Лабораторна робота № 39

 

ДОСЛІДЖЕННЯ МАГНІТНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ
ФЕРОМАГНЕТИКІВ

 

Мета роботи:

дослідити найважливіші властивості феромагнетиків та визна-чити їхні основні характеристики.

 

Перед виконанням роботи необхідно ознайомитись з такими питаннями курсу фізики.

1. Механізм намагнічування речовини.

2. Характеристики намагніченої речовини і магнітного поля в речовині.

3. Класифікація магнетиків.

4. Феромагнетики та їхні основні властивості. Ферити.

5. Поняття про квантову теорію феромагнетизму.

 

ЗАВДАННЯ

 

1. Дослідити залежність магнітної індукції від напруженості магнітного поля в феромагнетику при спостереженні явища магнітного гістерезису.

2. Дослідити залежність магнітної проникності феромагнетика від напруженості магнітного поля.

3. Визначити температуру Кюрі ферита.

 

ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП

 

Всі речовини є магнетиками. Будь-яка речовина, поміщена в зовнішнє магнітне поле, сама стає джерелом додаткового магніт-ного поля, тобто намагнічується. Індукція магнітного поля в речовині дорівнює векторній сумі

, (39-1)

 

де - індукція зовнішнього магнітного поля макрострумів, що зумовлене струмами в провідниках, - індукція магнітного поля мікрострумів, що циркулюють в атомах або молекулах.

Ступінь намагніченості магнетика характеризують магнітним моментом одиниці об’єму речовини. Ця величина називається векторм намагніченості і визначається як

, (39-2)

де - магнітний момент окремої молекули, - фізично малий об’єм всередині речовині.

При описі магнітного поля в речовині вводять допоміжну характеристику – вектор напруженості магнітного поля . Циркуляція вектора залежить тільки від розподілу макро-струмів, а сам вектор зв’язаний з індукцією в речовині спів-відношенням

, (39-3)

де Гн/м – магнітна стала.

Вектор намагніченості зв’язують з напруженістю магнітного поля, тобто

, (39-4)

де - магнітна сприйнятливість одиниці об’єму речовини. В за-лежності від величини і знака всі магнетики підрозділяють на три групи: діамагнетики ( - дуже мала і від’ємна величина), парамагнетики ( - теж дуже мала, але додатна) і феромагне-тики ( -сягає дуже великих значень і залежить від величини напруженості поля ). Підставляючи (39-4) в (39-3), одержимо

, (39-5)

Величина

 

(39-6)

називається магнітною проникністю речовини. Вона показує, у скільки разів індукція магнітного поля в речовині відрізняється від індукції у вакуумі.

Феромагнетики (як і подібні до них за своїми властивостями ферити) широко використовуються в радіоелектроніці. Феро-магнетикам притаманні такі основні властивості.

1. Вектор намагніченості нелінійно залежить від напруженості магнітного поля, при певних значеннях досягається наси-чення намагніченості . На рис.23 зображена основна крива намагнічення.

2. Магнітна проникність (досягає величини сотень ти-сяч). Крім того, вона є нелінійною функцією від напруже-ності магнітного поля (рис.24). При дуже великих напру-женостях , тому використання феромагнетика в цих умовах є недоцільним.

 

 

Рис.23 Рис.24

 

3. Явище магнітного гістерезису. При перемагнічуванні феро-магнетика через відставання намагніченості від зміни напру-женості магнітного поля утворюється так звана петля гістере-зису – залежність вектора намагніченості від (або вектора індукції від ). На рис.25 зображені петлі гісте-

 

 

резису у вигляді залежності

при різних амплітудах

напруженості і магніт-

ного поля, що змінюється. На

графіку (рис. 25) крива 0-1-2 є

основна крива намагнічення, -

залишкова індукція (коли Н до-

сягла 0 при перемагніченні), -

коерцитивна сила (коли відбу-

Рис.25 лось повне розмагнічення).

4. Наявність температури Кюрі . Це температура, вище якої зразок втрачає свої феромагнітні властивості і стає парамаг-нетиком. При температурах магнітна сприйнятливість змінюється відповідно до закону Кюрі – Вейсса

, (39-7)

тобто стрімко зменшується (С – константа, значення якої за-

лежить від роду речовини).

Магнітні властивості феромагнетиків пояснюються їх домен-ною структурою. Домен – це область спонтанної (самочинної) намагніченості до насичення розмірами ~1…10 мкм. За відсут-ності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти різних до-менів орієнтовані хаотично (рис.26,а), в цілому феромагнетик буде не намагнічений. Процес намагнічення зразка в зовнішньо-

 

а) б)

Рис.26

 

му полі полягає в переорієнтації векторів намагніченості доменів у напрямі прикладеного поля, яке включає необоротне зміщення меж доменів (рис.26,б), їх обертання і парапроцес. Таким чином, дуже великі значення (або ) пояснюються тим, що самі домени намагнічені до насичення, нелінійна залежність від і явище гістерезису викликані необоротністю зміни меж доменів при перемагнічуванні, а зникнення феромагнетизму при

температурах пов’язана з тепловою руйнацією доменів.

Теорія феромагнетизму дається тільки в квантовій механіці. Феромагнетиками є ті речовини, для яких виконуються такі дві умови. По-перше, атоми речовини повинні мати нескомпен-совані спінові магнітні моменти електронів (це має місце у недобудованих d – та f – оболонках деяких атомів). По-друге, повинна виникати так звана обмінна взаємодія, що розташовує магнітні моменти цих електронів паралельно один одному для утворення доменів. Це матиме місце, коли період кристалічної решітки D феромагнетика і радіус R електронної оболонки з нескомпенсованими спінами задовольняють нерівності

. (39-8)

Ферити відносяться до так званих нескомпенсованих анти-феромагнетиків і являють собою хімічні сполуки оксиду заліза з оксидами інших металів. Загальна хімічна формула феритів записується як X Fe O , де під Х треба розуміти інший метал (наприклад, Mn, Zn, Cu, Li, Fe та ін.). Магнітні властивості феритів майже не відрізняються від властивостей феромаг-нетиків, крім того, вони мають набагато більший питомий опір, ніж металеві феромагнетики. Саме ця обставина призводить до менших втрат енергії на вихрові струми і дозволяє застосовувати ферити як осердя котушок індуктивності для високих частот, що широко використовується в сучасній радіоелектроніці.

 

 

 

ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

 

Схема лабораторної установки представлена на рис.27. На

 

 

 

Рис.27

схемі позначені основні елементи:

1) ЛАТР – лабораторний автотрансформатор, що живиться від мережі ~12 В;

2) Ф - феромагнітне осердя у вигляді тороїда з двома обмот-ками, де і - кількість витків первинної (намагнічу-вальної) і вторинної (вимірювальної) обмоток;

3) Ф - феритове осердя у вигляді пластини з двома котушка-ми, де - первинна котушка, що розігріває ферит, і - вторинна котушка;

4) П – потенціометр для регулювання сили струму;

5) Т – термоелектричний термометр (в колі термопари ввімкне-ний вольтметр, градуювання якого зроблено в градусах Цельсія );

6) “6 – 12 В” – гнізда для подачі напруги на різні частини схеми І та ІІ.

До складу лабораторної установки також входить осцилограф

С1-64.

Для спостереження петлі гістерезису на екрані осцилографа і

 

одержання основної кривої намагнічення використовується час-тина І схеми, показаної на рис.27. Перемагнічувальне поле у феромагнітному тороїді створюється змінним струмом , що протікає в первинній обмотці з числом витків . Діюче значення цього струму І вимірюють амперметром А, а його величину регулюють за допомогою ЛАТРа. В тороїді створюється змінне магнітне поле з напруженістю

, (39-9)

де l – довжина осі тороїда, - коефіцієнт пропорційності.

На вхід “ х ” осцилографа подається напруга з резистора

, (39-10)

тобто маємо, що напруга горизонтальної розгортки осцилографа ~ .

У вимірювальній котушці з числом виникає е.р.с. індукції

Е= , (39-11)

де S – площа поперечного перерізу тороїда. Щоб одержати сигнал, пропорційний індукції магнітного поля В, у коло вимі-рювальної котушки вмикають інтегруючу схему, що задовольняє умові , де Т – період коливань змінного струму. Струм у колі вторинної котушки буде

Е/ = - . (39-12)

Напруга, що виникає на конденсаторі С, подається на вхід” y ” осцилографа, тобто

. (39-13)

Діюче значення цієї напруги U вимірюється вольтметром V.

 

Таким чином, на вхід “ х ” осцилографа подається напруга, пропорційна Н, а на вхід “ у ” – пропорційна В, а на екрані осцилографа утворюється петля гістерезису

З формули (39-5), використовуючи вирази (39-9) та (39-13), одержимо для магнітної проникності феромагнетика

. (39-14)

Враховуючи, що , , - постійні величини, а також замінюючи та на відповідні діючі значення напруги U та струму І, одержимо вираз

, (39-15)

де k = 100 А/В - коефіцієнт пропорційності в даній лабораторній установці.

Для визначення температури Кюрі використовується частина ІІ схеми, що показана на рис.27. Струм, який тече в котушці , виконує дві функції: нагріває ферит і створює змінне магнітне поле. Температура феритного осердя визначається за допомогою термоелектричного термометра, що діє на підставі явища термо-е.р.с. Шкала термометра проградуйована в градусах Цельсія. При нагріванні магнітна сприйнятливість ферита зменшується, отже, зменшується магнітна проникність . Це призводить до того, що в котушці зменшується індукована е.р.с., а значить, і сила струму, який реєструється мікро-амперметром.