Исследование свойств ферромагнетика

Лабораторная работа 70 «А»

Исследование свойств ферромагнетика

Цель работы:

1.  Получить зависимость магнитной индукции  в ферромагнитном материале от напряженности магнитного поля.

2.  Построить зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от  величины напряженности внешнего магнитного поля.

3.  определить остаточную индукцию и коэрцитивную силу ферромагнитного образца.

Приборы: миллиамперметр, вольтметр, осциллограф, торроид с ферромагнитным сердечником.

ВВЕДЕНИЕ

       Вещества являются магнетиками, т.е. способны под действием внешнего магнитного поля намагничиваться. Это объясняется тем, что движущиеся заряженные частицы в атомах (электроны, ядро) создают магнитный момент атома _m . Он складывается из орбитальных магнитных моментов электронов, движущихся вокруг ядра и собственных магнитных моментов электронов и ядра, обусловленных их механическим моментом. Действительно, электрон, движущийся со скоростью  на орбите радиуса r имеет механический момент :

   направлен по оси вращения по правилу правого винта, рис.1. Но так как движение электрона на орбите создает круговой ток, магнитный момент которого  можно получить:

,

Где I - величина кругового тока                                                

       S – площадь, охватываемая током

       e – заряд электрона

       T,ν – период и частота обращения электрона на орбите

                                                                                                                      Рис.1

т.к.                                         ,

получаем:                                                                                      (2)

Орбитальный магнитный момент электрона перпендикулярен плоскости орбиты электрона и направлен противоположно механическому моменту , сравнивая (1) и (2) получаем гиромагнитное отношение:

                                                                                                                   (3)

т.к. кроме орбитального механического момента электрон обладает по гипотезе Уленбека собственным механическим моментом количества движения (спином), то он должен иметь и связанный с ним собственный магнитный момент      

(спиновой магнитный момент), который равен:

                                                                                                                     (4),

где  приведенная постоянная Планка,

       S- спиновое квантовое число, S=±1/2.

 Векторная сумма магнитных орбитальных и спиновых моментов частиц атомов единицы объема называется намагниченностью I:

                                                                                                                        (5)

Во внешнем магнитном поле  индукция внутри вещества будет складываться:                                                                  

                                                                                              (6)

Где  - это индукция магнитного поля : , а  - индукция поля, созданного атомами самого вещества. Пологая что намагниченность пропорциональна величине внешнего поля х ₀       получаем :

                                                                                                 (7)

Где - магнитная проницаемость вакуума,

x – магнитная восприимчивость вещества

μ = 1 + х – магнитная проницаемость вещества.

По величине суммарного магнитного момента атома   все магнетики можно разделить на диа- и пара- магнетики. У диамагнитных веществ суммарный магнитный момент атома равен 0, т.е. имеющиеся в атоме орбитальные, спиновые и ядерные моменты взаимно компенсируются. Большинство веществ относится к диамагнетикам. Ими являются фосфор, сфера, углерод, многие металлы, висмут, ртуть. Во внешнем магнитном поле действие вращательного момента

на орбитальный магнитный момент электрона приводит к прецессии (вращению)  вокруг направления  с угловой скоростью  частота ларморовой прецессии (рис. 2.) Эта прецессия создаёт индуцированный магнитный момент , который направлен противоположно  т.е. у диамагнетиков поле  направлено противоположно , т.е. для них      х < 0, μ < 1

                     Рис. 2

    У парамагнетиков магнитный момент атома отличён от нуля, но в отсутствие магнитного поля магнитные моменты ориентированны хаотично по всем направлениям и поэтому , т.е. намагниченность отсутствует. К парамагнитным относятся некоторые газы: кислород, азот металлы: алюминий, вольфрам, платина, щелочные и щелочноземельные металлы. Во внешнем магнитном магнитные моменты атомов ориентируются по полю, т.е. создаётся намагниченность вдоль , которая значительно больше чем индуцированная намагниченность, возникающая также в следствии прецессии орбиты электронов вокруг поля. Потому у парамагнитных веществ восприимчивость больше 0(х > 0), т.е.  , а μ >1. Полной ориентации магнитных моментов  вдоль поля препятствует тепловое движение атомов, и в отличие от диамагнетиков, у парамагнитных веществ μ зависит от температуры. У диа- и пара- магнетиков магнитная проницаемость мало отличается от 1 (т.е.  очень мало) в отличие от ферромагнетиков (никель, кобальт, железа, гадолиний, их сплавы) у которых μ >> 1, т.е. собственное магнитное поле ферромагнетика может быть много больше внешнего поля. Это объясняется тем, что отличные от нуля магнитные моменты атомов ферромагнетика в пределах некоторых областей (доменов) ориентированы одинаково. В отсутствие магнитного поля намагниченность ферромагнетика в целом равна нулю, т.е. ориентации доменов разные. Во внешнем магнитном поле происходит  рост доменов, намагниченность которых близка к направлению внешнего поля, а также поворот магнитных моментов атомов к направлению внешнего поля. При повышении температуры при некоторой Т_с взаимная ориентация магнитных моментов нарушается и ферромагнетик превращается в парамагнетик.

Эта температура называется температурой Кюри (для  770⁰С, N₁-360⁰С).

                               а)                                 Рис.3                              б)

В отличие от диа- и парамагнетиков магнитная проницаемость ферромагнетиков зависит от поля (рис. 3а)

Зависимость магнитной индукции  в образе от величины внешнего поля описывается кривой намагничивания ОС. (рис. 3б). При некотором поле Н_max индукция в образе достигает максимального значения В_max = B_нас. Кривая ОС – основная кривая намагничивания. При уменьшении поля от значения Н_max до нуля ход зависимости не повторяется. Явление отставания изменения магнитной индукции от изменения напряженности внешнего поля называется магнитным гистерезисом, а замкнутая кривая на рис. 3б называется петлёй гистерезиса. Зависимость была исследована Столетовым А.Г. в 1872 г. Площадь, ограничения петлей гистерезиса характеризует работу, затрачиваемую внешним полем на однократное перемагничивание образца. Эта работа выделяется в виде теплоты, что необходимо учитывать при использовании ферромагнетиков в качестве сердечников трансформаторов и электромагнитов. Значение индукции при Н₀=0 на максимальной петле гистерезиса называется остаточной индукцией В_ост, величина напряженности поля, при которой на петле гистерезиса В=0 называется коэрцитивной.

Силой – Н_с. В_ост и Н_с являются основными характеристиками основными ферромагнетика. Если   Н_с велика, то ферромагнетик называется «жестким». Для него характерна широкая петля  гистерезиса, что необходимо при изготовлении постоянных магнитов. Ферромагнетики с малой коэрцитивной силой  (с узкой петлей гистерезиса) называются « магнитомягкими» - они используются для изготовления сердечников трансформаторов. В зависимости от назначения изготавливаются ферромагнетики с необходимым сочетанием В_ост и Н_с. Сравнительные характеристики некоторых диа-, пара- и  ферромагнетиков, направление их   атомов в отсутствие Н_о и при  Н_о   0  приведены в табл. 1.