Изучение явления магнитного гистерезиса (Лабораторная работа № 7)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА

Цель работы: изучить явление магнитного гистерезиса.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Свойства ферромагнетиков

Ферромагнетики – это класс магнетиков для которых характерны необычные свойства, проявляющиеся только в определенной интервале температур: магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля, и при некоторых значениях напряженности относительная магнитная проницаемость принимает очень большие значения (). Характерными примерами ферромагнетиков является такие металлы, как железо, кобальт, никель, а также их сплавы. Ферромагнетики представляют собой разновидность магнетиков, которые обладают самопроизвольной намагниченностью даже в отсутствие магнитного поля. В обычных магнетиках магнитные моменты различных атомов, в отсутствие внешнего магнитного поля, ориентированы хаотически из–за теплового движения молекул. Поэтому суммарный магнитный момент молекул в любом физически бесконечно малом объеме равен нулю. В ферромагнетиках имеет место сильное взаимодействие между собственными магнитными моментами электронов, характерная энергия которого превышает энергию хаотического теплового движения молекул. Вследствие этого взаимодействия магнитные моменты близких молекул ориентируется в одном направлениями, то есть происходит самопроизвольное намагничивание образца в отсутствие внешнего магнитного поля. Область ферромагнетика, в пределах которой все магнитные моменты ориентированы в одном направлении, называется ферромагнитным доменом. Сильная спонтанная намагниченность такого домена приводит к возникновению в окружающем пространстве магнитного поля. Минимизация энергии внешнего магнитного поля достигается благодаря намагничиванию доменов в различных направлениях. В этом случае суммарный магнитный момент всего ферромагнетика и напряженность магнитного поля в окружающем пространстве близки к нулю. Принимая во внимание доменную структуру ферромагнетиков, можно качественно объяснить их магнитные свойства.

При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле возникает взаимодействие доменов с этим полем. Поскольку потенциальная энергия магнитного момента  в магнитном поле с напряженностью  имеет минимум при параллельной ориентации векторов  и  то по мере возрастания напряженности поля будет происходить постепенное перемагничивание доменов в направлении внешнего магнитного поля. Приблизительный график зависимости намагниченности образца от напряженности магнитного поля показан на рис.7.1.

Рисунок 7.1

Кривая имеет горизонтальный участок, соответствующий состоянию насыщения намагниченности. В этом состоянии весь объем ферромагнетика намагничен в направлении внешнего магнитного поля, и при возрастании напряженности не может происходить дальнейшее увеличение намагниченности. Что касается магнитной индукции

          (7.1)

 то состоянию насыщения намагниченности (M=const) соответствует линейная зависимость между величинами B и H. Значение M_нас можно определить путем экстраполяции линейного участка кривой B(m₀H), образующего с осью абсцисс угол p/4, до пересечения с осью ординат (рис.7.2.).

Рисунок 7.2

Поскольку в общем случае имеет место нелинейная зависимость магнитной индукции В от напряженности поля H то относительная магнитная проницаемость m_r, является функцией H . Из рисунка (7.1.) следует зависимость:

             (7.2)

график которой представлен на рис.7.3. В соответствии с рис.7.1. при малых значениях H намагниченность быстро растет и относительная магнитная проницаемость увеличивается при больших напряженностях рост н амагниченности замедляется, и m_r достигнув максимального значения, начинает монотонно убывать. После перехода ферромагнетика в состояние насыщения намагниченности относительная магнитная проницаемость стремиться к единице по гиперболическому закону m_r=(1+const)/H. Таким образом, эффективное усиление магнитных полей возможно только при определенных напряженностях магнитного поля, когда ферромагнетик еще не находится в состоянии насыщения намагниченности. Напряженность H_кр, при которой относительная магнитная проницаемость m_r имеет максимальное значение .можно определить из условия . Используя выражения (7.1), (7.2).получаем соотношения:

        ,

означающие, что в точке, соответствующей критическому значение напряженности магнитного поля, касательные к кривым B(m₀H) и M(m₀H)проходят через начало координат.

При уменьшении напряженности значения магнитной индукции намагниченного ферромагнетика изменяются медленнее, чем это происходит при первоначальной намагниченности образца рис. (7.4) участок АВ.

Рисунок 7.4

Это связано, со свойством, доменов частично сохранять прежнее направление поляризации. Отрезок ОС, характеризует остаточную намагниченность ферромагнетика при полном выключении магнитного поля. Для того, чтобы ликвидировать остаточную намагниченность образца, необходимо приложить магнитное поле в противоположном направлении. Длина отрезка ОС пропорциональна напряженности поля, необходимого для полного размагничивания образца. При дальнейшем увеличении H происходит намагничивание образца в противоположном направлении, и в случае гармонического изменения напряженности поля зависимость B(H) имеет вид замкнутой кривой, изображенной на рис.7.4. Эта кривая называется петлей гистерезиса. Как следует из рис.7.4., зависимость индукции и относительной магнитной проницаемости от напряженности поля является неоднозначной, и на состояние ферромагнетика при некоторой значении напряженности влияют также предшествуйте значении H.

Тангенс угла наклона секущей, проведенной через начало координат и точку на кривой, равен относительной магнитной проницаемости при данном состоянии ферромагнетика (рие.7.4.).

Рассмотренные свойства ферромагнетиков проявляются лишь при определенных температурах. При нагревании образца. взаимодействие магнитных моментов электронов ослабляется, и при некоторой температуре Т₀, называемой температурой Кюри, происходит разрушение доменов. Спонтанная намагниченность образца. исчезает и он ферромагнетика превращается в обычный парамагнетик. При температурах, незначительно превышающих температуру Кюри, магнитная проницаемость образца быстро убывает в соответствии с законом Кюри-Вейсса: