fizpr

магнитного поля H и по величине очень близко к 1. Зависимость

В= f (H ) для них определяется формулой (3).

Уферромагнетиков (железо, сталь, никель) внутреннее поле B' , которое появляется при внесении их во внешнее поле, во много раз

больше внешнего магнитного поля, которое его вызывает, т.е. B' >> B0

ферромагнетиков (магнитный гистерезис) представлена на рис. 3. Учитывая сложность этой зависимости, вводится понятие

дифференциальной магнитной проницаемости. μ = dB . dB0

.

В

Вост

D

Hк 0

K K'

D' H

А'

Рисунок 3 - Петля гистерезиса

Это объясняется существованием у ферромагнетиков доменов -

отсутствии внешнего магнитного поля. При внесении ферромагнетика во внешнее магнитное поле домены начинают ориентироваться по полю.

Рисунок 4

Кривая зависимости индукции магнитного поля ферромагнетика

В от напряженности внешнего магнитного поля H при циклическом перемагничивании ферромагнетика называется петлей гистерезиса. Она приведена на рисунке 3.

Здесь ОА - основная кривая намагничивания ферромагнетика. Величина индукции магнитного поля, которая равняется Внас, отвечает магнитному насыщению, т.е. ориентации магнитных моментов всех доменов вдоль внешнего поля. Если начать уменьшать напряженность внешнего намагничивающего поля, то величина индукции В будет уменьшаться по кривой AD, т.е. с некоторым отставанием

Это отставание изменения индукции магнитного поляферромагнетика от изменения напряженности внешнего магнитного поля называется магнитным гистерезисом. Объяснение магнитного гистерезиса следующее. При наложении внешнего поля магнитные моменты доменов ориентируются вдоль него. При прекращении действия внешнего поля, при его уменьшении или изменении направления не все домены дезориентируются, поскольку

102

изменить ориентацию группы молекул или атомов намного тяжелее, чем ориентацию отдельной молекулы или атома.

Магнитный гистерезис приводит к тому, что при снятии внешнего поля (Н = 0) ферромагнетик остается намагниченным. Величина индукции, которая равняется OD, называется остаточной индукцией Вост.

Полное размагничивание ферромагнетика наступает в случае, если создать напряженность, которая равняется отрезку ОК. Величина этого поля называется коэрцитивной силой Hк. Дальнейшее увеличение Н в отрицательную сторону вызывает в ферромагнетика индукцию обратного направления, причем ее рост по модулю в этом случае будет идти по кривой КА'. Уменьшая потом Н к нулю, получим индукцию, равную OD', которая называется отрицательной остаточной индукцией. Снова изменив направление внешнего поля, получим величину Н = ОК'. Это значение Н определяет величину коэрцитивной силы, необходимой для снятия отрицательной остаточной индукции OD'. При дальнейшем увеличении внешнего поля кривая от точки К' пойдет вверх и замкнется в точке А.

При нагревании ферромагнетика даже при наличии внешнего магнитного поля, порядок в расположении магнитных моментов атомов за счет теплового действия нарушается, домены распадаются, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Температура, выше которой ферромагнитное вещество становится парамагнетиком, называется точкой Кюри. Температура Кюри некоторых сплавов весьма низкая, причем значительно ниже точки Кюри отдельных компонентов, которые входят в этот сплав. Например, точка Кюри в сплаве 30% Ni и 70% Fe всего лишь 80 - 85° С.

103

Для изучения зависимости магнитных свойств ферромагнетика от температуры и определения точки Кюри в данной работе используется установка, схема которой представлена на рисунке 5.

6

7

mV

~U

Рисунок 5 - Схема экспериментальной установки

Исследуемый ферромагнитный образец 1 находится внутри катушки, которая имеет две обмотки. Первичная внутренняя обмотка 2 - нагревательная. По ней пропускается переменный ток, напряжение которого ~U устанавливается сначала эксперимента и в дальнейшем не изменяется. Вторичная обмотка 3 отделена от первичной слоем теплоизоляции и соединена через выпрямляющий диод 4 с микроамперметром 5. Температура образца контролируется термопарой 6, термо ЭДС которой фиксируется милливольтметром 7.

При пропускании через нагревательную спираль катушки переменного тока ферромагнитный сердечник нагревается. С другой стороны, тот же ток создает переменное магнитное поле

104

где S — площадь, охватываемая витками вторичной обмотки.

В последней возникает ЭДС взаимной индукции и, следовательно, индукционный ток, величина которого измеряется микроамперметром.

Согласно закону Фарадея-Максвела: ЭДС электромагнитной индукции ε пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную контуром и зависит от магнитной проницаемости исследуемого образца (сердечника)

Достигши точки (температуры) Кюри, магнитная проницаемость образца уменьшается приблизительно до единицы - он становится парамагнетиком. Вследствие этого резко падает ЭДС взаимной индукции (6) и индукционный ток во вторичной обмотке.

Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с рабочей установкой, схема которой изображена на рисунке 5.

2.Ознакомиться с рисунком 6, на котором приведено две кривые: нижняя - график градуировки термопары (строится по данным на лабораторном стенде); верхняя - экспериментальная.

105

Обратить внимание на точку А, которая соответствует резкому падению тока во вторичной обмотке.

3.Ручкой, регулирующей исходное напряжение на

переменное напряжение, указанное на лабораторном стенде

4.При повышении температуры сердечника (смотри показания цифрового вольтметра 7 и таблицу градуировки термопары) снять зависимость индукционного тока во вторичной обмотке катушки от величины термо ЭДС термопары (верхняя кривая на рисунке 6). Измерение силы тока проводить микроамперметром таким образом: к началу резкого падения тока через каждые 0,5 mV на цифровом вольтметре, а дальше через 0,1 mV. Результаты занести в таблицу 1

5.По полученным данным и по данным градуировки термопары построить графики (см. рис.6).

I , μA

А

0

U , mV

tk В

t,o C

Рисунок 6 6. Для определения температуры Кюри из точки А перегиба

экспериментальной кривой провести пунктирную прямую до пересечения с графиком градуировки термопары (точка В). Ордината точки В - температура Кюри исследуемого ферромагнетика.

106

Таблица 1 – Результаты измерений

U , mV 0 0,5 1,0

I , μA

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Теория Ампера - теория микротоков и микрополей. Орбитальный магнитный момент электрона. Магнитный момент атома и магнетика.

2.Что такое магнетики? В чем заключается процесс намагничивания? Какие виды магнетиков вы знаете?

3.Что такое намагниченность, магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость вещества?

4.Как объясняются магнитные свойства диамагнетиков?

5.Как объясняются магнитные свойства парамагнетиков?

6.Что такое домены? Как объясняются магнитные свойства ферромагнетиков? Какая роль доменов в процессах намагничивания и размагничивания ферромагнетиков?

7.Какой порядок величины магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости в диа-, пара- и ферромагнетиков?

8.Что такое магнитный гистерезис, петля гистерезиса? Объяснить явление магнитного насыщения ферромагнетика. Что такое остаточная индукция, коэрцитивная сила?

107

9.Что такое точка (температура) Кюри? Как объясняется резкое изменение магнитных свойств ферромагнетиков при температуре Кюри?

10.Метод определения точки Кюри. Почему ЭДС взаимной индукции

ииндукционный ток во вторичной обмотке резко уменьшаются при достижении ферромагнитным сердечником температуры Кюри?

Лабораторная работа № 305

ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА

Цель работы: экспериментальное определение постоянной Холла и концентрации электронов в металле.

Приборы и оборудование: электромагнит, исследуемый образец, амперметры, вольтметр, источник постоянного тока.

Основные требования к теоретической подготовке: При подготовке к данной работе необходимо проработать раздел курса общей физики "Эффект Холла" и данные методические указания.

Теория метода и описание установки

В лабораторной работе используется установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 1.

108

Рисунок 1 – Схема установки

Если через образец 1 толщиной d и шириной в пропустить ток (по оси В), а магнитное поле В направить перпендикулярно (по оси Z), то в направлении, параллельном ОХ, возникает разность потенциалов Ux. Эта разность потенциалов образуется вследствие того, что свободные носители заряда в образце, которые двигаются под действием электрического поля прямолинейно, под действием магнитного поля изменяют траекторию.

Если носителями заряда являются несколько типов носителей, то картина эффекта Холла в полупроводнике значительно усложняется. Это может быть в случае собственной и смешанной проводимости при наличии носителей нескольких сортов и в случае примесной проводимости.

Известно, что на движущийся заряд в магнитном поле действует

сила Лоренца Fл. В данном случае ( α = π , sin α = 1 ) она равняется

2

Fл = еυВ ,

109

где e = 1,6 ×10−19 Кл - величина заряда электрона ;

υ - средняя скорость зарядов в направлении распространения тока, м/с;

В - индукция магнитного поля, Тл.

Носители заряда одного знака скапливаются возле одной из боковых граней образца, а возле противоположной грани появляются нескомпенсированные заряды другого знака. Это явление приводит к возникновению электрического поля, напряженность которого Ех связана с разностью потенциалов Холла Ux соотношением

Ех = U x ,

в

где в - ширина образца, м.

Таким образом, на любой заряд, который движется к боковым граням, будет действовать электрическая сила:

F = еЕх = eUx .

в

Перераспределение зарядов между боковыми гранями будет ппродолжаться до тех пор, пока вызванное им электрическое поле не скомпенсирует отклоняющее действие магнитного поля.

Стационарное состояние наступает при равновесии сил Fл = F откуда получим соотношение