Описание метода исследования
Согласно выражению (11.2) при T = 0 К намагниченность насыщения 
(индекс «s » (saturation) означает, что величины относятся к состоянию насыщения ферромагнетика) имеет вид
. (11.3)
Так как 
, то
. (11.4)
Магнитную индукцию насыщения 
можно найти экстраполяцией графика её температурной зависимости 
в область абсолютного нуля температуры.
В работе Э-8 описан метод определения индукции магнитного поля в ферромагнетике с помощью предельной петли гистерезиса, и получена формула (8.9) для магнитной индукции насыщения в вершине петли гистерезиса
, (11.5)
где
(11.6)
– коэффициент, зависящий от параметров установки, 
– действующее значение выходного напряжения интегратора.
Для построения графика зависимости магнитной индукции насыщения от температуры ферромагнетика измеряют напряжение при нагревании образца. По мере роста температуры индукция насыщения (а значит и выходное напряжение интегратора) уменьшается, а напряжённость магнитного поля остаётся постоянной, так как она от температуры не зависит. При этом площадь петли гистерезиса уменьшается и по достижении температуры Кюри петля вырождается в прямую линию. В эксперименте получают зависимость , вид которой показан на рис. 11.1. Участок кривой (1–N ) проводят по опытным точкам. При этом ось температуры на графике начинается с 0 К. Для определения из точки 1 продолжают зависимость до T = 0 К двумя линиями: проводят нормаль к оси 
и касательную к кривой на начальном участке. Точки пересечения этих линий с осью дают интервал 
, внутри которого лежит искомая величина
. (11.7)
Используя найденное значение , можно по формуле (11.4) найти намагниченность 
при насыщении, а затем с помощью соотношения (11.1) – величину магнитного момента 
молекулы ферромагнетика:
. (11.8)
По графику зависимости можно также определить температуру Кюри T К данного ферромагнетика. Если последняя экспериментальная точка N близка к оси температур, то при нагревании была достигнута температура Кюри; при этом точка пересечения опытной кривой с осью T (где = 0) дает значение T К. Если же последняя экспериментальная точка отстоит далеко от оси температур, то температуру Кюри находят путём экстраполяции опытной зависимости до значения = 0. Для этого, аналогично описанному выше, продолжают кривую из конечной точки N до оси температур двумя линиями (касательной к кривой и нормалью к оси), и по найденному интервалу D T оценивают в первом приближении значение температуры Кюри T К:
. (11.9)
Описание установки
Оборудовани е: генератор сигналов специальной формы, генератор регулируемого постоянного напряжения, мультиметры, осциллограф, миниблоки «Сопротивление» 100 Ом, «Интегратор тока», «Точка Кюри».
Электрическая схема цепи представлена на рис. 11.2, монтажная – на рис. 11.3.
 |
Рис. 11.2. Электрическая схема:
1 – генератор сигналов специальной формы; 2 – миниблок «Сопротивление» 100 Ом; 3 – тороид с первичной N 1 и вторичной N 2 обмотками; 4 – миниблок «Точка Кюри»; 5 – демпферный ключ; 6 – интегратор; 7 – миниблок «Интегратор тока» (положение тумблера «Сброс»); 8 – электронагреватель; 9 – источник регулируемого постоянного напряжения 0 … +15 В; 10 – термопара; 11 – мультиметр (режим °С, входы ТЕМР); 
– напряжение на входе Xосциллографа; 
– напряжение на входе Yосциллографа; 12 – мультиметр (режим V~ 2, входы COM, V W)
Первичная N 1 и вторичная N 2 обмотки намотаны на ферромагнитный кольцевой сердечник 3. Первичную обмотку, по которой протекает переменный ток, используют для намагничивания ферромагнетика и по её параметрам определяют напряжённость магнитного поля H. Вторичная обмотка предназначена для измерения индукции B магнитного поля в сердечнике. Для этого напряжение с интегратора тока 7 измеряется вольтметром 12 и подаётся на входYосциллографа для наблюдения петли гистерезиса на его экране. Электронагреватель 8 нагревает исследуемый ферромагнетик. Рядом с ним расположена термопара 10, предназначенная для измерения температуры образца с помощью мультиметра 11.
Выполнение работы
1. Заполнить табл. 11.1 (см. бланк отчёта).
2. Собрать электрическую цепь по монтажной схеме, приведённой на рис. 11.3.
Рис. 11.3. Монтажная схема:
ЭО – электронный осциллограф; 2, 4, 7, 11, 12 – см. рис. 11.2
3. Переключатель рода работ мультиметра 12 (рис. 11.3) перевести в положение «V~ » и установить предел измерения «2 V », а мультиметр 11 – в режим «°С ».
4. Коаксиальный кабель подключить к входу осциллографа «СН2 (Y)», красный штекер кабеля соединить через наборное поле с выходом интегратора С, а синий – с шиной наборного поля «
» («земля»). Второй кабель подключить к входу «СН1 (Х)» осциллографа, красный штекер кабеля соединить с входом А миниблока «Реостат», а синий – с шиной наборного поля « » («земля»).
5. Установить переключатели и регуляторы, расположенные на лицевой панели осциллографа, в положения, указанные в табл. 8.4 на рис. 8.11, если используется осциллограф «MOS-620», или в табл. 8.5 на рис. 8.12, если используется осциллограф «GOS-625» (см. л.р. Э-8).
6. Кнопками «СЕТЬ» включить питание блоков генераторов напряжений и мультиметров. Нажать кнопку «Исходная установка». Установить режим синусоидального напряжения. Установить в положение «Сброс» демпферный ключ миниблока «Интегратор тока». Кнопками «Установка частоты 0,2 – 20 кГц» на ГССФ установить частоту 500 Гц.
7. Включить кнопку «POWER» («СЕТЬ»), расположенную на панели осциллографа под экраном, при этом должен зажечься светодиодный индикатор. При помощи регуляторов «INTEN» и «FOCUS», расположенных там же, установить соответственно оптимальную яркость и фокусировку луча.
Внимание! Для предотвращения повреждения люминофора электронно-лучевой трубки не устанавливайте чрезмерную яркость луча и не оставляйте без необходимости длительное время неподвижное пятно на экране.
С помощью регуляторов «
POSITION 
» и «POSITION 
» вывести электронный луч в центр координатной сетки экрана.
8. Кнопкой 
«Установка уровня выхода 0 … 15 В» генератора сигналов специальной формы увеличивать ток I 1 в первичной обмотке до получения на экране осциллографа изображения предельной петли гистерезиса. Петля считается предельной, если у неё появляются «усы» и рост тока не приводит к увеличению её площади.
9. Медленно вращая по часовой стрелке регулятор 15 «VOLTS/DIV» (MOS-620) или 11 «VAR» (GOS-625) на панели осциллографа, увеличить вертикальный размер петли примерно до 8 больших делений масштабной сетки экрана.
10. Медленно вращая по часовой стрелке регулятор 6 «VOLTS/DIV» (MOS-620) или 7 «VAR» (GOS-625) на панели осциллографа, увеличить горизонтальный размер петли примерно до 10 больших делений масштабной сетки экрана.
11. Регуляторами осциллографа « POSITION » и «POSITION » установить петлю симметрично относительно центра координатных осей Х-Y.
12. Измерить температуру t ºC сердечника и напряжение на выходе интегратора , соответствующие магнитной индукции насыщения . Результаты измерений записать в табл. 11.2 (см. бланк отчёта).
13. Кнопками «Установка напряжения 0 … +15 В» регулируемого источника постоянного напряжения выставить по световому индикатору максимальное напряжение на электронагревателе.
14. По мере нагревания образца через каждые 10º С, а начиная с 50º С – через каждые 5º С, измерять температуру t ºC и напряжение до тех пор, пока петля гистерезиса не превратится в прямую линию. Результаты измерений записать в табл. 11.2.
15. Выключить из сети блоки питания генераторов напряжений и мультиметров.
Обработка результатов измерений
1. Рассчитать по формуле (11.6) коэффициент k, зависящий от параметров установки.
2. По данным табл. 11.2 рассчитать по формуле (11.5) значения магнитной индукции насыщения для каждой температуры.
3. Используя результаты расчетов табл. 11.2, построить график зависимости , начиная ось температур с 0 К.
4. По графику определить температуру Кюри и значение (см. рис. 11.1 и описание метода измерений).
5. С помощью формулы (11.4) рассчитать намагниченность насыщения , а из выражения (11.8) – магнитный момент молекулы ферромагнетика . В данной работе ферромагнитный образец (сердечник тороида) выполнен из сплава Mn–Zn, для которого концентрация молекул n = 1,4×1028 м–3.
6. Оформить отчет о выполнении работы в соответствии с прилагаемым образцом. В выводе по работе сделайте анализ полученных данных:
а) пояснить, как изменение намагниченности сердечника по мере роста его температуры отражается на форме петли гистерезиса;
б) сравнить магнитный момент молекулы исследуемого ферромагнетика с величиной спинового магнитного момента электрона, равной магнетону Бора mБ = 0,927×10–23 А/м2.
ОТЧЁТ
По лабораторной работе
«Определение точки Кюри и магнитного момента