Петлей гистерезиса. Если начать размагничивание

0 Рис.4. Н

наблюдаться петли гистерезиса меньшего размера, как

бы вписанные в основную петлю. Величина I_R(или В_R), H_c, а также мах являются основными характеристиками ферромагнетиков. Магнетики, у которых коэрцитивная сила мала и узкая петля гистерезиса, называются "магнито-мягкими". Они используются для изготовления сердечников трансформаторов. Материалы с большой коэрцитивной силой имеют широкую петлю гистерезиса. Они называются "магнито-твердыми", применяются для изготовления постоянных магнитов. Остаточное намагничивание может быть нарушено в результате удара. Аналогично действует и нагревание.

4. При намагничивании ферромагнетика происходит изменение его формы и объема. Это явление называется МАГНИТОСТРИКЦИЕЙ. Величина и знак этого эффекта зависят от напряженности магнитного поля, от угла между направлением поля и кристаллической осью (в случае монокристаллических тел). Удлинение, имеющее при этом место (составляет стотысячные доли от начальной длины). Наблюдается у ферромагнетиков и обратное явление - изменение намагничивания при деформации.

Рис.5

 

5. Каждый ферромагнетик характеризуется определенной, обычно довольно высокой температурой, при достижении которой он теряет свои ферромагнитные свойства и переходит в парамагнитное состояние. Температура эта называется ТОЧКОЙ КЮРИ (Тк)ферромагнетика (см.табл.1). При достижении точки Кюри у него меняется также теплоемкость, электропроводность и ряд других физических характеристик.

Таблица 1

Н, эрстед	Fe,	Ni,	Co,	Сплав Гейслера,
			-	-
1,5			-	-
Точка Кюри,т0,кс	~770	~355	~1180	~330

 

Процесс перехода вещества из ферромагнитного состояния впарамагнитное, совершающийся в точке Кюри, не сопровождается выделением или поглощением тепла. При охлаждении такого образца ниже точки Кюри ферромагнитные свойства его восстанавливаются Свойства ферромагнетиков, объясняются на основании представлений об их доменном строении. Домен - это область, обладающая определенным магнитным моментом в отсутствии поля, область спонтанного намагничивания, что обусловлено выстраиванием магнитных моментов всех атомов данной области параллельно друг другу. Экспериментально установлено, что это происходит только в тех веществах, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки, а следовательно, и нескомпенсированные спиновые моменты. На свойства атома мало влияют валентные электроны, кроме того, в магнитный момент атома практически не дают вклада орбитальные магнитные моменты. Очевидно, между спинами электронов существует сильное взаимодействие, в результате которого спиновые магнитные моменты устанавливаются параллельно друг другу, что соответствует более устойчивому и энергетически выгодному состоянию системы электронов. Как показал теоретический анализ, а позднее и эксперимент, это взаимодействие имеет не магнитное, а скорее электрическое происхождение. Объяснить, однако, возникновение спонтанного намагничивания с точки зрения классической физики нельзя. Взаимодействие это, названное "обменным", связано с обменом электронов местами и объясняется с позиций квантовой механики, линейные размеры доменов не превышают обычно 0,01 мм, их можно увидеть с помощью микроскопа.

В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов

ориентированы таким
образом, что суммарный магнитный
момент всего образца равен нулю.
Направления эти в случае монокри­-
сталлов не произвольные, а вполне
определенные, совпадающие с так
называемыми направлениями легчай-­ рис.6,
шего намагничивания монокристалла ферромагнетика. Число направлений
легчайшего намагничения зависит от кристаллографической структуры данного вещества. Так в гексагональном кобальте существует одно такое направление - его гексагональная ось и одна половина доменов имеет направление вдоль оси, а другая - против. В кубическом железе таких направлений три. На рис.6 изображено расположение доменов в одном кристалле железа. Характерна для кубических ферромагнетиков конфигурация с замыкающими доменами (рис.7).

 

Рис.7 Рис.8

В поликристаллических веществах, где отдельные монокристаллы разбросаны своими кристаллографическими осями хаотически, магнитные моменты доменов в отсутствии поля принимают в пространстве любые полях, в монокристалле наблюдается смещение границ доменов, в результате чего направления. При наложении внешнего магнитного поля в начале, при слабых происходит (за счет других доменов) увеличение тех доменов, магнитные моменты которых составляют с направлением поля меньший угол (рис.8а,б). Таким образом, уже слабое поле может вызвать большое общее намагничивание образца.

Нужно отметить, что вначале смещение границ доменов носит обратимый характер, т.е. размагничивание образца.

Нагревание образца до температуры, равной точке Кюри, приводит в результате интенсивного теплового движения атомов к распаду доменов и к переходу вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

Описание установки

Установка для определения точки Кюри ферромагнетика (рис.9) состоит из двух одинаковых катушек, каждая из которых имеет по две обмотки: первичную и вторичную. Первичные обмотки катушек (1-1) соединены последовательно и включаются через трансформатор. Вторичные катушки (2-2) соединены навстречу друг другу так, чтобы индуцируемые в них ЭДС полностью компенсировались, и стрелка прибора, подключенного к ним, не отклонялась. Если в одну из катушек ввести ферромагнитный образец, индуктивность этой катушки станет больше, чем другой. Поэтому в этой катушке индуцируется большая ЭДС и прибор в цепи вторичных обмоток отметит ток, пропорциональный разности ЭДС, индуцируемых в катушках. Эта разность ЭДС пропорциональна магнитной проницаемости введенного образца и его объему.

При нагревании образца выше точки Кюри он переходит в парамагнитное состояние и ЭДС в обеих катушках оказывается близкими по величине и стрелка прибора возвращается в первоначальное положение.

Первичные катушки (1-1) используются и для нагревания исследуемого образца. Измерение температуры производится при помощи термопары.

Рис.9.

Схема установки представлена на рис.9, где 1-1 первичные обмотки катушек, 2-2 вторичные обмотки катушек, ДА N I- прибор к термопаре для измерения температуры образца, А N 2 - прибор для регистрации тока, пропорционального разности ЭДС, индуцируемых во вторичных обмотках катушек; ТР - трансформатор для подачи напряжений на первичные обмотки катушек.

Установка для наблюдения петли гистерезиса состоит из блока питания БП, электронного осциллографа и монтажной панели, электрическая схема которой приведена на рис.10.

Рис.10.

 

При пропускании переменного тока через первичную обмотку (I) трансформатора Тр в ней возникает переменное магнитное поле, напряженностью Н.. Величина Н пропорциональна напряжению, подаваемому с зажимов 3-4 на горизонтально отклоняющие пластины (X) осциллографа. Во вторичной обмотке (2) при этом индуцирует ЭДС i = - aФ/dt, где Ф - поток вектора магнитной индукции через поверхность, охватываемую витками вторичной обмотки. Величина Ф пропорциональна магнитной индукции В поля, зависящей в свою очередь от магнитной проницаемости сердечника. Напряжение Uy, подаваемое на вертикально отклоняющие пластины (Y), пропорционально индуцируемой ЭДС, а, следовательно, и В. За один период синусоидального изменения тока след луча на экране опишет петлю гестерезиса, площадь которой зависит от сердечника и от напряжения Ux.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ. ВНИМАНИЕ!

УПРАЖНЕНИЕ 1. Определение точки Кюри ферромагнетика.

1. Включить установку в сеть 220В.

Включить тумблер К1 в цепи нагрева образца ферромагнетика.

Температуру образца можно измерить с помощью прибора NI (цена

деления шкалы равна 10°С)

2. Записать максимальное отклонение стрелки прибора N2 (в делениях шкалы) и температуру образца ферромагнетика в градусах Цельсия по шкале прибора N I.

3. По мере нагревания образца отмечать показания прибора N2 (в делениях шкалы) через каждые 10°С до тех пор, пока стрелка прибора N2 не установится в нулевое положение.

4. Результаты измерений занести в таблицу и построить график зависимости показаний прибора N2 (в делениях шкалы) от температуры (в градусах Цельсия). Точку пересечения графика с осью температуры принять за точку Кюри ферромагнетика.

Таблица

Показания N2 (в делениях)
Показания N1 (в градусах)

 

УПРАЖНЕНИЕ 2. Наблюдение петли гистерезиса.

1. Включить блок питания (БП) в сеть 220 В и осциллограф в сеть 220 В.

ВНИМАНИЕ! Блок питания (БП) общий с лабораторной установкой N 229 и

другой установкой N 229.

2. Ручки на передней панели осциллографа Не трогать!

Ручка "Яркость" и "Фокус" в среднем положении.

3. Поставить тумблер К2 в положение "ВКЛ.".

4. Ввести пластины ферромагнетика в трансформатор (по одной пластине с

каждой стороны).

Зарисовать картину, наблюдаемую на экране осциллографа.

5. Увеличить число вводимых пластин до трех с каждой стороны и зарисовать

наблюдаемую картину.

6. Тумблер К2 выключить. Отключить от сети блок питания и осциллограф.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Магнитные моменты электронов, атомов образца.

2. Вектор намагничения, магнитная восприимчивость и проницаемость вещества.

3. Классификация веществ по их магнитным свойствам.
4. Основные свойства ферромагнетиков.

5. Основные понятия о природе ферромагнетизма.

6. Описание установки и объяснение результатов измерений.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т.2.

2. Яворский Б.М. и др. Курс лекций по физике, т.2,

3. Савельев М.В. Курс общей физики, т.2.

-/3-