Ферромагнитных материалов

Лабораторная работа № 204.

ИЗУЧЕНИЕ ГИСТЕРЕЗИСА

ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы. Изучение гистерезиса ферромагнитных материалов, расчет и построение основной кривой намагничивания, расчет работы перемагничивания и коэрцитивной силы.

Методика измерений.

Все вещества обладают магнитными свойствами, т.е. являются магнетиками. Магнитные свойства веществ определяются величиной и ориентацией магнитных моментов молекул, ионов или атомов. Магнитный момент р плоского контура площадью S, по которому течет ток /, определяется по формуле

p = ISn (1)

где п - единичная нормаль, направление которой определяется по правилу правого винта. В магнитном поле с индукцией В на замкнутый контур с током действует механический момент:

(2)

которой стремиться повернуть контур так, чтобы направления и совпадали. Контур с током создает также собственное магнитное поле с индукцией , совпадающее по направлению с магнитным моментом контура. В устойчивом состоянии контура, когда , вектор индукции , в любой точке плоскости внутри контура всегда больше вектора индукции внешнего магнитного поля. Увеличение индукции внутри контура с током в магнитном поле качественно объясняет увеличение индукции в ферромагнетике, помещенном во внешнее магнитное поле.

Намагничивание вещества объясняется наличием у составляющих его атомов, молекул ионов микроскопических магнитных моментов: электронного орбитального , электронного собственного (спинового) . Электронным орбитальным магнитным моментом обладает электрон, движущийся вокруг ядра атома (рис. 1) Такой электрон подобен плоской круговой рамке с током

I = ev, имеющий магнитный момент где е - заряд электрона, v - частота вращения, г - радиус круговой орбиты. Направление магнитного момента противоположно направлению механического момента количества движения (рис.1). и связаны соотношением,где т_е - масса электрона.

Рис. 2.

Рис. 1.

Спиновой магнитный момент (см.рис.1) является неотъемлемым свойством электрона. Единицей магнитного момента является магнетон Бора:

где — постоянная Планка.

При отсутствии поля приближенно можно считать, что магнитный момент атома

(3)

где Z — число электронов в атоме.

Магнитный момент молекулы , где N- число атомов в молекуле.

Во внешнем магнитном поле на электрон атома, как на контур с током, действует момент сил М (см.рис.2). Под действием этого момента сил орбита электрона, подобно механическому волчку, будет совершать прецессию, при которой векторы и описывают с постоянной угловой скоростью конусом вокруг направления поля. Это дополнительное движение электрона приводит к появлению у него магнитного момента прецессии , направленного против магнитного поля . Это явление носит название диамагнитного эффекта. При наличии внешнего магнитного поля магнитный момент атома

(4)

Намагниченность равна магнитному моменту единицы объема магнетика:

(5)

где V - малый объем магнетика; - сумма магнитных моментов всех молекул в объеме V. Намагниченность J связна с напряженностью магнитного поля:

(6)

где χ - коэффициент пропорциональности, называемый магнитной восприимчивостью вещества. Магнитные свойства характеризуются также магнитной проницаемостью μ. χ и μ связаны соотношением

μ = 1 + χ (7)

В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все вещества делятся на три группы:

1. Диамагнетики - вещества (например, инертные газы), у которых при отсутствии внешнего магнитного поля орбитальные и спиновые моменты атомов или молекул скомпенсированы. Во внешнем магнитном поле в результате прецессии появляются индуцированные магнитные моменты , направленные против поля, а магнитная восприимчивость отрицательна χ = -(10^-6...10^-8).

2. Парамагнетики - вещества, у которых при отсутствии внешнего поля или , а = 0 вследствие хаотической ориентации магнитных моментов или . Во внешнем магнитном поле под действием вращающегося момента сил магнитные моменты ( и ) вещества стремятся провернуть в направлении поля, в результате чего J>0 и

3. Ферромагнетики - это кристаллические вещества, у которых магнитные моменты отдельных ионов . Магнитный момент иона ферромагнетика обусловлен упорядоченной ориентацией спиновых магнитных моментов.

а) б) Н 0 в) О

Рис. 3.

Часть ферромагнетика, в которой все магнитные моменты при отсутствии внешнего поля устанавливаются в одном направлении за счет обменного взаимодействия, называется доменом (рис.3,а). Домен обладает магнитным моментом . Размеры доменов составляют При отсутствии внешнего магнитного поля магнитный момент ферромагнетика

Между доменами А и В имеются переходные слои С (рис. 3, б) шириной Внутри переходного слоя магнитные спиновые моменты ионов поворачиваются до тех пор, пока не примут нужного направления. Во внешнем магнитном поле переходные слои разрушаются. Магнитные моменты отдельных доменов поворачиваются в направлении магнитного поля (рис.3, в).

Зависимость намагниченности J магнетиков от напряжения Н внешнего магнитного поля изображена на рис. 4. Нелинейная область I отражает процесс ориентации доменов в ферромагнетиках в направлении внешнего поля при возрастании напряженности H. В сильных полях (область П) наступает магнитное насыщение и намагниченность практически не зависит от напряженности поля Н. Кривая J=f (H) линейная.

ферромагнетики

диамагнетики

Рис.4. Рис.5.

У ферромагнетиков имеет место магнитный гистерезис, в котором проявляется зависимость намагниченности от предшествующего состояния. При циклических изменениях величины и направления напряженности внешнего поля Н эта зависимость характеризуется кривой, называемой петлей гистерезиса (рис.5,кривые 1, 2, 3). Если ферромагнетик был первоначально размагничен (B=0, H=-H_c), то его намагничивание происходит по основной кривой намагничивания ОА. В точке А напряженность Н_H и индукция В_H соответствует состоянию магнитного насыщения его размагничивание происходит по кривой I (А-В_r-Н_c-А^”). При H=0 намагниченность ферромагнетика не исчезает B=B_R. Это состояние называется остаточным магнетизмом. Напряженность (-Н_C), при которой исчезает остаточная намагниченность (В=0, Н= - Н_C), принято называть коэрцитивной силой.

Рис. 6.

Если при циклическом намагничивании Н_тях > Н_H, то мы получаем максимальную петлю гистерезиса I. Кривые 2 и 3 это частные циклы, когда H_max < H_H. Максимумы В и Н частных циклов лежат на основной кривой намагничивания ОА. Условно принято считать ферромагнетики жесткими, если H_C < 100 А/м. Если H_C < 100 А/м, ферромагнетики считаются мягкими. Магнитная проницаемость μ ферромагнетика зависит от напряженности магнитного поля H (рис.6). Магнитная проницаемость μ = В/ μН₀ достигает максимума, когда напряженность Н внешнего поля становится равной напряженности H, при которой домены максимально ориентируются по направлению поля (см. рис.3, в) и при этом достигается магнитное насыщение образца.