Изучение гистерезиса ферромагнитных материалов (ФПЭ-07)

Цель работы – изучение гистерезиса ферромагнитных материалов, расчет и графическое построение основной кривой намагничивания, расчет работы перемагничивания и коэрцитивной силы.

Теоретическое введение

Все вещества обладают магнитными свойствами, т.е. являются магнетиками. По своим магнитным свойствам магнетики делятся на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Всякая среда при внесении её в иагнитное поле намагничивается в той или иной степени, то есть создаёт своё собственное магнитное поле, накладывающееся на внешнее поле.

Количественной характеристикой намагниченного состояния вещества служит векторная величина – намагниченность , равная магнитному моменту единицы объема магнетика:

, (16.1)

где ∆V – малый объем магнетика; – сумма магнитных моментов всех атомов в объеме ∆V. Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля:

, (16.2)

где χ – коэффициент пропорциональности, называемый магнитной восприимчивостью вещества. Магнитные свойства вещества характеризуются также магнитной проницаемостью μ, показывающей, во сколько раз индукция магнитного поля в веществе (В) больше, чем в вакууме (В₀):

. (16.3)

Найдем связь между χ и μ.

В отсутствие магнетика магнитное поле создается только макротоками (токами проводимости); по определению (16.3) μ=1. Индукция магнитного поля в вакууме связана с напряженностью формулой:

. (16.4)

Напряженность магнитного поля – характеристика магнитного поля, описывающая только поле макротоков.

В магнетике, кроме поля макротоков, появляется еще индукция поля, созданного самим намагниченным веществом – микротоками (по Амперу, молекулярными токами) , пропорциональная вектору намагниченности:

. (16.5)

Полная индукция по принципу суперпозиции , а с учетом (16.2), (16.4) и (16.5):

. (16.6)

По определению (16.3) , то есть , и, сравнивая это выражение с (16.6), получим:

. (16.7)

В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все вещества делятся на три группы:

1. Диамагнетиками являются вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции намагничивающего поля (J<0, χ<0, |χ|≈10^-6÷10^-8).

К диамагнетикам относятся вещества, магнитные моменты атомов, молекул или ионов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярные водород и азот, висмут, цинк, медь, золото,…

Диамагнетизм объясняется либо откликом на внешнее магнитное поле электронных оболочек атомов, либо откликом обобществлённых электронов проводимости (металлы). Эффект диамагнетизма есть не что иное, как электромагнитная индукция на уровне электронных (по Амперу, молекулярных) токов, присущих всем веществам.

2. Парамагнетики – вещества, у которых при отсутствии внешнего поля магнитные моменты атомов или молекул отличны от нуля: . Однако вследствие хаотической ориентации магнитных моментов атомов или молекул намагниченность отсутствует: . Во внешнем магнитном поле магнитные моменты вещества стремятся сориентироваться в направлении поля, в результате чего J>0 и χ>0 (χ≈10^-4÷10^-6). У парамагнетиков ориентация магнитных диполей происходит только за счёт внешнего поля на фоне теплового движения, и степень её обычно невелика.

Поскольку магнитная восприимчивость диа- и парамагнетиков очень мала, эти вещества относятся к слабомагнитным. Для них .

3. Ферромагнетики – твёрдые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры.

Ферромагнетики, в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков, являются сильно магнитными средами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее поле. Такими свойствами обладают кристаллы переходных металлов (железо, кобальт, никель), некоторые редкоземельные элементы, ряд сплавов, а также некоторые металлические стёкла.

Ферромагнетики характеризуются следующими свойствами:

а) Если у пара- и диамагнетиков |μ–1|<<1, то у ферромагнетиков значение магнитной проницаемости достигает величин порядка μ≈10⁴ и более.

б) Если у диа- и парамагнетиков зависимость линейна и однозначна, то у ферромагнитных материалов она не только нелинейна, но зависит от предыстории образца. В частности, ферромагнетики могут существовать в виде постоянных магнитов.

в) В отличие от диа- и парамагнетизма, явление ферромагнетизма не может быть смоделировано в рамках классической физики; природа его – исключительно квантовая.

Ферромагнетизм обусловлен упорядоченной ориентацией спиновых магнитных моментов. Часть ферромагнетика, в которой все магнитные моменты при отсутствии внешнего поля устанавливаются в одном направлении, называется доменом (рис. 16.3,а). Домен обладает магнитным моментом . Размеры доменов составляют l=10^-8÷10^{-6 м. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитный момент ферромагнетика вследствие хаотической ориентации намагниченности различных доменов.}

Между доменами А и В имеются переходные слои С (рис. 16.3, б) шириной l_перех.=10^-9…10^{-8 м. Внутри переходного слоя магнитные спиновые моменты ионов поворачиваются до тех пор, пока не примут нужного направления. Во внешнем магнитном поле переходные слои разрушаются. Магнитные моменты отдельных доменов поворачиваются в направлении магнитного поля (рис. 16.3, в).}

Зависимость намагниченности J магнетиков от напряженности Н внешнего магнитного поля изображена на рис. 16.4. Нелинейная область I отражает процесс ориентации доменов в ферромагнетиках в направлении внешнего поля при возрастании напряженности Н. В сильных полях (область II) наступает магнитное насыщение, и намагниченность практически не зависит от напряженности поля Н. Кривая зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля носит название основной кривой намагничивания. Для пара- и диамагнетиков зависимость линейная.

Рис.16.4 Рис.16.5

Главная характеристика любого ферромагнетика – кривая гистерезиса, в котором проявляется зависимость намагниченности от предшествующего состояния. При циклических изменениях величины и направления напряженности внешнего поля Н эта зависимость характеризуется кривой, называемой петлей гистерезиса (рис. 16.5, кривые 1, 2, 3). Если ферромагнетик был первоначально размагничен (В=0, Н=0), то его намагничивание происходит по основной кривой намагничивания ОА. В точке А напряженность Н_Н и индукция В_Н соответствует состоянию магнитного насыщения. Размагничивание ферромагнетика происходит по кривой 1 (A-B_r-H_C-A¢). При Н=0 намагниченность ферромагнетика не исчезает: В= B_r.

Это состояние называется остаточным магнетизмом. Напряженность (–Н_С), при которой исчезает остаточная намагниченность (В=0, Н=–Н_С), принято называть коэрцитивной силой. Если при циклическом намагничивании H_max≥H_c, то мы получаем максимальную петлю гистерезиса 1. Кривые 2 и 3 – это частные циклы, когда H_max<H_c. Максимумы В и Н частных циклов лежат на основной кривой намагничивания ОА. Условно принято считать ферромагнетики магнитожесткими, если А/м. Если А/м, ферромагнетики считаются магнитомягкими. Магнитная проницаемость μ ферромагнетика зависит от напряженности магнитного поля Н (рис. 16.6). Магнитная проницаемость достигает максимума, когда напряженность Н внешнего поля становится равной напряженности Н_н, при которой домены максимально ориентируются по направлению поля (рис. 16.3, в) и при этом достигается магнитное насыщение образца. В табл. 16.1 приведены характеристики некоторых ферромагнетиков и ферритов.

Таблица 16.1

Вещество	mmax	Hс, А/м	Br, Тл
Железо техническое Супермаллой Сталь кобальтовая Феррит никель-цинковый	-	0.16	0.06 - 0.9 -

Нагревание ферромагнетика может привести к разрушению доменной структуры вследствие теплового движения атомов, тогда ферромагнетик теряет ферромагнитные свойства и превращается в парамагнетик. Температура, соответствующая такому переходу, называется точкой Кюри: Т_с.

Экспериментальная часть

Приборы и оборудование: звуковой генератор ГС-118 (PQ, рис.16.7 и 16.8), электронный осциллограф С1-150 (РО), модуль “явление гистерезиса” ФПЭ–07.