Вивчення магнітних властивостей феромагнетиків

 

Мета роботи - дослідження процесів намагнічування феромагнетиків у змінних магнітних полях, визначення величини залишкової індукції і коерцитивної сили, залежності магнітної проникності феромагнетиків від зовнішнього магнітного поля, визначення втрат енергії при перемагнічуванні.

Всі речовини за своїми магнітними властивостями діляться на діамагнетики, парамагнетикии і феромагнетики.

Діамагнетики- це речовини, сумарний магнітний момент атомів і молекул яких дорівнює нулю. Під дією зовнішнього магнітного поля в атомах діамагнетика виникає індукований магнітний момент, спрямований проти зовнішнього поля. Магнітна проникність таких речовин  і практично не залежить від температури.

Парамагнетики - це речовини, в яких магнітні моменти атомів і молекул не дорівнюють нулю. Тоді при внесенні в зовнішнє поле кожний атом (або молекула) буде поводитися як елементарний магнітик. Під дією зовнішнього поля ці магнітики будуть намагатися стати упорядкованими, тобто встановлюються уздовж поля. Після вимикання зовнішнього поля магнітні моменти одразу втрачають упорядковану орієнтацію завдяки тепловому руху .

Феромагнетизм  спостерігається в матеріалах, де як і в парамагнетиках, магнітні моменти молекул не індукуються, а існують незалежно від зовнішнього поля. Різниця полягає в тому, що у феромагнетиках моменти сусідніх атомів уже з самого початку орієнтовані один відносно одного. Це не означає, що феромагнетик у цілому однорідно намагнічений (наприклад, шматок м'якого заліза не є магнітом).Тобто найбільш вигідно в енергетичному сенсі, щоб зразок складався з великої кількості малих однорідно намагнічених областей (доменів). Усередині кожного домена намагніченість однорідна, але напрямок вектора цієї самодовільної (спонтанної) намагніченості змінюється від одного домена до іншого. Таким чином, у відсутності магнітного поля зразок у цілому не намагнічений (розміри доменів лежать у межах від  до  м).

Феромагнетики є сильномагнітними речовинами - їхнє намагнічення у величезне число разів (до ) перебільшує намагнічення парамагнетиків, крім того, намагнічення феромагнетиків не зникає після вимикання магнітного поля. До таких речовин відносяться елементи VIII групи періодичної системи елементів Д.І.Менделєєва  і деякі рідкоземельні елементи,  та їхні сплави. Феромагнетизм притаманний усім цим речовинам тільки в кристалічному стані й у певному інтервалі температур. При нагріванні їх вище деякої температури, що має назву температури Кюрі, феромагнетизм зникає, і речовина стає парамагнетиком.

Основні властивості феромагнетиків такі. Магнітна проникність феромагнетиків дуже залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля. Феромагнетики мають залишковий магнетизм, тобто вони можуть зберігати стан намагніченості і при відсутності поля, яке намагнічувало. Залишковий магнетизм є результатом магнітного гістерезису, що спостерігається при перемагнічуванні феромагнетика і виявляється в тому, що зміна намагніченості феромагнетика в змінному полі відстає від зміни напруженості поля, що намагнічує.

Криві, отримані при поступовому збільшенні поля (початковим є розмагнічений стан зразка), називаються основними кривими намагнічування (рис. 39.1, крива 0 - 1).

                                                                          

                                                                            

 

Рис.39.1

 

Характерне для феромагнетиків запізнення магнітної індукції в порівнянні із зовнішнім магнітним полем (гістерезис) графічно подано на рис. 39.1. Ця залежність називається петлею гістерезиса. Гістерезис обумовлений незворотністю процесів намагнічування, що і призводить до втрат енергії.

Для матеріалів, які застосовують для осердь, такі втрати призводять до зниження якості пристроїв, у яких вони використовуються, проте така незворотність іноді корисна, тому що саме завдяки їй матеріал залишається намагніченим після того, як поле, що його намагнічувало, стає рівним нулю, тобто цей матеріал стає постійним магнітом.

Розглянемо докладніше процес намагнічування феромагнетика. На рис. 39.1 показана залежність проекції вектора на напрямок зовнішнього магнітного поля  від проекції його напруженості Н. Зі збільшенням від до (ділянка 0-1), проекція  збільшується від 0 до . Це - основна крива намагнічування. При зменшенні напруженості поля від  до 0 проекція  убуває не до нуля, а до значення B_r (ділянка 1-2). При зміні напрямку поля і збільшенні його напруженості  буде зменшуватися і досягне значення  при  (ділянка 2-3), а при подальшому збільшенні напруженості поля за модулем до H_m  досягає значення -  (ділянка 3-4). При дальшій зміні проекції напруженості поля від    -  до +  проекція  змінюється від -  до +  , причому зміна відбувається за кривою 4 - 5 - 6 - 1. Таким чином, при зміні поля від +  до -  і від -  до +  залежність  від  описується замкненою кривою, що називається петлею гістерезиса. Величини B_r (залишкова індукція) і  (коерцитивна сила) є важливими характеристиками феромагнетика. Якщо коерцитивна сила велика, то феромагнетик називають магнітожорстким. Такі матеріали застосовують для виготовлення постійних магнітів. Феромагнетики з малою  називаються магнітом’якими, тому що вони легко розмагнічуються. Такі речовини застосовують для осердь трансформаторів, електромагнітів і т.д. 

Важливою характеристикою феромагнетиків є залежність магнітної проникності  від зовнішнього поля. З її допомогою можна вибрати оптимальні умови, при яких дану речовину можна використовувати з найбільшою користю. Залежність  для феромагнетиків визначають тільки для основної кривої намагнічування.

Процес намагнічування феромагнетика є незворотнім. Робота, необхідна для перемагнічування феромагнетика, пропорційна площі петлі гістерезиса.

 

Метод вимірювання

Електрична схема лабораторної установки наведена на рис.39.2.

 

 

Рис.39.2

 

Феромагнітне осердя у даній роботі має форму тороіда. Первинна обмотка тора з опором  при проходженні по ній струму  з частотою 50 Гц створює магнітне поле , де  - кількість витків на одиницю довжини в первинній обмотці. При цьому в осерді виникає індукція  .

У вторинній обмотці опір  і конденсатор застосовуються для синхронізації фаз напруг первинної і вторинної обмоток трансформатора. Напруга на конденсаторі , пропорційна індукції  в зразку:

,                                       (1)

 

де  - кількість витків у вторинній обмотці;

 - переріз тороіда.

 

Формулу (1) можна отримати так:

 

,           (2)

 

де  - заряд конденсатора,

 - струм у вторинній обмотці,

 - зміна магнітного потоку крізь вторинну обмотку.

Вважаючи , нехтуємо падінням напруги на всіх інших ділянках електричного ланцюга, крім , тому що опір  дуже великий.

Напруга  подається на - пластини осцилографа, а , що знімається з опору , який знаходиться в первинній обмотці, - на - пластини.  пропорційна силі струму в первинній обмотці, тобто напруженості магнітного поля:

 

,                           (3)

 

де  - кількість витків первинної обмотки,

   1₁ - її довжина.

За один період синусоїдальної зміни струму електронний промінь описує на екрані осцилографа повну петлю гістерезиса, що в точності повторюється в наступні періоди. Така петля називається динамічною петлею, на відміну від статичної, що утворюється при повільній зміні . Змінюючи за допомогою потенціометра  напруженість магнітного поля , можна одержати на екрані осцилографа сімейство петель гістерезиса, що різняться за своєю площею. Для побудови основної кривої намагнічування  треба визначити на осцилограмі координати вершин петель гистерезиса і визначити масштабні коефіцієнти по осях  і  залежно від показань вольтметра  й амперметра .

Для зміни струму  замість потенціометра  можна використовувати автотрансформатор. Масштаб зображення динамічної петлі гістерезиса визначається в такий спосіб. Миттєвому максимальному струму  в первинному ланцюзі відповідає максимальне значення напруженості магнітного поля:

 

.                          (4)

 

Підставляючи у цю формулу показання амперметра  і значення  і , вказані на робочому місці, обчислюємо . За допомогою міліметрового паперу вимірюємо відрізок  на осцилограмі і знаходимо горизонтальний масштаб петлі за формулою

.                                             (5)

 

З формули (2) знаходимо:

 

,                       (6)

 

де  - амплітудне значення напруги на вторинній обмотці, що відповідає максимальному значенню індукції ;

 - показання вольтметра, значення  вказані на робочому місці.

 

Вертикальний масштаб обчислюємо за формулою

 

,                                           (7)

 

де  вимірюється по осцилограмі і є довжиною відрізка .

 

Магнітні властивості феромагнетиків у змінних магнітних полях характеризуються динамічною магнітною проникністю

 

,                                   (8)

 

де магнітна стала Гн/м.                  

 

Площа динамічної петлі гістерезиса більше площі статичної петлі, тому що вона відповідає втратам енергії, що йде не тільки на магнітний гістерезис, але і на втрати на виникнення вихрових потоків і т.ін. Розмір втрат  за один цикл перемагнічення в перерахунку на одиницю об'єму осердя (зразка) чисельно дорівнює площі петлі гістерезиса:

,                                      (9)

 

де  - площа петлі гістерезисна;

   і  - масштабні коефіцієнти.

 

Прилади і приладдя

 

Джерело регульованої змінної напруги, трансформатор із досліджуваним зразком, осцилограф, амперметр, вольтметр, конденсатор і набір опорів (  і ).

 

Порядок виконання роботи

Ознайомитися з лабораторною установкою, визначити ціну поділок приладів і включити установку з дозволу викладача..

Регулюючи вертикальне й горизонтальне посилення, одержати на екрані осцилографа зображення петлі гістерезиса для максимального поля.

Зняти залежність показань вольтметра  від показань амперметра (значення величин брати за вказівками викладача), обчислити Н і В за формулами (4) і (6), дані занести в таблицю.

Перезняти зображення петлі гістерезиса для максимального поля на міліметровий папір із нанесеною на нього координатною сіткою.

Вимкнути осцилограф і джерело живлення.

Побудувати криву залежності  і петлю гістерезиса в координатних осях В і Н, використовуючи для обчислення масштабних коефіцієнтів h і b формули (5) і (7) і дані вимірювань.

Побудувати криву залежності , використовуючи формулу (8).

Знайти значення залишкової індукції B_r і коерцитивної сили .

Знайти величину енергетичних утрат за формулою (9).

№
	B	A	Тл	А/м	-
1
2
…

                                                                              

 

 

Контрольні запитання

Класифікація магнетиків.

Які властивості діа - і парамагнетиків?

Які властивості феромагнетиків?

У чому полягає явище магнітного гістерезиса?

Фізичний зміст площі статичної і динамічної петель гістерезиса.

Пояснити хід кривої .

Фізичний зміст вектора індукції магнітного поля .

Залишкова індукція і коерцитивна сила. Магнітом’які і магнітожорсткі феромагнетики.

Нарисувати і пояснити схему лабораторної установки.

Вивести формули для обчислення  і  у лабораторній роботі.

 

 

Список літератури

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2.- М.: Наука, 1978.

2. Зисман Г.А., Тодес А.М. Курс физики. Т.2.- М.:Наука,1972.

3. Базакуца В.А. и др. Лабораторный практикум по физике. Ч.2. - Харьков: Изд-во ХГУ,1969.

4. Фізичний практикум. За заг. ред. проф. В.П.Дущенка. Ч.2.- Київ, Вища школа, 1984.

 

 

Навчальне видання

 

 

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з розділу “Електрика і магнетизм” курсу фізики (для неелектротехнічних спеціальностей) (для студентів 1курсу денної і 2 курсу заочної форми навчання бакалаврів за напрямами: 0708 „Екологія”, 0921 „Будівництво”, 0926 „Водні ресурси”, 1004„Транспортні технології” і студентів 2 курсу заочної форми навчання бакалаврів за напрямами: 0906 „Електротехніка”, 0922„Електромеханіка”).

 

Укладачі: Катерина Юріївна Аксьонова,

Юрій Данилович Оксюк,

Євген Борисович Сидоренко

 

Редактор: М.З.Аляб'єв

 

 

План 2004, поз.388

_____________________________________________________________

Підп. до друку 13.02.04 Формат 60х84 1/16                     Папір офісний.

Друк на ризографі.          Умовн.–друк. арк. 2,8     Обл.–вид. арк. 3,8.

Зам. №                                Тираж 500 прим.             Ціна договорна

____________________________________________________________

61002, Харків, ХНАМГ,вул. Революції, 12

____________________________________________________________

Сектор оперативної поліграфіі при ІОЦ ХНАМГ

61002, Харків, вул. Революції, 12