Исследование петли гистерезиса ферромагнетика. Описание экспериментальной установки и метода измерений

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 52

ИССЛЕДОВАНИЕ   ПЕТЛИ   ГИСТЕРЕЗИСА   ФЕРРОМАГНЕТИКА

Цель работы — изучение явления магнитного гистерезиса и определение магнитных характеристик ферромагнетика.

Приборы и принадлежности: тороид из исследуемого ферромагнетика  с двумя  обмотками,  генератор   переменного напряжения, осциллограф, сопротивления, конденсатор.

Краткие сведения из теории

Ферромагнитные материалы часто применяются в трансформаторах, дросселях, машинах переменного тока; в радиоэлектронике, где они подвергаются периодическому перемагничиванию. Изучение магнитных характеристик ферромагнетиков в переменных полях представляет большой практический интерес.

Рис. 52.1

Характерной особенностью ферромагнетиков является нелинейная зависимость между магнитной индукцией В и напряженностью намагничивающего поля Я. Эта зависимость для предварительно размагниченного ферромагнетика дана на рис. 52.1 кривой 0—1. Она называется основной или начальной кривой намагничивания. Если теперь начать уменьшать напряженность Я намагничивающего поля, то зависимость В от Н будет представлена кривой 1—2. Происходит отставание изменения индукции от изменения напряженности поля. Это явление называется магнитным гистерезисом.

При Н = 0 намагничивание не исчезает и характеризуется величиной остаточной магнитной индукции В_г. Для размагничивания ферромагнетика нужно создать магнитное поле противоположного направления. При увеличении напряженности этого поля от нуля изменение индукции изобразится кривой 2—3. Напряженность поля Н₀, при которой индукция магнитного поля становится равной нулю, называется коэрцитивной (задерживающей) силой. При дальнейшем изменении напряженности  поля в обратном  направлении индукция будет изменяться в соответствии с кривой 3—4. В переменном по величине и направлению магнитном поле магнитная индукция изменяется в соответствии с  кривой 1—2—3—4—5—1, которая  называется  петлей  гистерезиса. Если   амплитудное   значение   напряженности переменного намагничивающего поля равно или превышает напряженность поля, намагничивающего ферромагнетик до насыщения (H_max >Hs, то петля  гистерезиса  называется  максимальной  (предельной). Напряженности поля H_sсоответствует магнитная индукция B_s. При H_msa<H_sнасыщение не достигается, получаются частные петли гистерезиса, лежащие внутри максимальной петли. В связи с неоднозначной зависимостью В от Н понятие магнитной проницаемости и, можно применять лишь к основной кривой намагничивания. Относительная магнитная проницаемость является функцией напряженности поля.

Ферромагнетизм обусловлен спиновыми магнитными моментами электронов. В атомах ферромагнетика спины определенной  группы  электронов   (Зd-электронов  в  металлах группы железа и 4f-электронов в редкоземельных металлах) не скомпенсированы. Благодаря этому спиновые магнитные моменты атомов достигают значительной величины. В отсутствии внешнего поля ферромагнетик состоит из большого числа малых (но макроскопических) областей спонтанного намагничивания — доменов. В пределах каждого домена магнитные моменты атомов строго ориентированы. При отсутствии внешнего магнитного поля полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю. В достаточно сильных магнитных полях магнитные моменты всех доменов устанавливаются по полю. В этом состоянии ферромагнетик намагничен до насыщения. При перемагничивании ферромагнетика происходит изменение его доменной структуры. Работа, необходимая для этого, совершается за счет энергии внешнего магнитного поля. Образец   при   перемагничивании   нагревается, и тем сильнее, чем больше площадь петли гистерезиса (потери энергии на гистерезис).

Элементарная работа, необходимая для перемагннчива-ния единицы объема образца dA_ejs._a6= dw_es._au = HxdB, равна площади заштрихованной полоски на рис. 52.1. Тогда полная энергия, теряемая за один цикл перемагничивания  образца и рассчитанная на единицу его объема, численно равна площади петли гистерезиса:

_(52.1)  w_{ед.об=  НхdB}

Описание экспериментальной установки и метода измерений

Петлю гистерезиса можно получить на экране электронного осциллографа (ЭО) с помощью установки, схема которой представлена на рис. 52.2. На панели П укреплены

исследуемый образец Т с двумя обмотками, сопротивления и конденсатор. Г — генератор переменного напряжения синусоидальной формы. Чтобы получить на экране ЭО петлю гистерезиса, нужно на его «вход X» подать сигнал, пропорциональный напряженности H намагничивающего поля, а на «вход У» — сигнал, пропорциональный магнитной индукции В в образце.

Исследуемый образец выполнен в виде торонда, па поверхности которого намотаны две обмотки 1 и 2 с числом витков N₁и N₂соответственно. Обмотка 1 через потенциометр R1 с сопротивлением R\ соединена с выходом генератора Г. Средняя напряженность намагничивающего поля в тороиде

(52.2)

H=N₁/L xI₁