Лабораторная работа № 56 снятие кривой намагничивания петли гистерезиса с помощью осциллографа

Цель работы: изучить экспериментально зависимость индукции магнитного поля внутри ферромагнетика от индукции внешнего магнитного поля , по снятой зависимости научиться определять потери энергии на перемагничивание.

I.Теоретическая часть

Магнитными свойствами обладают все вещества. Для объяснения магнитных свойств рассмотрим действие магнитного поля на электроны в молекулах и атомах вещества (гипотеза Ампера).

Электрон, вращающийся вокруг ядра атома по замкнутой орбите, представляет собой ток, направление которого противоположно движению электрона. Поэтому его движение аналогично круговому току и движение электрона можно охарактеризовать орбитальным магнитным моментом

Единица магнитного момента А·м².

Вектор орбитального магнитного момента Р_м атома равен сумме орбитальных магнитных моментов отдельных электронов, входящих в атом:

где Z – порядковый номер элемента в таблице Менделеева.

Если вещество имеет молекулярное строение, то орбитальный магнитный момент молекулы равен векторной сумме орбитальных магнитных моментов атомов, входящих в состав молекулы.

Независимо от орбитального движения электроны являются источниками магнитного поля, т.к. они обладают собственным моментом импульса (спином).

Таким образом, магнетизм атомов обусловлен двумя причинами: движением электронов по орбитам вокруг ядра и собственным магнитным моментом электронов. Кроме того, ядро атома обладает собственным магнитным моментом, но он намного меньше магнитного момента электронов. В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов направлены хаотично и магнитное поле внутри магнетика равно нулю.

При внесении магнетика во внешнее магнитное поле В_о происходит ориентация магнитных моментов отдельных атомов, молекул, в результате чего макроскопический объем приобретает определенный суммарный магнитный момент, величина которого характеризуется вектором намагничения (намагниченности):

J= ;

Поле внутри магнетика будет определяться по принципу суперпозиции

- магнитная индукция, характеризующая магнитное поле, созданное макротоками (без учета свойств магнетика);

- магнитная индукция, характеризующая магнитное поле, созданное микротоками ( поле магнетика).

Индукция собственного магнитного поля зависит от .

- магнитная индукция характеризует поле в веществе, созданное макро- и микротоками.

Для характеристики непосредственно поля, создаваемого макротоками вводится напряженность магнитного поля Н.

Н и В_о характеризуют одно и то же поле микротоков без учета свойств вещества

В_о=μ_оН (μ_{о –} магнитная постоянная, μ_о=4π·10^-7Гн/м).

Намагниченный магнетик создает собственное магнитное поле с индукцией , которое складывается с внешним магнитным полем, индукция которого .

Магнитная индукция зависит от свойств магнетика. Величина, показывающая, во сколько раз магнитная индукция в данной однородной изотропной среде больше или меньше, чем в вакууме, называется относительной магнитной проницаемостью среды:

Магнитная проницаемость характеризует магнитные свойства среды, она зависит от рода вещества и температуры; μ –безразмерная величина (для вакуума μ=1).

По магнитным свойствам вещества различают диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики (μ≤1)

У атомов диамагнетиков собственный магнитный момент равен нулю. При внесении их в магнитное поле на движущиеся электроны действует сила Лоренца, в результате чего изменяются траектории движения электронов. Возникающая перестройка траекторий приводит к появлению индуцированного магнитного момента, пропорционального внешнему полю. Этот момент направлен навстречу внешнему полю, поэтому внутри диамагнетика поле меньше .

Диамагнитный эффект присущ любому веществу – газообразному, жидкому, твердому. Однако он очень мал и наблюдается только у тех веществ, у которых собственный магнитный момент равен нулю.

Диамагнетиками являются вода, мрамор, висмут, серебро, свинец, ртуть, медь, инертные газы.

Диамагнетики выталкиваются из более сильного поля.

Парамагнетики (μ≥1)

Молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля собственные магнитные моменты. В отсутствии магнитного поля эти моменты расположены хаотически, поэтому результирующий магнитный момент тела равен нулю.

При внесении парамагнетика в магнитное поле магнитные моменты отдельных атомов или молекул ориентируются вдоль линий _о. Собственное поле парамагнетика усиливает внешнее магнитное поле. Если такой эффект существует, то он играет значительную роль и всегда преобладает над диамагнетизмом. Поэтому для парамагнетиков .

Тепловое движение атомов и молекул разрушает взаимную ориентацию магнитных моментов молекул, поэтому намагниченность парамагнетиков зависит от температуры и относительная магнитная проницаемость парамагнетиков убывает с увеличением температуры.

Парамагнетиками являются щелочные металлы, кислород, алюминий, платина.

Парамагнетики втягиваются в более сильное поле.

Ферромагнетики (μ»1)

Предельным случаем парамагнетизма является ферромагнетизм. В системе, состоящей из многих атомов (молекул), магнитные моменты которых обусловлены спинами электронов, действуют обменные силы, стремящиеся одинаково ориентировать спины двух соседних атомов (молекул). Поэтому в некоторых веществах возникают области, имеющие вследствие сложения спинов электронов значительные магнитные моменты. Этим области получили название доменов.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю и ферромагнетик не намагничен. Внешнее магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов (как у парамагнетиков), а целые области спонтанной намагниченности – домены. Поэтому магнитная проницаемость ферромагнетиков увеличивается до максимального значения ( и может достигать тысяч).

П ри ослаблении внешнего поля до нуля ферромагнетики сохраняют остаточное намагничение, т.к. тепловое движение не в состоянии быстро переориентировать магнитные моменты доменов. Поэтому и наблюдается явление гистерезиса (см. рисунок). Чтобы ферромагнетик размагнитить, необходимо подать напряжение, при котором магнитная индукция становится равной нулю; размагничиванию способствует также встряхивание и нагревание ферромагнетика.

Гистерезис приводит к тому, что намагничивание ферромагнетика не является однозначной функцией B₀ (или напряженности магнитного поля Н), оно зависит от предыстории образца – от того, в каких полях он побывал прежде. Магнитная проницаемость ферромагнетиков является функцией B₀ (или напряженности магнитного поля Н). Рассмотрим саму петлю (рис 3).

оа – основная кривая намагничения – намагниченность достигает насыщения.

аb – после насыщения при уменьшении B₀ (напряженности магнитного поля) индукция B уменьшается и намагничивание не исчезает, а характеризуется остаточной индукцией в точке b. Намагниченность называется остаточной.

bc – индукция обращается в нуль под действием поля, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение. Характеристикой такого поля является коэрцитивная сила- напряженность магнитного поля, при которой индукция превращается в нуль.

Вещества с малой коэрцитивной силой называются магнито-мягкими. Они обладают узкой петлей гистерезиса. Магнито-жесткие вещества характеризуются большой коэрцитивной силой и широкой петлей гистерезиса.