РАБОТА 7. СНЯТИЕ КРИВОЙ НАМАГНИЧЕНИЯ И ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСА

ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛЛОГРАФА.

Цель работы

1. Познакомиться с осциллографическим методом изучения свойств ферромагнетиков.

2. Снять начальную кривую намагничения.

3. Снять петлю гистерезиса и определить гистерезисные потери в ферромагнетике.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

Все вещества во внешнем магнитном поле намагничиваются,т.е. создают собственное магнитное поле. Собственное поле магнетика характеризуется   намагниченностью  J, т.е. магнитным моментом единицы объема тела магнетика. Намагниченность связана с напряженностью внешнего магнитного поля :

 

= ,

где:   - безразмерный коэффициент, называемый магнитной восприимчивостью.  

Индукция суммарного магнитного поля в образце, напряженность и намагниченность связаны соотношением:

, (30)

где:  = 4 ^.10^-7 Гн/м - магнитная постоянная.

Для изотропных магнетиков можно записать

, (31)

где:   - относительная магнитная проницаемость магнетика.

В зависимости от величины и направления собственного поля различают пять видов магнетиков: диа- и парамагнетики, ферро- и антиферромагнетики, ферримагнетики (ферриты). Обнаружение собственного поля диа- и парамагнетиков возможно только высокочувствительной аппаратурой. Ферромагнетизм-свойство сильное и легко обнаруживается экспериментально. Ферромагнетики широко используются для изготовления сердечников трансформаторов, электромагнитов, магнитопроводов электродвигателей и т.д.

Собственное магнитное поле ферромагнетиков в тысячи раз превосходит внешнее поле, его вызвавшее. Этот факт П. Вейсс объяснил тем, что ферромагнетик состоит из ряда областей - доменов, внутри которых намагниченность J равна максимальной, называемой намагниченностью насыщения (рис.16а). В отсутствии внешнего магнитного поля векторы намагниченности отдельных доменов ориентированы хаотически и намагниченность образца в целом равна нулю.

Появление намагниченности образца во внешнем магнитном поле объясняется двумя процессами: 1) увеличением объема доменов, ориентированных по внешнему полю, за счет доменов с другой ориентацией в результате обратимого и необратимого смещения границ;

2) Поворота доменов с ориентацией их векторов намагниченности по внешнему полю. Указанные процессы и области их проявления показаны на рис.16а.

Рис.16.

Доменная структура ферромагнетиков экспериментально подтверждена в опытах Биттера, Акулова Н.С. Теория ферромагнетизма не разработана полностью, в работах Гейзенберга В. и Френкеля Я.И. показано, что доменная структура - проявление квантовых свойств.

Проявление ферромагнетизма зависит от температуры. Для каждого ферромагнетика есть такая температура (температура Кюри - Тс), при которой ферромагнетизм пропадает и вещество становится обычным парамагнетиком.

Для ферромагнетиков взаимосвязь величин В, J и Н очень сложна, так как   и   зависят от Н. Рис.16,17 дают представление о характере такой связи.

Графики на рис.16 называются начальными кривыми намагничения, т.к. при Н = 0, J = 0 и В = 0, т.е. образец полностью размагничен.

Если ферромагнетик поместить во внешнее переменное магнитное поле, то зависимость индукции В от напряженности Н оказывается неоднозначной (рис.17). При ослаблении внешнего магнитного поля образец размагничивается, но уменьшение В идет не по начальной кривой 0а, а отстает и идет согласно участку аb. При изменении направления внешнего поля образец сначала размагничивается (участок bc), а потом, намагничиваясь, вновь достигает состояния насыщения (точка d). Ослабление поля создает участок de, усиление поля противоположного направления -участок efa. Полученная зависимость В от Н на рис.17 носит название  петли гистерезиса.

Если максимальное значение Н таково, что намагниченность достигает насыщения, получается максимальная петля гистерезиса. Если насыщение не достигается, получается петля, называемая

частным циклом. Частных циклов существует множество, вершины петель лежат на кривой Оа - на начальной кривой намагничения.

Значение индукции поля В_r (точка b) при H=0 носит название  остаточной , а значение напряженности магнитного поля Н_с (точка с), при которой снимается остаточное намагничение, называют  коэрцитивной силой.  Величины Вr и Н_с относятся к основным характеристикам ферромагнетика. Если Н_c велика, ферромагнетик называется жестким. Для него характерна широкая петля гистерезиса. Ферромагнетик с малой Н_c (с узкой петлей) называется мягким.

Элементарная работа намагничивания единицы объема ферромагнетика может быть записана в виде: dA = HdB.

Следовательно, за один цикл перемагничивания в единицу объема ферромагнетика вводится энергия:

Q₁ = HdB

Отсюда Q ₁ численно равна площади петли гистерезиса, построенной в координатах В-Н. Эта энергия увеличивает внутреннюю энергию, ферромагнетик нагревается и тем больше, чем сильнее выражен гистерезис.