Исследование процессов намагничивания ферромагнетиков (Лабораторная работа № 2-12)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 2-12

 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НАМАГНИЧИВАНИЯ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ. 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: 1. Изучить особенности намагничивания ферромагнетиков.

2. Построить основную кривую намагничивания ферромагнитного образца.

3. Построить зависимость магнитной проницаемости образца от напряженности внешнего  поля.

ОБОРУДОВАНИЕ: Ферромагнитный образец, амперметр, вольтметр.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Внесение некоторых веществ во внешнее магнитное поле приводит к изменению поля  и к намагничиванию внесенного вещества.

Вещества, способные намагничиваться во внешнем магнитном поле получили название магнетиков.

Большинство магнетиков в отсутствие магнитного поля не обладают намагниченностью, однако существует особый класс магнетиков, которые остаются намагниченными при отсутствии магнитного поля. Эти магнетики получили название ферромагнетиков. Внесение магнетиков в магнитное поле приводит к изменению внешнего поля за счет появления магнитного поля в магнетике.  Индукция такого поля определяется по принципу суперпозиции

В = В₀ + В'                                                 (1)

Где В₀ – индукция внешнего магнитного поля;

В' – индукция внутреннего магнитного поля, которое возникает в магнетике;

В – индукция результирующего магнитного поля.

Теория намагничивания магнетиков строится на основе двух положений:

1. движение электронов по орбите можно уподобить элементарному току

2. магнитные свойства атомов обуславливаются  наличием у электрона спина, магнитной спиновой момент электрона часто уподобляют магнитному диполю.

Электрон, двигаясь по орбите, создает ток, величина которого зависит от частоты обращения электрона n.

Произведение силы тока на площадь орбиты определяет магнитный момент электрона.

P_m = I∙S = enpr²                                               (2)

S = pr² – площадь орбиты;

е – заряд электрона;

r – радиус орбиты;

n - частота обращения.

Кроме того, электрон обладает механическим моментом импульса, который направлен противоположно магнитному моменту, т.к. направление движения электрона и силы тока противоположны.

Отношение собственного механического момента электрона – спина, кратного постоянной Планка h,  механическому моменту вращения электрона по орбите имеет постоянное значение и носит название магнетрона Бора.

                                                   (3)

Основной характеристикой намагничивания является вектор намагничивания J, который определяется суммой магнитных моментов единицы объема.

                                                            (4)

Р_mi – магнитный момент атома или молекулы.

V – объем области магнетика, имеющего N атомов и молекул.

Намагниченность связана со значением напряженности внешнего магнитного поля соотношением:

J  = cH                                            (5)

где c - магнитная восприимчивость вещества.

Значение магнитной восприимчивости зависит от физико-химических свойств вещества.

Безразмерная величина

m = 1 + c                                              (6)

где m = 1 +c - магнитная проницаемость вещества, называется магнитной проницаемостью вешества, которая показывает во сколько раз индукция В магнитного поля в магнетике отличается от индукции В₀ внешнего поля, вызывающего намагничивание магнетика

Учитывая взаимосвязь между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля

                                                 (7)   можно записать, что напряженность поля равна:

                                                     (8)

.m_о – магнитная постоянная.

Все вещества по магнитным свойствам разделяются на три класса:

1. Парамагнетики. Магнитная восприимчивость имеет положительное значение. В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов ориентированы хаотично и общий магнитный момент равен нулю. Появление внешнего магнитного поля приводит к преимущественной ориентации магнитных моментов атомов вдоль направления внешнего поля. Вектор намагничивания и вектор магнитной напряженности имеют одинаковое направление.

2. Диамагнетики не имеют магнитного момента в отсутствие магнитного поля. При внесении их в магнитное поле в них возникает ларморова прецессаия орбит. Вектор дополнительного магнитного момента, возникающего при прецессии орбит направлен в сторону противоположную вектору внешнего поля (рис.1).

Значение магнитной восприимчивости диамагнетиков отрицательно, векторы намагничивания J и индукции магнитного поля Н имеют противоположные направления.

Магнитная восприимчивость диамагнетика определяется соотношением:

Рис. 1

 (9)

где Р_man – индуцированный магнитный момент;

е – заряд электрона;

m – масса электрона;

R_k - радиус k – орбиты атома;

Z – атомный номер химического элемента

К диамагнетикам относятся вещества, у которых атомы не обладают магнитными моментами, т.е. суммарный магнитный момент обусловленный вращением электрона и его спином равен нулю.

Ферромагнетики составляют особый класс веществ, которые обладают спонтанной намагниченностью в отсутствие внешнегомагнитн6ого поля. Свое название они получили от самого известного магнетика - жедеза. Кроме железа ферромагнтными свойствами  обладает никель, кобальт, гадолиний, их сплавы, некоторые сплавы марганца и хрома с ферромагнитными веществами. В последнее время появился широкий класс материалов, созданных на основе окислов некоторых металлов и названных ферритами.

По сравнению с пара- и диамагнетиками ферромагнетики обладают высокой намагниченностью. Величина магнитной восприимчивости зависит от величины магнитного поля сложным образом.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков достигает  значений порядка нескольких сотен тысяч. Зависимость намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля нелинейна, а, следовательно, и зависимость В = f(H) тоже нелинейна, перемагничивание ферромагнетика в переменном  поле имеет вид петли магнитного гистерезиса.

Рис 2.                                       Рис. 3.                                       Рис. 4.