ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №24
Исследование свойств ферромагнитных материалов
Цель работы:
Изучить основные положения теории магнитного поля в ферромагнитных материалах.
Экспериментально определить кривую намагничивания конструкционного ферромагнитного материала.
Рассчитать значения коэрцитивной силы и остаточной индукции. По петле гистерезиса определить работу перемагничивания за один цикл при различных напряжениях питания.
1. Указания к работе
1.1. Ферромагнитные материалы
Материалы по своим магнитным свойствам делятся на ферромагнитные, парамагнитные и диамагнитные. Наибольшее применение в электротехнических устройствах находят ферромагнитные материалы или просто магнетики. К ним относят сплавы на основе железа, никеля, кобальта, гадолиния и других редкоземельных элементов, их соединения, а также сплавы и соединения марганца и хрома.
Результирующая индукция магнитного поля в магнетиках складывается из индукции B0 внешнего поля и индукции B' магнитного поля, порождаемого магнетиком:
|
B = B0 + B'. |
(1) |
Вводя понятие вектора намагниченности J, определяющего магнитный момент единицы объема вещества, получаем
|
B = 0(H + J), |
(2) |
где H - вектор напряженности магнитного поля;
0 - магнитная проницаемость вакуума (магнитная постоянная) 4.10-7 Гн/м.
Общепринятой является следующая форма записи для вектора магнитной индукции:
|
B = 0H, |
(3) |
где - относительная магнитная проницаемость среды.
Для ферромагнетиков значительно больше единицы. Для них характерно также и то, что магнитная проницаемость зависит от внешнего магнитного поля и от предыстории намагничивания данного образца. Даже в отсутствие внешнего магнитного поля они могут обладать намагниченностью. В этом ферромагнетики аналогичны сегнетоэлектрикам.
Подобно последним, кривая намагничивания ферромагнитного материала (зависимость B от H) имеет вид петли, называемой петлей гистерезиса ("гистерезис" - отставание) (рис.1).
Природа ферромагнетизма может быть рассмотрена только на основе квантовой механики. В рамках классической теории дается лишь качественное объяснение данного явления. В ферромагнетиках ответственными за их магнитные свойства являются собственные (спиновые) магнитные моменты электронов. В пределах макроскопических областей (порядка нескольких микрометров) магнитные моменты всех атомов ориентируются вдоль одного общего направления. Такие области называются доменами. В пределах домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом, но направление этого момента различно для различных доменов. Поэтому в отсутствие внешнего магнитного поля (и остаточной намагниченности) суммарный магнитный момент ферромагнетика равен нулю.
Рис.1. Кривая намагничивания.
Увеличение намагниченности при росте напряженности внешнего магнитного поля происходит в три этапа. На первом этапе при слабых полях происходит смещение границ и поворот граничных стенок, вследствие чего увеличиваются те домены, магнитные моменты которых составляют меньший угол с напряженностью магнитного поля за счет доменов, у которых этот угол больше (домены 1 и 3 на рис.2 увеличиваются за счет доменов 2 и 4). На втором этапе наблюдается полное исчезновение доменов с "невыгодной" ориентацией. На третьем этапе происходит постепенный поворот магнитных моментов всех доменов в направлении поля до тех пор, пока весь ферромагнитный материал не превратится в однодоменный кристалл и не будет достигнуто состояние насыщения.
Рис. 2. Доменная структура
У каждого ферромагнетика имеется определенная температура (точка Кюри ТC), при которой домены распадаются и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Для железа эта температура равна 768 0С. При охлаждении ниже точки Кюри в ферромагнетиках вновь создаются домены.
1.2. Кривая намагничивания.
Важнейшей характеристикой ферромагнитного материала является зависимость B = f(H), называемая кривой намагничивания. Впервые получена в 1871 г. русским физиком Столетовым А.Г.
Если ферромагнетик был первоначально размагничен (B = 0, H = 0), то его намагничивание идет по основной кривой ОА (рис.1). В точке А индукция BH и напряженность HH соответствуют состоянию магнитного насыщения. Если начать размагничивание материала, то оно будет происходить вдоль кривой ACDA'. При H = 0 намагниченность не исчезнет, а будет принимать значение, соответствующее отрезку ОС ( Br - остаточная индукция). Для ее уничтожения надо приложить поле с напряженностью H = HC (отрезок ОD). Величина HC называется коэрцитивной силой. В точке A' вновь достигается состояние насыщения. Дальнейшее перемагничивание будет происходить по кривой A'C'D'A. Замкнутая кривая зависимости B = f(H) называется петлей гистерезиса.
Площадь, ограниченная петлей гистерезиса, характеризует так называемые потери из-за гистерезиса в единице объема магнетика (нагревание материала) за один цикл перемагничивания.
