Лабораторная работа №16: Исследование явления магнитного гистерезиса

Цель работы: изучение магнитных свойств веществ.

Оборудование: специальная экспериментальная установка для исследования магнитного гистерезиса, ЛАТР, осциллограф.

Краткая теория

Всякое вещество является магнетиком, т.е. способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Намагниченное вещество создает собственное магнитное поле , которое накладывается на внешнее , и их сумма дает результирующее поле в магнетике

. (16.1)

Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые токи. Каждый такой ток обладает магнитным моментом

, (16.2)

где I – сила тока,

– площадь контура, по которому протекает ток,

– единичная положительная нормаль к площади контура, связанная с направлением тока в контуре правилом правого винта.

В отсутствии внешнего поля молекулярные токи ориентированы беспорядочным образом, вследствие чего создаваемое ими в окружающем пространстве результирующее магнитное поле равно нулю. Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего магнетик намагничивается – его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля.

Для объяснения природы замкнутых внутримолекулярных токов можно воспользоваться моделью атома Бора, согласно которой электроны движутся в атоме по круговым орбитам. Если частота обращения электрона равна , то такое движение электрона эквивалентно существованию замкнутого тока силой , который создает магнитный момент .

Кроме описанного магнитного момента, обусловленного орбитальным движением электронов в атоме, каждый электрон, подобно его электрическому заряду, характеризуется собственным магнитным моментом , который называют также спиновым. Пренебрегая малым магнитным моментом ядра, можно утверждать, что магнитный момент атома складывается из орбитальных и спиновых моментов входящих в его состав электронов.

Намагничивание магнетика естественно характеризовать магнитным моментом единицы объема. Эту величину называют намагниченностью и обозначают буквой :

, (16.3)

где физически бесконечно малый объем, взятый вокруг рассматриваемой точки,

магнитный момент отдельной молекулы.

Величина, равная

(16.4)

называется напряженностью магнитного поля.

Намагниченность принято связывать не с индукцией, а напряженностью магнитного поля и в каждой точке магнетика

. (16.5)

В этом выражении безразмерная, характерная для данного магнетика величина, называемая магнитной восприимчивостью. Для слабомагнитных (неферромагнитных) веществ в не слишком сильных полях не зависит от Н.

Подставим (16.3) в (16.2) и после преобразования получим:

. (16.6)

Безразмерная величина

(16.7)

называется магнитной проницаемостью вещества.

Индукция собственного магнитного поля связана с индукцией внешнего поля

. (16.8)

Тогда индукция поля внутри магнетика

. (16.9)

Следовательно, магнитная проницаемость показывает, во сколько раз усиливается поле в магнетике.

По магнитным свойствам атомов все вещества можно разделить на диамагнетики и парамагнетики. В атомах диамагнетиков (вода, золото, графит, медь, серебро и др.) спиновые и орбитальные магнитные моменты электронов полностью уравновешивают друг друга и полный момент атома в отсутствие внешнего поля равен нулю. Во внешнем поле движение электронов изменяется (возникает прецессия электронных орбит), и атом приобретает магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю и называемый индуцированным. Поэтому у диамагнетиков < 0 и < 1. По порядку величины магнитная восприимчивость диамагнетиков составляет . Поэтому поле внутри диамагнетика уменьшается незначительно. Во внешнем неоднородном магнитном поле образцы диамагнетиков выталкиваются в область более слабого поля.

В атомах парамагнетиков (платина, алюминий, вольфрам, кислород, азот и др.) спиновые и орбитальные магнитные моменты электронов не скомпенсированы, и каждый атом обладает собственным магнитным моментом. Во внешнем магнитном поле в каждом атоме возникает индуцированный магнитный момент (направленный против поля), но одновременно происходит ориентация собственных моментов атома внешним полем. Обусловленное ориентацией магнитных моментов атомов увеличение индукции внешнего поля в парамагнетике преобладает, и магнитная восприимчивость парамагнетиков оказывается положительной, хотя и небольшой – . Во внешне неоднородном магнитном поле образца парамагнетиков втягиваются в область более сильного поля.

Ферромагнетиками называются вещества, сильно усиливающие внешнее магнитное поле. Для этих веществ 10³ - 10⁵ (железо, никель, кобальт и др.). Важное отличие ферромагнетиков заключается в том, что если парамагнитные или диамагнитные свойства веществ проявляются в любом агрегатном состоянии, то ферромагнитные свойства наблюдаются только у кристаллов. В жидком или газообразном состоянии ферромагнитные вещества ведут себя как обычные парамагнетики.

Намагниченность слабомагнитных веществ изменяется с напряженностью линейно, у ферромагнетиков эта зависимость является весьма сложной нелинейной функцией напряженности внешнего поля – рисунок 16.1.

Характерным свойством ферромагнетиков является гистерезис. Если довести намагничение до насыщения (когда намагниченность перестает возрастать) и затем уменьшать напряженность поля, то индукция следует не по первоначальной кривой намагничивания, а запаздывая по отношению к внешнему полю, изменяется таким образом, что когда напряженность внешнего поля станет равной нулю, намагничивание не исчезает и характеризуется величиной, которая называется остаточной индукцией , а намагниченность при этом называется остаточной намагниченностью.

Остаточная индукция обращается в ноль лишь под действием поля, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание, а напряженность этого поля называется коэрцитивной силой . Если коэрцитивная сила велика, ферромагнетик называется жестким и для него характерна широкая петля гистерезиса. Ферромагнетик с малой коэрцитивной силой (с узкой петлей гистерезиса) называется мягким. В зависимости от назначения берутся ферромагнетики с той или иной характеристикой. Так, для постоянных магнитов и в магнитных носителях информации употребляют жесткие ферромагнетики, а для сердечников трансформаторов – мягкие.

Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля, намагниченность (индукция) изменяется по сложной кривой, которая называется петлей гистерезиса.

Из результатов, полученных при изучении магнитомеханических явлений, следует, что ответственными за магнитные свойства ферромагнетиков являются собственные (спиновые) магнитные моменты электронов. При определенных условиях в кристаллах могут возникать обменные силы, которые заставляют магнитные моменты электронов выстраиваться параллельно друг другу. В результате возникают области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, которые называются доменами. В пределах каждого домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения, т.е. до максимально возможного значения намагниченности и обладает определенным магнитным моментом. Направление этих моментов для различных доменов различны, так что в отсутствии внешнего магнитного поля суммарный момент всего тела может быть равным нулю.

Действие поля на домены на разных стадиях процесса намагничивания оказывается различным. Вначале, в слабых полях, наблюдается смещение границ доменов, в результате чего происходит увеличение тех доменов, моменты которых составляют с вектором напряженности внешнего магнитного поля меньший угол, за счет доменов, у которых этот угол больше. С увеличением напряженности поля этот процесс идет все дальше и дальше, пока домены с меньшими указанными углами (обладающие в магнитном поле меньшей энергией) не поглотят целиком энергетически менее выгодные домены. На следующей стадии имеет место поворот магнитных моментов доменов в направлении поля. При этом моменты электронов в пределах домена поворачиваются одновременно, без нарушения их строгой параллельности друг другу. Эти процессы (исключая небольшие смещения границ между доменами в очень слабых полях) являются необратимыми, что и служит причиной гистерезиса.

Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура , при которой области спонтанного намагничивания распадаются и вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри и при температуре выше этой точки ферромагнетик становится обычным парамагнетиком, магнитная восприимчивость которого подчиняется закону Кюри – Вейсса

. (16.10)

При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри в нем снова возникают домены.