Лабораторная работа № 11

Исследование магнитных свойств ферромагнетика

Цель работы: наблюдение на экране осциллографа кривых зависимости индукции магнитного поля B от напряженности магнитного поля H в ферромагнетике;

определение магнитной проницаемости ферромагнетика в зависимости от H ; определение мощности, потребляемой на перемагничивание ферромагнетика.

Приборы и оборудование: коммутационная плата с тороидальной катушкой из ферромагнетика, конденсатором, резисторами, переключателем, электронный осциллограф, генератор синусоидального напряжения.

Теоретическая часть

Поведение вещества в магнитном поле B зависит прежде всего от того, имеется ли у его атомов магнитный момент. Если в отсутствие поля момента нет, то решающим

оказывается появление такого момента под действием вихревого электрического поля при увеличении поля B . По

закону электромагнитной индукции наведенный момент направлен так, что внешнее поле ослабляется; в выражении

магнитного поля; μ0 - магнитная постоянная). Такие вещества называются диамагнетиками.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Атомы парамагнетика имеют отличный от нуля магнитный момент, но в отсутствие внешнего магнитного поля моменты отдельных атомов ориентированы хаотически, намагниченность даже небольших, содержащих несколько атомов, объемов вещества в среднем равна нулю. Под

действием внешнего поля происходит некоторая упорядоченность расположения атомных моментов, внешнее поле усиливается. В таких материалах μ > 1.

Особое место среди магнетиков занимают ферромагнетики, прежде всего железо, кобальт, никель и большое количество сплавов на их основе. Характерным для них является "аномально" большое значение отношения B / μ0H - оно

может составлять 102… 106. Объясняется это тем, что

упорядочение расположения элементарных моментов вызывается силами более мощными, чем магнитные силы, так называемыми силами обменного взаимодействия, или спиноориентирующими силами. Считается, что это те же силы, которые определяют противоположное направление спинов электронов в атоме, если эти электроны находятся в

отвечающих одинаковым наборам квантовых чисел состояниях (принцип Паули). Однако в случае

ферромагнетизма знак этих сил оказывается противоположным - спины выстраиваются параллельно.

Под влиянием сил обменного взаимодействия образуются области спонтанной намагниченности - домены.

Монокристалл ферромагнитного материала небольших размеров может быть спонтанно (без действия внешнего магнитного поля) однородно намагничен. При достаточно

больших размерах образца создается многодоменная структура (рис.1). Направления намагниченности

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

отдельных доменов устанавливаются такими, при которых минимальна полная энергия.

Энергия магнитного поля мала, если малы размеры доменов

и при этом в соседних доменах направления намагниченности противоположны. С другой стороны, энергия обменного взаимодействия, пропорциональная площади поверхности доменов, уменьшается при увеличении размеров доменов. В результате образуется многодоменная структура, при которой достигается относительный минимум полной энергии.

Рассмотрим процессы, происходящие при намагничивании (перемагничивании) ферромагнетика. Эти процессы можно разбить на несколько этапов. При возрастании внешнего

магнитного поля с нуля сначала происходит смещение границ - за счет соседей увеличиваются размеры доменов,

направление намагниченности в которых составляет наименьший угол с направлением внешнего поля. Затем

происходит изменение направления намагниченности вплоть до совпадения с направлением внешнего поля, и достигается насыщение. В дальнейшем происходит лишь незначительное увеличение намагниченности.

Рис.1. Возможная доменная структура монокристаллического (а)

и поликристаллического (б) ферромагнетиков

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com