Получение петли гистерезиса на экране осциллографа и снятие основных характеристик ферромагнетика осциллографическим методом

Цель работы: получение петли гистерезиса на экране осциллографа и снятие основных характеристик ферромагнетика осциллографическим методом.

Приборы и принадлежности: установка, состоящая из понижающего трансформатора, замкнутой магнитной цепи из исследуемого материала с обмотками RС-цепями, осциллограф.

Элементы теории:

Основной характеристикой магнитного состояния вещества является вектор намагниченности, который определяется как магнитный момент единицы объёма вещества.

J=Σp_i/ΔV

Так как силовая характеристика магнитного поля – магнитная индукция- зависит от среды, в которой находится источник магнитного поля, в качестве характеристики поля без учёта этой намагниченности вводится напряжённость магнитного поля, которая определяется:

H=B/μ₀-J

У большинства класса веществ намагниченность оказывается пропорциональной величине напряжённости магнитного поля: J=XH, X – магнитная восприимчивость вещества.

B=μμ₀Н

Так как намагниченность в вакууме отсутствует, то отсюда следует физический смысл магнитной проницаемости – она показывает, во сколько раз возрастает магнитная индукция вещества по сравнению с магнитной индукцией в вакууме.

У ферромагнетиков наблюдается явление гистерезиса. Это явление состоит в том, что намагниченность среды зависит не только от величины Н, но и от того, каким было магнитное состояние этой среды при предыдущих изменениях внешнего магнитного поля. Полная замкнутая кривая, описываемая восходящими и нисходящими ветвями этой зависимости, называется симметричной петлёй гистерезиса. Линия, соединяющая вершины частных симметричных петель гистерезиса называется нулевой.

При намагничивании вещества совершается работа. Если при небольшом изменении напряжённости поля Н магнитная индукция изменяется на величину dB, то работа в единице объёма при таком изменении поля будет dA=HdB. Работа, совершаемая за один полный цикл будет равна площади петли гистерезиса. При этом совершаемая работа переходит во внутреннюю энергию образца, т. е. в тепло.

Если образец из исследуемого материала является замкнутым, то при изменении В и Н для основной кривой, можно найти непосредственно по формуле: μ=B/μ₀H.

Поведение ферромагнетиков в магнитном поле и их магнитные свойства объяснятся законами квантовой механики. Ответственными за магнетизм ферромагнетиков являются собственные спиновые магнитные моменты электронов, специфическое квантовое обменное взаимодействие электронов соседних атомов и молекул заставляет магнитные моменты электронов выстраиваться в одном направлении. Так как при этом увеличивается размагничивающее поле поверхностей образца, то в результате в ферромагнетике возникают домены, области самопроизвольной намагниченности, в пределах которых вещество намагничено до насыщения. В не намагниченном ферромагнетике магнитные поля доменов ориентированны различно по отношению друг к другу и их суммарная намагниченность равна 0.

В начальных стадиях процесса намагничивания в слабых полях происходит незначительный поворот вектора намагниченности и незначительная деформация стенок каждого домена. При увеличении поля начинается процесс смещения границ доменов – при этом домены, направление намагниченности которых близко к направлению внешнего поля, увеличиваются в размерах, поглощая соседние домены. Этот процесс носит скачкообразный характер, суммарная намагниченность увеличивается при этом микроскопическими скачками. Наконец, при приближении к насыщению происходит поворот вектора намагниченности образовавшегося максимального домена к направлению внешнего поля.

При уменьшении поля до нуля доменная структура восстанавливается не полностью, часть доменов оказывается ориентированной преимущественно в направлении предыдущего поля. Этим объясняется существование остаточной намагниченности и явления гистерезиса в целом.