ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы состоит в практическом изучении магнитных характеристик ферромагнетиков в переменных полях и приобретении экспериментальных навыков исследования процесса намагничивания ферромагнетиков с помощью электронного осциллографа.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Согласно современной физической теории, атомы обладают магнитными свойствами, являясь как бы элементарными магнитами. Количественно магнитные свойства таких элементарных магнитов (а также и больших тел) оцениваются по тому механическому моменту М, который на них действует при нахождении их во внешнем магнитном поле, при этом

, (1)

где – магнитный момент элементарного магнита;

– вектор магнитной индукции;

– магнитная постоянная;

– напряженность внешнего магнитного поля.

В веществе ориентировка векторов магнитных моментов элементарных магнитов беспорядочна. Поэтому, если взять единицу объема и вычислить для нее сумму всех векторов, т.е. суммарный магнитный момент единицы объема

, (2)

то эта величина чаще всего оказывается равной нулю.

Если же поместить тело во внешнее магнитное поле, последнее наводит «некоторый порядок» в расположение элементарных магнитов и делает величину I отличной от нуля, т.е. намагничивает тело.

В связи со сказанным, принято характеризовать магнитные свойства тел, а также их намагничивание во внешнем поле по суммарному магнитному моменту (2) единицы объема вещества, называемому вектором намагниченности .

Вектор намагниченности пропорционален величине напряженности внешнего магнитного поля Н:

. (3)

Коэффициент пропорциональности c называется магнитной восприимчивостью. Вещества, для которых магнитная восприимчивость отрицательна (c<0), называются диамагнетиками (инертные газы, многие органические соединения, некоторые металлы). Для диамагнетиков восприимчивость, как правило, очень мала (~10^-6).

Вещества с положительной воспримчивостью (c>0) называются парамагнетиками. Для них магнитная воспримчивость c~10^-3¸10^-6.

Магнитное поле в веществе складывается из внешнего магнитного поля и магнитного поля, создаваемого веществом вследствие его намагничивания . Векторную сумму этих величин и называют магнитной индукцией:

. (4)

Для однородного намагниченного стержня бесконечной длины

,

тогда (5)

или , (6)

где величина m=1+c называется магнитной проницаемостью.

В диамагнетиках m<1, а в парамагнетиках m>1.

Наряду с диа- и парамагнетиками, у которых m мало отличается от 1, существует целый ряд веществ (железо, никель, кобальт, гадолиний, их соединения и сплавы), обладающих значительной магнитной проницаемостью (m>>1). Такие вещества называются ферромагнетиками.

Соотношение (3) для ферромагнетиков имеет место только при определенных условиях. У них связь между намагничиванием и внешним полем более сложная – нелинейная и неоднозначная. Эта связь графически изображается так называемой кривой намаг-ничивания (рис. 1).

Магнитная проницаемость m ферромагнетиков зависит от напряженности создаваемого в нем магнитного поля. Магнитные свойства ферромагнетиков связаны с тем, что последние состоят из большого количества макроскопических областей (доменов), каждая из которых самопроизвольно намагничена до насыщения. В ненамагниченном веществе магнитные моменты отдельных доменов компенсируют друг друга, и общий магнитный момент образца равен нулю. Внешнее магнитное поле в ферромагнетиках переориентирует магнитные моменты доменов, вследствие чего появляется результирующее намагничивание, отличное от нуля.

При намагничивании ферромагнитных тел конечных размеров их поверхности приобретают сильные магнитные свойства. Магнитное поле, которое создается поверхностью тела, действует на внутренние элементарные магниты размагничивающим образом, т.е. ориентирует против внешнего поля. Напряженность этого размагничивающего поля пропорциональна вектору намагничива-ния и определяется как

, (7)

где b – размагничивающий фактор, величина которого зависит от формы образца и от его размеров.

Вследствие этого, в отличие от (5), выражение для суммарного поля внутри ферромагнетиков имеет вид

. (8)

Истинная напряженность магнитного поля в магнетике (образце) будет равна

. (9)

Таким образом, для ферромагнитных тел конечных размеров, в отличие от выражения (6), между индукцией и напряженностью истинного поля существует следующая связь:

, (10)

где m – магнитная проницаемость вещества не является постоянной величиной.

Кривая, выражающая зависимость намагниченности I от напряженности истинного поля H_i, называется кривой намагничивания вещества, а кривая, выражающая зависимость магнитной индукции В от Н_i – кривой индукции поля в веществе.

Если поместить размагниченный ферромагнитный образец в соленоид и создать в нем магнитное поле, увеличивая напря-женность от нуля до некото-рого значения Н, то изменение магнит-ной индукции В представится кри-вой ОА, называемой начальной кривой намагничивания (рис. 1). Впервые эту спо-собность ферромаг-нитных тел устано-вил в 1872 г. рус-ский физик А.Г. Столетов.

Рис. 1

Начиная с некоторого значения Н=H_S, дальнейшее увеличение поля не дает увеличения индукции В, что соответствует горизонтальному участку на графике. Это явление носит название магнитного насыщения. Такой характер зависимости В(Н) можно объяснить тем, что первоначально под действием возрастающего намагничивающего поля увеличивается степень ориентации магнитных моментов вдоль направления поля, процесс ориентации замедляется по мере того, как все меньше и меньше остается неориентированных моментов. Когда же все магнитные моменты ориентируются по полю, дальнейшее увеличение В прекращается, т.е. проявляется явление насыщения.

При уменьшении напряженности поля Н до нуля магнитная индукция изменяется по кривой АВ, которая не совпадает с кривой ОА. Отрезку ОВ соответствует некоторая остаточная индукция. Чтобы свести эту индукцию к нулю, потребуется приложить поле обратного направления. Напряженность поля ОС, при которой индукция обратится в нуль, называется коэрцитивной силой. При изменении поля до –Н_S изменение индукции представляется кривой ВСА₁, при изменении поля от –Н до нуля – кривой А₁В₁, симметричной по отношению к АВ, и при завершении цикла, т.е. при увеличении поля от нуля до +Н_S, – кривой В₁С₁А. Вся кривая АВСА₁В₁С₁А носит название петли гистерезиса.