СОДЕРЖАНИЕ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ……………………………………………………...……4
ОБОРУДОВАНИЕ …………………………………………………….…4
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Магнитное поле в веществе. Виды магнетиков………………….5
Объяснение ферромагнетизма…………..………………………...8
Процессы намагничивания ферромагнетика …...……………....10
Магнитное поле тороида…………………………………………16
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Метод измерения ………………………………………………….18
Описание экспериментальной установки………………...……..20
Выполнение измерений…………………………………………..21
Обработка результатов измерений……………………...……….21
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ………………...……………………..........................................22
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………..24
ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ…………….25
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: построение графика зависимости магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности магнитного поля и построение основной кривой намагничивания.
ОБОРУДОВАНИЕ
Миниблок «Ферромагнетик», в котором находится тороид с ферромагнитным сердечником.
Миниблок «Сопротивление 100 Ом».
Генератор сигналов специальной формы на плате «Блок генераторов».
Блок мультиметров.
Красные и синие соединительные провода.
Теоретическая часть
1. Магнитное поле в веществе. Виды магнетиков
Магнетиками называют вещества, способные намагничиваться во внешнем магнитном поле, т.е. способные к созданию собственного магнитного поля. Собственное же поле веществ зависит от магнитных свойств их атомов. В этом смысле магнетики являются магнитными аналогами диэлектриков.
По классическим представлениям атом состоит изэлектронов, движущихся по орбитам вокруг положительно заряженного ядра, состоящего, в свою очередь, из протонов и нейтронов.
Движение электрона по круговой орбите радиуса R вокруг ядра можно представить в виде кругового тока I (рис. 1). В самом деле, если электрон с зарядом e обращается по орбите с частотой , то через поперечную площадку, расположенную в любом месте орбиты на пути электрона, в единицу времени переносится заряд, равный. Следовательно, движущийся по орбите электрон эквивалентен току силой. Поскольку заряд электрона отрицательный, то направление скоростиэлектрона и направление токаI противоположны. Таким образом, движущийся по орбите электрон создает орбитальный магнитный момент , равный
(1)
где – единичный вектор положительной нормали к плоскости орбиты.
Если атом содержит несколько электронов, то их движение можно представить в виде совокупности круговых токов , каждый из которых создает свой орбитальный магнитный момент. Орбитальный магнитный момент атоманаходится как векторная сумма орбитальных магнитных моментовего электронов:
. (2)
где Z – число электронов в атоме. В этом случае атом можно заменить его упрощенной моделью – эквивалентным круговым током , создающим орбитальный магнитный момент атома (рис. 2).
Кроме орбитального момента электрон обладает еще и собственным илиспиновым магнитным моментом . Он присущ электрону так же, как массаm и заряд e (рис. 3).
Протон и нейтрон также обладают спиновыми магнитными моментами, но они гораздо меньше, чем спиновый магнитный момент электрона. Кроме того, в ядрах атомов магнитные моменты протонов и нейтронов могут взаимно компенсироваться частично или полностью. Поэтому магнитные свойства ядра практически не сказываются на магнитных свойствах атомов, которые будут в основном определяться магнитными моментами электронов.
Таким образом, результирующий магнитный момент атома равен векторной сумме орбитальныхи спиновыхмагнитных моментов входящих в него электронов:
. (3)
Ив этом случае магнитной моделью атома может являться круговой ток, создающий момент(3) (рис. 4).
Со времен Ампера в теории магнетизма вещества оперируют также магнитной моделью молекулы в виде кругового тока , создающего магнитный момент молекулы.
Количественно магнитные свойства вещества оценивают с помощью величины, называемой относительной магнитной проницаемостью или просто магнитной проницаемостью . В магнетизме она играет такую же роль, какдиэлектрическая проницаемость в электричестве.Магнитная проницаемость m показывает, во сколько раз изменяется индукция B магнитного поля в однородном безграничном веществе за счет его намагничивания по сравнению с индукцией B0 магнитного поля в вакууме:
. (4)
Магнетиками являются все вещества, т.е. все вещества намагничиваются во внешнем магнитном поле, но характер и степень намагничивания у них разные. В зависимости от этого все магнетики делятся на три вида: 1) диамагнетики; 2) парамагнетики; 3) ферромагнетики.
Диамагнетики. К ним относятся многие металлы (например, медь, цинк, серебро, ртуть, висмут), большинство газов, фосфор, сера, кварц, вода, подавляющее большинство органических соединений и т.д.
Для диамагнетиков характерны следующие свойства:
1) очень слабое намагничивание во внешнем магнитном поле;
2) собственное магнитное поле направлено против внешнего и немного ослабляет его (m<1);
3) нет остаточного магнетизма (собственное магнитное поле диамагнетика исчезает после снятия внешнего поля).
Первые два свойства говорят о том, что относительная магнитная проницаемость m диамагнетиков лишь немного меньше 1. Например, самый сильный из диамагнетиков – висмут – имеет m=0,999824.
Парамагнетики. К ним относятся щелочные и щелочноземельные металлы, алюминий, вольфрам, платина, кислород и т.д.
Для парамагнетиков характерны следующие свойства:
1) очень слабое намагничивание во внешнем магнитном поле;
2) собственное магнитное поле направлено по внешнему и немного усиливают его (m>1);
3) нет остаточного магнетизма.
Из первых двух свойств следует, что значение m лишь немного больше 1. Например, для одного из самых сильных парамагнетиков – платины – относительная магнитная проницаемость m=1,00036.
Ферромагнетики. К ним относятся железо, никель, кобальт, гадолиний, их сплавы и соединения, а также некоторые сплавы и соединения марганца и хрома с неферромагнитными элементами. Все эти вещества обладают ферромагнитными свойствами только в кристаллическом состоянии.
Для ферромагнетиков характерны следующие свойства:
1) очень сильное намагничивание;
2) собственное магнитное поле направлено по внешнему и значительно усиливает его (значения m лежат в пределах от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч);
3) относительная магнитная проницаемость m зависит от величины намагничивающего поля;
4) есть остаточный магнетизм.