7355

Ферромагнетики. Энергия магнитного поля

Лекция

Физика

Тема: Ферромагнетики. Энергия магнитного поля Ферромагнетики. Опыты Столетова. Основная кривая намагничивания Кривая намагничивания ферромагнетика в переменном магнитном поле Магнитный гистерезис. Точка Кюри Доменная структура ферр...

Русский

2013-01-21

136.5 KB

122 чел.

Тема: Ферромагнетики. Энергия магнитного поля

  1.  Ферромагнетики. Опыты Столетова. Основная кривая намагничивания
  2.  Кривая намагничивания ферромагнетика в переменном магнитном поле Магнитный гистерезис. Точка Кюри
  3.  Доменная структура ферромагнетика, процесс намагничивания.
  4.  Спиновая природа ферромагнетизма.
  5.  Энергия магнитного поля.      

Объемная плотность энергии.      

  1.  Ферромагнетики. Опыты Столетова. Основная кривая намагничивания

Особый класс магнетиков образуют вещества, обладающие самопроизвольной (в отсутствие внешнего поля) намагниченностью. Наиболее распространенным представителем этого класса магнетиков является железо. Поэтому такие вещества получили название – ферромагнетики.

Ферромагнетики это вещества, в которых собственное магнитное поле может намного превышать вызвавшее его внешнее магнитное поле. Например, для железа это превышение может составлять 5∙103.

К ферромагнетикам кроме железа относятся никель, кобальт, гадолиний, ряд сплавов, а также некоторые металлические стекла.

Ферромагнетики обладают  следующими отличительными свойствами:

– нелинейная зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля. В переменном поле эта зависимость имеет вид замкнутой кривой (петли гистерезиса);

– большое значение магнитной проницаемости μ (для супермаллоя μ=8∙105) и ее сложная зависимость от напряженности магнитного поля;

–  наличие остаточной намагниченности;

–  наличие температуры Кюри, при которой исчезают ферромагнитные свойства;

– изменение линейных размеров и объема при намагничивании (магнитострикция).

Экспериментальное изучение магнитных свойств железа было начато российским ученым А.Г. Столетовым (1872 г.). Он исследовал зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля. В опытах Столетова кольцо из исследуемого материала использовалось в качестве сердечника трансформатора. Метод исследования заключался в измерении электрического заряда, протекающего по вторичной катушке трансформатора при изменении направления тока в первичной катушке. По измеренному значению q заряда рассчитывалось значение магнитной индукции В в сердечнике по формуле

, (1)

где R и N2 – электрическое сопротивление и число витков вторичной катушки, а S – площадь поперечного сечения сердечника. При известном значении силы тока в первичной обмотке и, следовательно, напряженности магнитного поля Н, определялись магнитная проницаемость  и намагниченность  железа.

В результате опытов Столетов установил зависимости намагниченности, магнитной индукции и магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля. На рисунке приводятся основные кривые намагничивания.

Начиная с некоторого значения напряженности Нн, намагниченность достигает насыщения Jн и дальше не изменяется. Так как , то после достижения насыщения магнитная индукция В увеличивается прямо пропорционально напряженности. Нелинейная зависимость μ от Н объясняется следующим образом. Магнитная проницаемость определяется формулой

. (2)

При малых значениях напряженности магнитная проницаемость резко возрастает т.к. J>>H. После достижения насыщения (Jн=const) при дальнейшем увеличении напряженности второе слагаемое формулы (2) стремится к нулю, и магнитная проницаемость стремится к единице.

Рассмотренные особенности намагничивания ферромагнетика показывают, что использование ферромагнетиков для получения сильных магнитных полей эффективно при значениях намагниченности, далеких от насыщения.

  1.  Кривая намагничивания ферромагнетика в переменном магнитном поле. Магнитный гистерезис. Точка Кюри

Изучая намагничивание ферромагнетика в переменном магнитном поле, Столетов обнаружил важное его свойство сохранять намагниченность после выключения внешнего поля. Существование остаточной намагниченности делает возможным изготовление постоянных магнитов.

Если намагниченность довести до насыщения, а затем уменьшать напряженность намагничивающего поля, то намагниченность будет изменяться не по первоначальной кривой 01, а по кривой 12. Т.е. при Н=0 в ферромагнетике наблюдается остаточная намагниченность Jост. Чтобы снять остаточную намагниченность необходимо изменить направление напряженности на противоположное. Остаточная намагниченность снимается при некотором значении напряженности Нс, которое называется коэрцитивной силой. Коэрцитивная сила характеризует способность ферромагнетика сохранять намагниченное состояние.

При дальнейшем изменении напряженности намагничивающего поля до –Ннас и далее до +Ннас получится замкнутая кривая, называемая петлей гистерезиса.

Аналогичная петля гистерезиса имеет место и для зависимости В от Н.

В зависимости от значения коэрцитивной силы ферромагнетики делятся на магнитно-мягкие и магнитно-твердые. К магнитно-мягким относятся материалы с малыми значениями коэрцитивной силы (Нк~0,8–8А/м). Такие ферромагнетики используются в качестве сердечников трансформаторов и т.д. Магнитно-твердые материалы характеризуются высокими значениями коэрцитивной силы (Нк~104–105А/м) и используются для изготовления постоянных магнитов.

Значения магнитной восприимчивости χ и проницаемости μ ферромагнетиков уменьшаются с увеличением температуры при любой напряженности намагничивающего поля, гистерезис ослабляется. При достаточно высокой температуре ферромагнитные свойства исчезают вовсе, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Значение температуры Тк, при котором вещество переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называется точкой Кюри. Каждый ферромагнетик имеет свою точку Кюри (например, у кобальта Тк=1403К, у железа Тк=1043К, у никеля Тк=631К). При охлаждении ниже точки Кюри ферромагнитное состояние вещества восстанавливается.

Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное состояние не сопровождается поглощением или выделением теплоты. Поэтому такой переход является примером фазового перехода второго рода.

Остаточная намагниченность ферромагнетика может быть снята ударом. Поэтому постоянные магниты нужно предохранять от ударов.

  1.  Доменная структура ферромагнетика, процесс намагничивания

Классическая теория ферромагнетизма была разработана фр. ученым П. Вейсом (1907г). Вейс предполагал, что при температурах ниже точки Кюри ферромагнетик «разбивается» на домены – малые области (10-6–10-4м) самопроизвольной намагниченности.

В отсутствие намагничивающего поля (Н=0) в пределах каждого домена вещество намагничено до насыщения. Однако векторы J намагниченности отдельных доменов ориентированы так (рис. а), что результирующая намагниченность вещества близка к нулю.

Процесс намагничивания ферромагнетика объясняется следующим образом.

С увеличением напряженности Н внешнего поля (рис. б) объем доменов типа 1 и 4, векторы J которых составляет меньший угол с вектором Н, увеличивается за счет доменов типа 2 и 3, у которых указанный угол больше. На этой стадии намагничивание является обратимым.

При дальнейшем увеличении напряженности поля (рис. с)  домены типа 2 и 3 исчезают вовсе. На этой стадии процесс становится необратимым. При последующем росте напряженности происходит вращение векторов намагниченности доменов, они устанавливаются вдоль вектора Н (рис. д) и наступает магнитное насыщение.

На участке наиболее крутого увеличения намагниченности наблюдается эффект Г. Баркгаузена (1919), который проявляется в скачкообразном изменении J при монотонном изменении Н. Эффект Баркгаузена объясняется тем, что дефекты строения кристаллов препятствуют плавному смещению границ доменов при увеличении напряженности поля.

При выключении внешнего поля после достижения насыщения, единственным фактором, влияющим на намагниченность J, остается тепловое движение атомов. Однако для «поворота» домена (совокупности атомов) требуется значительная энергия. Поэтому процесс размагничивания при обычных температурах затруднен. Размагничивание наступает при достаточно высокой температуре (точке Кюри).

  

  1.  Спиновая природа ферромагнетизма

В экспериментах А.Эйнштейна, де Гааза и Барнетта (1915г.) было найдено, что   гиромагнитное отношение для железа в два раза превышает значение  орбитального гиромагнитного отношения электрона. Это означало, что ферромагнитные свойства не связаны с орбитальным магнитным моментом электрона.

Исследованиями в атомной физике было установлено, что электрон обладает собственным моментом импульса – спином и связанным с ним спиновым магнитным моментом. Значение «собственного» гиромагнитного отношения электрона в точности совпадает со значением, найденным экспериментально. На этом основании был сделан вывод о том, что ферромагнитные свойства связаны со спиновым магнитным моментом электрона, т.е. ферромагнетизм имеет спиновую природу.

По современным представлениям природа ферромагнетизма объясняется следующим образом. В атомах ферромагнетиков имеются недостроенные электронные оболочки с нескомпенсированными спиновыми магнитными моментами. За счет обменного взаимодействия, спиновые магнитные моменты электронов соседних атомов в пределах домена выстраиваются параллельно. Так вещество в пределах домена оказывается намагниченным до насыщения. Возникновение сил обменного взаимодействия между элементарными частицами обсуждается в квантовой механике.

  1.  Энергия магнитного поля. Объемная плотность энергии

Вокруг проводника с током существует магнитное поле. При изменении силы тока в проводнике возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению. Следовательно, для изменения силы тока в проводнике необходимо совершить определенную работу против этой ЭДС. Названную работу можно формально определить следующим образом. За промежуток времени dt совершается работа

. (3)

Если в (3) учесть, что , то получим формулу для работы, которую нужно совершить против ЭДС самоиндукции, чтобы увеличить силу тока в цепи на величину dI

.(4)

Интегрированием выражения (4) в пределах от 0 до I при L=const, получим

.(5)

Совершенная работа превращается в энергию магнитного поля. В этом можно убедиться по равенству углов отклонения стрелки гальванометра при включении и выключении цепи. Поэтому для энергии магнитного поля проводника с током можно написать

. (6)

Выразим рассматриваемую энергию через характеристики поля. Рассмотрим соленоид с сердечником, для которого индуктивность равна  и магнитная индукция равна . Подставив последние формулы в выражение (6), получим формулу для энергии однородного магнитного поля в объеме V

.(7)

Поделив обе части выражения (7) на объем, получим формулу объемной плотности энергии магнитного поля

.(8)

Полученная формула справедлива для диа– и парамагнетиков, у которых магнитная индукция изменяется линейно с изменением напряженности поля.

Вопросы для самопроверки:

  1.  Перечислить отличительные свойства ферромагнетиков. Как объясняется нелинейная зависимость проницаемости  μ от Н напряженности у ферромагнетиков?
  2.  В каком случае не эффективно использовать ферромагнетик для получения сильного магнитного поля?
  3.  Какое свойство ферромагнетика характеризует коэрцитивная сила?
  4.  Что понимают под термином «точка Кюри»?
  5.  Что понимают под термином «домен»? Как в доменной теории объясняется намагничивание ферромагнетика во внешнем поле?
  6.  Как с помощью формулы объемной плотности энергии вычислить энергию некоторого объема неоднородного магнитного поля?


Н

0

1

2

4

Ннас

а)

б)

с)

д)

1

4

2

3

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

85467. Только тот, кто помнит о прошлом, достоин будущего. Сценарий внеклассного мероприятия, посвященного 70-й годовщине начала Великой Отечественной войны 90.5 KB
  Цель мероприятия: - создавать у учащихся целостное представление о Великой Отечественной войне, повышать мотивацию учащихся для получения новых знаний; воспитывать общечеловеческие ценности, чувство патриотизма, уважительное отношение к историческому наследию Украины, родного края, к старшему поколению...
85468. Гурток цікавої української мови. «У світі чарівних звуків та слів» 163 KB
  Звуки утворені із них слова та речення сприймаються нами як щось звичайне буденне пересічне. У світі чарівних звуків і слів гурток цікавої української мови Мета курсу: розширити і поглибити знання учнів з української мови; показати багатство і образність слова повести до скарбниці лексичних перлин що мають тільки їм властиву і неповторну будову та значення і разом з тим тісно повязаних між собою нитками походження звучання граматичних особливостей; переконати учнів що світ звуків і слів не менш цікавий ніж світ тварин і рослин...
85469. Щоб збулося все нівроку — з новим щастям, з Новим роком! 57 KB
  Мета: поповнити, систематизувати знання дітей про народні свята зимового циклу (Святвечір, Різдво, Святого Василя); ознайомити зі звичаями і обрядами, пов’язаними з цими святами; розвивати акторські здібності учнів, формувати естетичний смак; виховувати любов і пошану до традицій українського народу.
85470. Вправи на закріплення таблиці множення числа 5. Розв’язування задач на збільшення та зменшення числа в кілька разів 79.5 KB
  Розвязування задач на збільшення та зменшення числа в кілька разів. Закріплювати знання табличного множення числа 5; удосконалювати обчислювальні навички вміння розвязувати задачі на збільшення та зменшення числа в кілька разів; розвивати логічне мислення; формувати вміння давати оцінку своїм знанням...
85472. Характери та емоції 71 KB
  Вислови про добро дружбу працелюбність; штучні дерева; ялинка прикрашена надписами Ставлення до людей Ставлення до справи Ставлення до себе Ставлення до власності; новорічні іграшки кольоровий картон; паперові сніжинки словник про риси характеру; аркуш на якому написані людські емоції...
85473. Организация проектной деятельности в начальной школе 202 KB
  Проектная деятельность способствует формированию ключевых компетентностей учащихся подготовки их к реальным условиям жизнедеятельности. Девизом этой деятельности могут служить слова выдающегося немецкого драматурга и философа Г. Слайд 7 Метод проектов это один из методов интегрированного обучения учащихся который базируется на их самостоятельной мотивированной целенаправленной познавательной творческой деятельности.
85474. РОЛЬ РУССКИХ ПРАЗДНИКОВ В ФОРМИРОВАНИИ ЛИНГВОКУЛЬТУРОЛОГИЧЕСКОЙ КОМПЕТЕНЦИИ 74.5 KB
  На сегодняшнем уроке мы будем говорить об одном из самых ярких праздников русского народа - о Масленице Что вы знаете об этом празднике Ответы детей МОТИВАЦИЯ Просмотр мультфильма Ишь ты масленица Беседа Как вы думаете знала ли сторож что такое Масленица В какой конфуз она попала...
85475. «Ми творці життя – батьки і діти, невмирущий, мужній родовід» – до дня української родини 61.5 KB
  Мета: Формувати у студентів родинні почуття, прищепити відчуття приналежності до народу з міцним родовим корінням, багатими традиціями, звичаями; прослухати поезії та пісні про сенс людського життя, навчити студентів розуміти і збагачувати рідну мову; розвивати творчі здібності, активність, мислення...