Экспериментальное получение зависимости индукции магнитного поля в ферромагнитном материале от напряженности намагничивающего поля (Лабораторная работа № 27)

Цельработы: экспериментальное получение зависимости индукции магнитного поля в ферромагнитном материале от напряженности намагничивающего поля, количественная оценка магнитной проницаемости и энергии перемагничивания ферромагнетика.

Теоретические основы работы.

Магнитное поле - это одна из форм существования материи, кото­рая отличается от вещества и передает с конечной скоростью магнит­ное действие одних тел на другие.

Источниками магнитных полей являются движущиеся заряды (токи). Магнитное поле проявляется через силовое действие на внесенные в него проводники с током.

Дня изучения свойств магнитного поля воспользуемся его дейст­вием на замкнутый плоский контур с током. Размеры контура должны быть малыми по сравнению с расстояниями до проводников с токами, образующих магнитное поле.

Контур с током, помещенный в магнитное поле, поворачивается и занимает строго определенное положение в пространстве, т.е. магнит­ное поле оказывает на контур с током ориентирующее действие. Сило­вое действие поля на контур с током можно использовать в качестве характеристики интенсивности магнитного поля.

используем контур с током в виде рамки (рис. 1).

Максимальный момент действующих сил на рамку с током в магнит­ном поле пропорционален силе тока I в ней и площади контура  S:

M_max ~ IS   (1)

Рис.1.

Величина, определяемая отношением М_max/IS, не зависит от параметров рамки с током и характеризует лишь внешнее магнитное поле.

Произведение силы тока в рамке I на ее площадь S называется магнитным моментом рамки с током p_m, направление которого совпадает с нормалью рамки n:

P_m = Isn   (2)

С учетом соотношения (2), силовую характеристику магнитного поля можно представить в виде:

B = k*(M_max/p_m)   (3)

где B – значение магнитной индукции поля в области расположения рамки с током;

К – постоянная, зависящая от выбора единиц силы тока I, площади контура S и момента действующих сил на рамку М.

Из выражения (3) следует, что магнитная индукция есть физи­ческая величина, численно равная максимальному моменту сил, дей­ствующему на пробный контур с током, магнитный момент которого равен единице. Единица измерения магнитной индукции – тесла (Тл).

Магнитная индукция является векторной характеристикой. Направ­ление вектора В в каждой точке поля определяется направлением нормали n к рамке с током (см. рис.1), принимающей положение устойчивого равновесия.

При изучении магнитного поля в веществе различают два типа токов – макротоки и микротоки. Под макротоками понимают электри­ческие токи проводимости, создающие внешнее намагничивающее поле В_с. Микротоками называют токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах.

Внешнее магнитное поле В так изменяет орбитальные микротоки атомов, что возникает наведенное внутреннее магнитное поле  В’.

Результирующее магнитное поле В в среде равно геометрической сумме внешнего (В₀) и внутреннего (B’) полей:

B = B₀ + B’   (4)

Из сказанного ясно, что магнитное поле микротоков В’ возникает в результате намагничивания вещества при его помещении во внешнее магнитное поле В₀. Поэтому первичным источником магнитного поля в веществе являются макротоки.

Вещество, способное намагничиваться под действием магнитного поля называется магнетиком.

Если наведенное магнитное поле В’ совпадает по направлению с вектором В₀, то вещество называют парамагнетиком. К ним отно­сятся кислород, алюминий, платина, редкоземельные элементы, щелочные и щелочноземельные металлы и другие вещества.

Если магнитная индукция В’ наведенного поля направлена противоположно В₀, то вещество называют диамагнетиком. К ним относятся большинство органических соединений, многие металлы цинк, золото, медь и др., вода, стекло.

Наряду с магнитной индукцией В для характеристики магнитного поля имеется еще одна векторная характеристика Н, называемая напряженностью магнитного поля. Векторы Н и В связаны между собой соотношением:

B = mm₀H   (5)

где m₀ = 4p*10^-7 Гн/м – магнитная постоянная;

m - безразмерная величина, называется относительной магнит­ной проницаемостью вещества.

Единица измерения напряженности – ампер на мерт (А/м).

Для количественной характеристики намагничивания используют векторную величину J - намагниченность. В несильных магнитных полях намагниченность вещества прямо пропорциональна напряженно­сти поля:

J = æH   (6)

где æ – безразмерная величина, характеризующая свойства вещества, называется магнитной восприимчивостью.

Характеристики m и æ для диамагнетиков и парамагнетиков не зависят от напряженности поля Н.

Особое место среди магнетиков занимают ферромагнетики, обла­дающие рядом особенностей: а) нелинейная зависимость намагничен­ности J и магнитной индукции В от вектора напряженности Н намаг­ничивающего поля; б) зависимость магнитной восприимчивости æ и относительной магнитной проницаемости m от вектора напряженности Н намагничивающего поля; в) наличие критической температуры Т_к (температура Кюри), выше которой ферромагнетик становится пара­магнетиком.

Согласно классической теории ферромагнетики при температуре ниже Т_к состоят из большого числа намагниченных до насыщения макрообластей, называемых доменами. При отсутствии намагничива­ющего поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически, т.е. ферромагнетик не намагничен. Внешнее намагничивающее поле ориентирует магнитные моменты не отдельных молеку­лярных микротоков, а целых доменов. Поэтому уже при слабых внешних полях намагниченность J резко возрастает по нелинейному за­кону. По мере усиления намагничивающего поля достигается насыщение намагниченности ферромагнетика (рис.2), когда все магнитные
моменты его доменов ориентируются по направлению силовых линий
внешнего поля.