Изучение магнитных свойств ферромагнетиков (Методическое пособие по выполнению лабораторной работы)

Лабораторная работа

№2

“ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ”

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ

Цель работы

1. Исследовать процессы намагничивания разных ферромагнетиков в переменных магнитных полях.
2. Определить кривую намагничивания  для трансформаторной стали, углеродистого железа и феррита.
3. Определить зависимость , работу перемагничивания.
4. Сравнить петли гистерезиса для разных ферромагнитных материалов.

Введение

Каждое вещество, если его поместить в магнитное поле, изменяет свои свойства. Магнитные свойства вещества связаны с орбитальным движением электронов в атоме, заполнением электронных оболочек в атоме, и магнитными свойствами как самих электронов, так и других частиц. Магнитные свойства большинства веществ достаточно слабые. К ним относятся диамагнетки и парамагнетики, которые в отсутствие внешнего магнитного поля не намагничены. Намагниченность количественно характеризуется магнитным моментом единицы объема

,                                                        (1)

где  - намагниченность,  - магнитный момент молекулы,  - физически малый объем.

В слабых магнитных полях в парамагнетиках и диамагнетиках намагниченность линейно зависит от напряженности магнитного поля

,                                                       (2)

где  - магнитная восприимчивость вещества, характерная для данного магнетика, величина которой не зависит от величины напряженности магнитного поля .

Ферромагнетики - это вещества, которые в макроскопических объемах имеют магнитоупорядоченное состояние. Магнитоупорядоченное состояние возникает в результате того, что спиновые магнитные моменты параллельны в пределах области вещества, которая называется доменом. Ферромагнитная атомная структура кубической решетки показана на рис.1.

Такая ориентация магнитных моментов приводит к спонтанной намагниченности вещества, которая характеризуется вектором намагниченности . Спонтанная намагниченность  зависит от температуры и уменьшается с ее ростом.

Характер такой зависимости показан на рис.2, где  - температура, при которой спонтанная намагниченность обращается в нуль. Эта температура называется температурой Кюри. При больших температурах  ферромагнитные свойства исчезают, и вещество стает парамагнетиком ферромагнитного происхождения. Таким образом, ферромагнетики - это вещества, в которых устанавливается ферромагнитный порядок атомных магнитных моментов. К ним относятся железо, кобальт, гадолиний, их сплавы и соединения.

Рис. 3

Для ферромагнетиков зависимость  от напряженности магнитного поля  носит сложный характер. На рис.3 показан вид этой зависимости для первоначально не намагниченного ферромагнетика (основная кривая намагничивания).

Из этой зависимости видно, что магнитная восприимчивость  и магнитная проницаемость вещества  является функцией напряженности магнитного поля .

                                                                 (3)

Зависимость  для ферромагнетика приведена на рис.4. В связи со сложной зависимостью  вводится понятие дифференциальной магнитной проницаемости  

.                     (4)

Для ферромагнетиков характерным является насыщение намагниченности  при достаточно больших полях (рис. 3). Магнитная индукция

                                       (5)

зависит от напряженности магнитного поля не линейно, но при достижении насыщения справедлива зависимость

.                                   (6)

Кроме рассмотренных особенностей есть еще одна, которая состоит в том, что магнитная проницаемость вещества  (а, значит, и магнитная восприимчивость ) зависит не только от мгновенного значения напряженности магнитного поля , но и от истории предыдущего намагничивания образца.

Поэтому при характеристике ферромагнетика указывается не просто какая-нибудь одна величина проницаемости, а зависимость  в виде полного цикла кривой намагничивания (рис.5), который представляет собой поведение ферромагнетика в переменном магнитном поле. Из кривых видно, что  является неоднозначной функцией напряженности . Это значит, что заданному значению напряженности магнитного поля Н отвечает несколько значений индукции .

Явление, в котором наблюдается неоднозначная зависимость индукции  от напряженности поля , называется магнитным гистерезисом. Замкнутая кривая, которая показана на рис.5 - это петля гистерезиса. Если начальную кривую намагничивания довести до насыщения, то петля гистерезиса будет наибольшей, или граничной. На рис.5 видно, что при уменьшении магнитного поля  до нуля индукция магнитного поля  не обращается в нуль. Это означает, что намагничивание образца не исчезает и ему отвечает так называемая остаточная индукция , которая обуславливает свойства постоянных магнитов. Для того чтобы размагнитить образец нужно приложить некоторое поле напряженностью , которое противоположно начальному намагничивающему полю. Это поле называется коэрцитивной силою ферромагнетика. Значения остаточного намагничивания и коэрцитивной силы для разных ферромагнетиков изменяются в широких пределах. Для мягкого железа петля гистерезиса узкая (коэрцитивная сила мала), а для стали и материалов, которые идут на изготовления постоянных магнитов, - широкая (коэрцитивная сила велика).

При перемагничивании ферромагнетиков выделяется тепло, которое называется теплом гистерезиса. Величина потерь пропорциональна площади петли гистерезиса и при расчетах за один цикл перемагничивания определяется интегралом:

.                                                            (7)

Описание экспериментальной установки.

Для получения петли гистерезиса в переменном магнитном поле используется установка, принципиальная схема которой изображена на рис.6.