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

106 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

10785. Настройка конфигурации BIOS 351 KB
  Настройка конфигурации BIOS: Метод. указания к лаб. работе по дисциплине Вычислительные машины системы и сети/ Воронеж. гос. ун. инж технол. Сост. Е.А. Хромых И.А. Козенко. Воронеж 2011. 32 с. Указания разработаны в соответствии с требованиями ФГОС ВПО подготовки бакалавров п
10786. Настройка и конфигурирование локального компьютера с ОС Windows XP 700.5 KB
  Настройка и конфигурирование локального компьютера с ОС Windows XP: Метод. указания к лаб. работе по дисциплине Вычислительные машины системы и сети/ ВГУИТ.; Сост. Е.А. Хромых Е. А. Шипилова А.Г. Ашков. Воронеж 2012. 32 с. Указания разработаны в соответствии с требованиями предъ
10787. Установка сетевой операционной системы 305.5 KB
  Установка сетевой операционной системы: Метод. указания для выполнения лаб. работ по курсу Вычислительные машины системы и сети / ВГУИТ, Сост. Г.В. Абрамов А.А. Хвостов Е.А. Хромых. Воронеж 2012. 32 с. Указания разработаны в соответствии с требованиями предъявляемыми квали...
10788. Модели жизненного цикла ПО 48 KB
  Модели жизненного цикла ПО Стандарт ISO/IEC 12207 не предлагает конкретную модель ЖЦ и методы разработки ПО под моделью ЖЦ понимается структура определяющая последовательность выполнения и взаимосвязи процессов действий и задач выполняемых на протяжении ЖЦ. Модель ЖЦ зав...
10789. Каскадная модель ЖЦ ПО 62.44 KB
  Каскадная модель ЖЦ ПО Классическая каскадная модель несмотря на полученную в последнее время негативную оценку исправно служила специалистам по программному инжинирингу многие годы. Понимание ее сильных сторон и недостатков улучшает оценочный анализ других зачаст...
10790. Спиральная модель ЖЦ ПО 62.61 KB
  Спиральная модель ЖЦ ПО Спиральная модель воплощает в себе преимущества каскадной модели. При этом в нее также включены анализ рисков управление ими а также процессы поддержки и менеджмента. Здесь также предусмотрена разработка программного продукта при использовани...
10791. Диаграммы потоков данных DFD 31.51 KB
  Диаграммы потоков данных DFD В основе данной методологии методологии Gane/Sarson [11] лежит построение модели анализируемой ИС проектируемой или реально существующей. В соответствии с методологией модель системы определяется как иерархия диаграмм потоков данных ДПД или D...
10792. Общие требования к методологии и технологии проектирования 23.16 KB
  Общие требования к методологии и технологии проектирования Методологии технологии и инструментальные средства проектирования CASEсредства составляют основу проекта любой ИС. Методология реализуется через конкретные технологии и поддерживающие их стандарты метод
10793. Подход RАD. Стадии планирования требований и проектирования 18.62 KB
  Подход RАD. Стадии планирования требований и проектирования. Одним из возможных подходов к разработке ПО в рамках спиральной модели ЖЦ является получившая в последнее время широкое распространение методология быстрой разработки приложений RAD Rapid Application Development. Под этим ...