Цель:
1. Освоение метода наблюдения петли магнитного гистерезиса с помощью электронного осциллографа.
2. Снятие кривой намагничивания ферромагнетика.
3. Определение остаточной индукции и коэрцитивной силы ферромагнетика.
4. Определение магнитной проницаемости ферромагнитного образца.
Приборы и принадлежности:
1. Установка для изучения характеристик ферромагнетика.
2. Набор ферромагнитных образцов.
3. Электронный осциллограф.
Теоретическое введение
Магнитное состояние вещества объясняется его внутренним строением: типом атомов и молекул и их взаимодействием друг с другом. Магнитный момент атома 
суммируется из магнитных моментов электронов 
и магнитного момента ядра 
; причем 
. Магнитный момент электрона определяется характером его движения вокруг ядра, т. е. орбитальным магнитным моментом 
и спиновым магнитным моментом 
. Поэтому
, (1)
где 
— число электронов в атоме.
Главной характеристикой магнитного состояния веществ является вектор намагничивания:
. (2)
Вектор намагничивания — геометрическая сумма магнитных моментов атомов или молекул единицы объема вещества.
Единицей измерения вектора намагничивания является 1 А/м. Вектор намагничивания зависит от рода вещества и вектора напряженности внешнего магнитного поля Н:
, (3)
где 
— магнитная восприимчивость вещества. Магнитное состояние вещества характеризуется также вектором индукции В:
, (4)
где 
- магнитная постоянная, определяющая абсолютную магнитную проницаемость вакуума и равная 
Гн/м;
- относительная магнитная проницаемость вещества, связанная с магнитной восприимчивостью соотношением 
В зависимости от знака магнитной восприимчивости вещества различают диамагнитные, у которых 
, и парамагнитные, у которых 
. Магнитная восприимчивость вакуума равна 0, и магнитная проницаемость равна 1. В зависимости от величин магнитных проницаемости - или восприимчивости 
. вещества делят на три группы:
1) диамагнетики, имеющие 
;
2) парамагнетики, имеющие 
;
3) ферромагнетики, имеющие 
.
Первые две группы образуют класс слабомагнитных веществ, третья группа представляет собою класс сильномагнитных веществ.
Ферромагнетики — в широком смысле есть класс парамагнетиков, намагничивающихся во внешнем магнитном поле по направлению этого поля, в узком смысле — класс веществ, обладающих рядом отличительных особенностей. К этим особенностям относятся:
— кристаллическое состояние вещества;
— аномально большое значение магнитной проницаемости (порядка 
);
— нелинейный характер зависимости вектора намагничивания от напряженности внешнего магнитного поля;
— гистерезис магнитных свойств, существование остаточного намагничивания 
и коэрцитивной силы 
;
— зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля, 
— кривая Столетова;
— зависимость магнитной проницаемости от температуры 
, существование точки Кюри 
.
Яркими представителями ферромагнитных веществ являются Fe-26, Co-27, Ni-28. К сильномагнитным веществам относятся также ферриты, антиферромагнетики и антиферримагнетики.
Квантовая природа ферромагнетизма по s-d-обменной модели обусловлена параллельной ориентацией спинов электронов на внутренних незаполненных слоях атомов кристалла. Параллельная ориентация спинов электронов приводит к состоянию сильного намагничивания вещества. Однако при отсутствии внешнего магнитного поля кристаллу в целом быть однородно намагниченным энергетически невыгодно. Поэтому кристалл разбивается на домены. Домены—области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания. Поведение векторов намагничивания в доменах и границ между доменами определяют процессы перемагничивания ферромагнетиков во внешнем переменном магнитном поле.
Процесс перемагничивания удобно проследить по кривой зависимости вектора магнитной индукции В вещества от напряженности 
внешнего магнитного поля. Эту кривую называют петлей гистерезиса. Ее вид изображен на рис. 1. Когда напряженность
Рис. 1
внешнего поля равна нулю, намагничивание не исчезает и характеризуется величиной 
, которая называется остаточной индукцией. Намагничивание обращается в нуль лишь под действием поля , имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Напряженность называется коэрцитивной силой. При действии на ферромагнетик переменного магнитного поля индукция изменяется в соответствии с кривой 1—2—3— 4—5—1.
Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура 
, при которой области спонтанного намагничивания распадаются и вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри. При температуре выше точки Кюри ферромагнетик становится обычным парамагнетиком и петля гистерезиса исчезает.
Описание установки и методика проведения работы
Электрическая схема установки по изучению свойств ферромагнетика приведена на рис.2. Установка состоит из испытуемого образца в виде тора с двумя обмотками 
и 
, интегрирующей цепочки 
, электронного осциллографа ЭО, амперметра А, вольтметра V, сопротивления 
и реостата R. Ферромагнитный образец представляет собою сердечник тороида. Для наблюдения на экране осциллографа петли гистерезиса на горизонтально отклоняющие пластины подается напряжение, пропорциональное напряженности магнитного поля и на вертикально отклоняющие пластины подается напряжение пропорциональное магнитной индукции.
Намагничивающая обмотка N1 питается переменным током. Реостат R служит для регулировки тока, протекающего по намагничивающей обмотке N 1. Сила тока I, проходящего по намагничивающей катушке, измеряется амперметром А. Падение напряжения на сопротивлении подается на усилитель, выход которого подключается к пластинам осциллографа, отклоняющим электронный луч в горизонтальном направлении. Напряженность магнитного поля H определяется силою тока I, проходящего по намагничивающей катушке с числом витков N1:
, (5)
где l – длина тороида.
Рис.2.
Во вторичной обмотке с числом витков N2 наводится эдс индукции:
(6)
где 
скорость изменения индукции В магнитного поля со временем t,
S – площадь поперечного сечения тороида.
На выходе вторичной обмотки включается интегрирующая цепочка , у которой 
, вследствие чего ток 
, протекающий через емкость, определяется формулой
, (7)
Сопротивление 
выбирается достаточно большим, чтобы его включение в цепь обмотки не вызвало падения напряжения в ней. Напряжение U, измеряемое вольтметром V, с емкости С подается через усилитель на пластины осциллографа, отклоняющие электронный луч в вертикальном направлении.
Напряжение на конденсаторе U определяется следующим образом:
(8)
Индукция В магнитного поля рассчитывается по формуле:
(9)
Зная параметры установки, измеряя значения силы тока I на намагничивающей катушке N2 и напряжения U на конденсаторе С, можно рассчитать напряженность Н и индукцию В магнитного поля в исследуемом ферромагнитном образце.
Рис. 3.
Таким образом, на горизонтальные пластины осциллографа подается напряжение, пропорциональное Н, на вертикальные – пропорциональное В, в результате чего за один период изменения переменного тока электронный луч на экране отобразит кривую зависимости индукции В = В (Н) – петлю гистерезиса. При различных значениях напряженности Н магнитного поля наблюдаются различные петли гистерезиса. Увеличивая от нуля силу тока I в намагничивающей обмотке N1, получают семейство петель гистерезиса (см. рис. 3). Верхняя точка петли гистерезиса лежит на кривой намагничивания. Значит, для построения кривой намагничивания достаточно определить значения Н и В вершин петель гистерезиса от Н = 0 до насыщения намагничивания.
Порядок выполнения работы
1. Включить осциллограф в электросеть, поставив тумблеры „Сеть" и "Луч" в положение „ВКЛ.". Через некоторый интервал времени на экране осциллографа должна появиться светящаяся точка.
2. Включить переменное напряжение 15 В.
3. Реостатом R, изменяя силу тока в намагничивающей обмотке, проследить за изменением формы петли гистерезиса в зависимости от величины напряженности перемагничивающего магнитного поля.
4. Пользуясь реостатом R, получать на экране петли гистерезиса при постепенно увеличивающейся силе тока I в намагничивающей обмотке N1. Для каждой петли гистерезиса снимать значения силы тока I по показаниям амперметра А и напряжения U по показаниям вольтметра V. Получаемые значения вносить в табл. 1.
При достижении насыщения намагничивания зарисовать форму петли магнитного гистерезиса и осевые линии сетки экрана
Обработка результатов измерений
1. По формуле (5) вычислить значения напряженности Н магнитного поля. Значения силы тока I взять из табл.1. Значения числа витков N1 и длины тороида l взять из паспортных данных экспериментальной установки. Результаты расчетов внести в табл. 1.
2. По формуле (9), используя данные напряжения U из табл.1 и параметры установки N2, R2, C и D (диаметр тороида) вычислить значения индукции В магнитного поля. Полученные значения внести в табл. 1.
3. По форме петли гистерезиса, полученной при насыщении намагничивания, используя масштаб рисунка петли и максимальные значения Н и В, найти значения остаточного намагничивания Вr и коэрцитивной силы Нс ферромагнетика.. Результаты вычислений внести в табл..1.
4. По данным табл. 1 построить кривую намагничивания ферромагнетика В = В (Н).
5. По значениям В и Н по формуле (4) рассчитать магнитную проницаемость 
ферромагнетика.
6. Построить кривую зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля = f (Н) - кривую Столетова.
Таблица 1
| № | I, А | Н, А/м | U, В | В, мТл | Нс, А/м | Вr мТл |
|
| 0.1 | 0.37 | ||||||
| 0.2 | 0.92 | ||||||
| 0.3 | 2.77 | ||||||
| 0.4 | 6.46 | ||||||
| 0.5 | 9.23 | ||||||
| 0.6 | 10.15 | ||||||
| 0.7 | 11.08 | ||||||
| 0.8 | 11.62 | ||||||
| 0.9 | 11.96 | ||||||
= Гн/м;
,
Контрольные вопросы:
1. Дайте определения вектора намагничивания.
2. Назовите типы магнитных веществ и дайте их краткую характеристику. Перечислите отличительные особенности ферромагнетиков.
3. Объясните природу ферромагнетизма на основании квантовой s-d-обменной модели. Укажите два критерия ферромагнетизма.
4. Объясните процесс перемагничивания. на основании петли гистерезиса. Что такое остаточная индукция, коэрцитивная сила?
5. Объясните зависимость магнитных свойств ферромагнетиков от температуры. Что такое точка Кюри?
6. Укажите примеры использования магнитных материалов в технических устройствах.
Вывод: Данная работа позволяет исследовать свойства ферромагнетика с помощью петли гистерезиса. В точке В сердечник достигает насыщения (практически все домены выстроены по полю). Соответственно процесс образования петли гистерезиса можно получить, если постепенно увеличивать силу тока I. Индукция внешнего поля будет нарастать пропорционально силе тока, полная индукция будет возрастать по кривой АВ. Если уменьшить индукцию внешнего поля, уменьшая силу тока до нуля, домены не полностью разупорядочатся, и сердечник сохранит постоянный магнетизм – СА – это значение Br, которое мы определили из изображения петли магнитного Гистерезиса. Если изменить направление тока в обмотке, то все домены будут переориентированы, так что B=0, а отрезок DA соответствует коэрцитивной сила Hc, при этом остаточная намагниченность обращается в ноль. Значение магнитной проницаемости m для ферромагнетиков много больше m0. А подобном цикле большое количество энергии переходит в тепло, из-за трения при переориентации доменов.