- •Снятие кривой намагничивания ферромагнетика с помощью электронного осциллографа
- •Компьютерный набор: к.В. Машковцев
- •I. Магнитное поле в веществе
- •II. Работа перемагничивания ферромагнетика
- •III. Описание лабораторной установки
- •IV. Порядок выполнения работы Техника безопасности
- •Помните! Высокое напряжение опасно для жизни!
- •V. Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
7
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО «Вятский государственный университет»
Электротехнический факультет
Кафедра физики
Снятие кривой намагничивания ферромагнетика с помощью электронного осциллографа
Методические указания
к лабораторной работе
Дисциплина "Физика"
для всех специальностей
Киров – 2009
УДК 537.212/222
Р е ц е н з е н т: кандидат технических наук, доцент кафедры физики
ВГСХА Э.А. Скрипник
Снятие кривой намагничивания ферромагнетика с помощью электронного осциллографа: Лабораторная работа / Л.С. Василевский, Э.Н. Лузянина, З.Г. Морозова. – Киров: Изд-во ВятГУ, 2009. – 12 с.
Компьютерный набор: к.В. Машковцев
610000, г. Киров, ул. Московская, 36.
© ГОУ ВПО «Вятский государственный университет», 2009
Цель работы: изучение магнитных свойств ферромагнетиков и определение чувствительности осциллографа.
I. Магнитное поле в веществе
Если в магнитное поле с индукцией , созданное макротоками, внести вещество, то поле изменится. Это объясняется тем, что все вещества способны намагничиваться, т.е. приобретать магнитный момент и собственное магнитное поле. В соответствии с принципом суперпозиции результирующее поле в магнетике определяется вектором
. (1)
Под и принимаются поля, усреднённые по физически бесконечно малому объёму.
Установлено, что молекулы многих веществ обладают собственным магнитным моментом, обусловленным внутренним движением электрических зарядов. Каждому магнитному моменту соответствует элементарный круговой ток, создающий в окружающем пространстве магнитное поле (рис. 1а). При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул ориентированы в пространстве беспорядочно, поэтому обусловленное ими результирующее магниевое поле равно нулю. Равен нулю и суммарный магнитный момент вещества (рис. 16).
Во внешнем магнитном полемагнитные моменты молекул приобретают преимущественное ориентирование в одном направлении и вещество намагничивается. Магнитный момент вещества становится отличным, от нуля (рис. 2). При этом магнитные поля молекул уже не компенсируют друг друга, в результате возникает магнитное поле.
Степень намагничивания магнетика характеризуется магнитным моментом единицы объёма и называется намагниченностью:
,
где - физически бесконечно малый объём в окрестности данной точки, - магнитный момент отдельной молекулы. Суммирование проводится по всем молекулам в объёме , Вещество намагничено однородно, если во всех его точках вектородинаков.
Индукция собственного поля магнетика связана с намагниченность соотношением:
,
где Гн/м – магнитная постоянная.
Тогда индукция суммарного магнитного поля вещества окажется равной
. (2)
В этом случае для характеристики магнитного поля макротоков вводится более удобный вспомогательный вектор напряжённости магнитного поля:
.
При этом формула (2) принимает вид:
. (3)
Для большинства магнетиков существует линейная зависимость намагниченности от напряжённости поля :
, (4)
где - магнитная восприимчивость, безразмерная величина, характерная для каждого данного магнетика.
Если , т.е., вещества называются парамагнетиками. К ним можно отнести, например, платину, алюминий, воздух. Такие же вещества как висмут, медь, серебро, углерод имеюти называются диамагнетиками (для них).
Учитывая соотношение (4), выражение (3) для индукции суммарного поля в магнетике приводится к виду:
или , (5)
где - относительная магнитная проницаемость вещества.
У парамагнетиков , диамагнетики имеют, причём как у тех, так и у другихмало отличается от единицы, т.е. магнитные свойства этих магнетиков выражены очень слабо.
Помимо слабомагнитных веществ, существуют сильномагнитные - ферромагнетики. Типичные представители ферромагнетиков - железо, кобальт, гадолиний и многие их сплавы. Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимостьи.
На рисунке 3 дана кривая намагниченности ферромагнетика. При напряжённости намагниченность ферромагнетика равна нули, её называют основной кривой намагничивания.
При сравнительно небольших значенияхнамагниченностьбыстро растёт и достигает насыщения . Магнитная индукциятакже растёт с увеличением(рис. 4), а после достижения состояния насыщенияпродолжает расти с увеличениемпо линейному закону:
.
Ввиду нелинейной зависимости , для ферромагнетиков нельзя ввести магнитную проницаемостькак определённую постоянную величину, характеризующую магнитные свойства каждого данного ферромагнетика. Однако по-прежнёму считается, что
, при этом является функцией(рис. 5). Магнитная проницаемостьдля ферромагнетиков может достигать очень больших значений. Так, например, для чистого железа – 5000, для сплава супермалой – 800000.
Для ферромагнетиков характерно также явление магнитного гистерезиса: связь между иилииоказывается неоднозначной, а определяется предшествующей историей намагничивания ферромагнетика.
Если взять ферромагнетик с напряжённостью, и постепенно намагничивать, увеличиваяот нуля до некоторого значения, при котором наступает насыщение (точка 1 на рисунке 6), а затем, уменьшать напряжённость от до, то кривая намагничиванияпойдёт не по первоначальному пути 01, а выше по пути 1234. Если изменять напряжённостьв обратном направлении отдо, то кривая намагничивания пройдёт ниже - по пути 4561.
Получившаяся замкнутая кривая называется петлёй гистерезиса.
Из рисунка 6 видно, что при намагниченность не исчезает (точка 2) и характеризуется величиной, называемой остаточной индукцией. С наличием такого остаточного намагничивания связано существование постоянных магнитов.
Величина обращается в нуль (точка 3) лишь под действием, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Величинаназывается коэрцитивной силой. Значенияидля разных ферромагнетиков меняется в широких пределах.
Физическую природу ферромагнетизма удалось понять только с помощью квантовой механики. При определённых условиях в кристаллах могут возникать, так называемые, обменные силы, которые заставляют спиновые магнитные моменты электронов устанавливаться параллельно друг другу. В результате возникают области (размером мкм) спонтанного, т.е. самопроизвольного, намагничивания – эти области называются доменами. В пределах каждого домена ферромагнетик намагничен до насыщения и имеет определённый магнитный момент. Направление этих моментов для разных доменов различны, поэтому при отсутствии внешнего поля суммарный момент образца равен нулю и образец в целом представляется макроскопически не намагниченным.
При включении внешнего магнитного поля домены, ориентированные по полю, растут за счёт доменов, ориентированных против поля. Такой рост в слабых полях имеет обратимый характер. В более сильных полях происходит одновременное переориентирование магнитных моментов в пределах всего домена. Этот процесс является необратимым, что и служит причиной гистерезиса и остаточного намагничивания.
При нагревании ферромагнетика тепловое движение разрушает магнитный порядок в доменах и при температуре , называемой точкой Кюри, ферромагнетик скачком теряет свои свойства и превращается в обыкновенный парамагнетик. Например, для железа = 768°С.