н ₁. Соответственно индукция магнитного поля в ферромагнетике возрастает до значения В ₁ (точка 1).

Рис. 1

Если теперь уменьшать напряженность до нуля, то уменьшение индукции будет происходить по кривой 1В’, т.е. при отсутствии внешнего магнитного поля в ферромагнетике индукция будет равна В’. Чтобы размагнитить его, т.е. свести значение индукции к нулю, нужно внешнее магнитное поле напряженностью Н’, направленное противоположно первоначальному. Циклически изменяя напряженность в пределах (Н’; - Н’) мы получим изменение индукции по замкнутой кривой 1 - 2 - 1, называемой частной петлей гистерезиса.

Увеличивая предел изменения Н до некоторого значения Н _м, можно получить максимальную петлю гистерезиса СН_кВ_оАС. Значение | Н _к|, при котором индукция магнитного поля в ферромагнетике становится равной нулю, называется коэрцитивной силой. Значение В_о называется остаточной индукцией. Кривая 01А называется основной кривой намагничивания (сравните свойства магнетиков со свойствами диэлектриков в работе 2). Вершины всех частных петель гистерезиса лежат на этой кривой. Сказанное выше можно использовать как рецепт для размагничивания намагниченных ферромагнетиков.

В точках А и С значение модуля вектора намагничения достигает максимума, а дальнейший рост индукции происходит по линейному закону (3).

При намагничивании любого магнетика затрачивается определенная энергия, равная для единицы объема

Для магнетика, не обладающего гистерезисом, эта работа изображается заштрихованной площадью на графике зависимости B = f(H) (Рис.2). При размагничивании магнетика эта энергия возвращается в цепь источника питания в виде работы экстратока самоиндукции. У ферромагнетиков энергия намагничивания расходуется на совершение работы против коэрцитивных сил и в конечном счете превращается в тепло. На графике она равна площади петли гистерезиса.

В зависимости от назначения ферромагнетиков к ним предъявляют разные требования. Так, например, для применения в качестве сердечников трансформаторов используются материалы с малой коэрцитивной силой, высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на перемагничивание (магнитомягкие материалы). Для постоянных магнитов главные требования – большая остаточная намагниченность и большая коэрцитивная сила (магнитотвердые материалы). Можно привести несколько примеров (Табл. 1).

Таблица 1

Существенное отличие свойств ферромагнетиков от других типов магнетиков можно объяснить следующим образом. Согласно современным представлениям в ферромагнетике существуют области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, которые называются доменами. В этих областях ферромагнетик намагничен до насыщения, отвечающего данной температуре, без всякого внешнего поля. Намагничивание в доменах обусловлено сильной взаимной ориентировкой собственных магнитных моментов электронов, возникающей в процессе их обменного взаимодействия.

Обычно в ферромагнетике существует большое число доменов, магнитные моменты которых ориентированы хаотически, так что суммарный магнитный момент некоторого объема ферромагнетика равен нулю. При внесении ферромагнетика в магнитное поле происходят следующие процессы:

· изменение границ доменов, при котором возрастает размер доменов, ориентированных преимущественно по полю;

· переориентация доменов по направлению поля;

· в сильном поле магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно полю, наступает насыщение.

При уменьшении напряженности внешнего поля происходят обратные процессы, но с задержкой, что и объясняет явление гистерезиса.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: