Лабораторна робота N 46

Дослідження магнітних властивостей феромагнетиків

Прізвище І.Б. _____________   Група ______   Дата ______

Вступ

Феромагнетики - магнітосильні речовини. Їх намагніченість може в 1О10 разів перевищувати намагніченість парамагнетиків. У зв'язку з цим цей клас речовин знаходить широке застосування у практиці при конструюванні сердечників трансформаторів, елементів автоматики, постійних магнітів, різних магнітопроводів та ланцюгів, призначених для посилення та локалізації магнітного поля. Явище феромагнетизму обумовлене взаємною орієнтацією постійних магнітних моментів груп атомів в одному напрямку.

До феромагнітних належать тільки деякі елементи у твердому (кристалічному) стані: FеZ = 26, NіZ = 28, CоZ = 27, GdZ = 64. Це метали перехідної групи, які мають не повністю заповнені d або f електронні рівні. Така будова електронної оболонки призводить до виникнення в атомах великих власних магнітних моментів, які являють собою суму не скомпенсованих орбітальних та спінових моментів. В процесі кристалізації, атоми цих елементів займають у вузлах кристалічної решітки таке положення, що їх орбітальні моменти практично повністю компенсуються (рисунок 1). Внаслідок цього основний внесок (до 90%) у намагніченість феромагнітних матеріалів дають спінові магнітні моменти.

Із теорії магнетизму відомо, що і орбітальні, і спінові моменти електронів кратні цілій кількості магнетонів Бора, який визначається формулою:

                            (1)

 

Рисунок 1

 

і являє собою мінімальне значення магнітного моменту, відмінне від нуля. Вплив кристалічної решітки приводить до того, що середнє значення атомного магнітного моменту у чистих феромагнетиках стає не кратним цілому числу μБ. Так РFe= 2,2μБ, РСо = 1,72 μБ,                                                                                РNi = 0,60 μБ, РGd = 7,12 μБ. Будь-яке порушення кристалічної решітки, а також введення домішок у чистий феромагнетик, призводять до зміни середнього значення магнітного моменту атомів Рm. При цьому, в залежності від типу домішки та її концентрації, може спостерігатись як зменшення Рm, так і збільшення цієї величини за рахунок часткового порушення антипаралельної орієнтації орбітальних моментів сусідніх атомів. Зміна Рm в свою чергу впливає на числове значення граничної намагніченості матеріалу j та його магнітноў проникності μ. Проте велике значення Рm ще не забезпечує магнітосильні властивості магнетика.

Властивості феромагнетиків визначаються наявністю в них доменної структури. Феромагнітний кристал розділяється на безліч ділянок довільного (спонтанного) намагнічування, що називаються доменами. Кожна із таких ділянок намагнічена до насичення. Намагніченість тіла в цілому являє собою векторну суму намагніченостей окремих доменів і, як наслідок, може приймати будь-які значення - від нуля до максимального, коли всі атомні моменти орієнтовані в одному напрямку. Якщо процес кристалізації феромагнітного матеріалу відбувається в умовах відсутності зовнішнього магнітного поля, результуючий вектор намагнічування всього тіла як правило дорівнює нулю. Пояснити це можна тим, що будь-яка вільна система завжди прагне зайняти положення, яке відповідає мінімуму потенціальної енергії. Для окремо взятого атома, що знаходиться в полі своїх сусідів, найбільш вигідна,з енергетичної точки зору, паралельна з ними орієнтація магнітного моменту. Проте, при такій орієнтації зростає сумарний магнітний момент атомів  та пов'язана з ним енергія магнітного поля мікрострумів, густина якої . Тобто виникає суперечлива ситуація, в якій положення магнітних моментів найбільш енергетично вигідне для кожного з атомів, зовсім не вигідне (з енергетичноў точки зору) для всієї сукупності атомів. Це протиріччя знімається доменною структурою феромагнетика. Під час кристалізації реалізуються структури, які відповідають мінімуму потенціальної енергії кристала (рис. 2). Слід зазначити, що механізм утворення доменної структури неможливо точно описати у рамках класичної теорії.

Орієнтація магнітних моментів атомів, розташованих поблизу межі двох доменів (до 10 атомних шарів), плавно змінюється на антипаралельну. Таку ділянку, за звичаєм, називають стінкою домену. Накладання зовнішнього магнітного поля призводить до руху стінок доменів. При цьому об'єм доменів, паралельних полю, зростає за рахунок зменшення об'єму антипаралельних - феромагнетик намагнічується (рис. 3).

У чистих монокристалічних феромагнетиків стінки доменів переміщуються легко. Тому достатньо невеликих зовнішніх полів для їх повного намагнічування. Такі магнетики відзначаються низьким                                                                                              значенням коерцетивної сили, вузькою петлею гістере зису і відносяться до магнітом'яких матеріалів. Введення домішок в кристал, а також наявність в ньому великої кількості дефектів ускладнює рух доменних стінок. На подолання сил опору такому руху необхідно витратити додаткову енергію, яка і складає енергію магнітних втрат (магнітну в'язкість). Полікристалічні феромагнетики, які містять у собі велику кількість домішок, відрізняються великим значенням коерцетивної сили і, як наслідок, відносяться до магнітожорстких матеріалів.

Окрім втрат на магнітну в'язкість, під час перемагнічування, значна частина енергії втрачається за рахунок вихрових макрострумів, що індукуються в тілі феромагнетика. Ця складова втрат сильно залежить від частоти перемагнічування і при високих частотах стає домінуючою. Для зменшення вихрових струмів у феромагнетики вводять домішки, які підвищують їх опір. У високочастотних ланцюгах використовують

Рисунок 2

 

магнітопроводи, виготовлені з окислів феромагнетиків (феритів). Такі прилади характеризуються вузькою петлею гістерезису та високим опором.

Опис установки

В цій роботі пропонуються три матеріали: трансформаторна сталь (сплав заліза), вуглецева сталь та ферит (оксид заліза). Дослідження проводяться на одному (за вказівкою викладача) із запропонованих матеріалів. Вимірювання проводять за трансформаторною схемою (рис. 4). Для цього виготовлені трансформатори із сердечниками з матеріалів, що досліджуються.

Напруженість магнітного поля в магнітопроводі трансформатора пропорційна напрузі у первинному колі і визначається формулою:

                    (2)

де N - кількість витків у первинній обмотці; L - довжина намотки.

 

 

Рисунок 3

 

Індукція поля у магнітопроводі пропорційна напрузі на вторинній обмотці трансформатора і визначається формулою:

                                                           (3)

де С - ємність конденсатора;

N - кількість витків вторинноў обмотки;

S - площа поперечного перерізу сердечника.

З урахуванням даних трансформаторів та елементів схеми маємо:

для трансформатора 1 - Н = 300 UХ; В = 4 UУ

для трансформатора 2 - Н = 630 UХ; В = 6 UУ

для трансформатора 3 - Н = 500 UХ; В = 5 UУ

Вимірювання змінної напруги здійснюється за допомогою осцилографа ОМШ - 2М. Чутливість осцилографа по осі Х - О,3 В/мм. Криві намагнічення отримують шляхом фіксації координат вершин часткових петель гістерезису при різних вхідних напругах. Значення залишкової індукції (ВЗАЛ) та коерцетивної сили (НК) визначають по граничній петлі гістерезису.

 

Порядок виконання роботи

1.       За запропонованою схемою по черзі підключити кожний з трьох трансформаторів. Порівняти петлі гістерезису, що спостерігаються на екрані осцилографа.

2.       За виглядом петель гістерезису вибрати матеріал запропонований Вам для дослідження.

3.  Увімкнути у схему трансформатор, матеріал сердечника якого Ви досліджуєте.

4.     Змінюючи напругу на первинній обмотці трансформатора від 0 до максимального значення, зафіксувати координати вершин часткових петель гістерезису (не менше 10 точок).

5.       Для кожної точки розрахувати значення UХ, UУ, H, В0, В, μ. Результати занести до таблиці.

№ п/п

х

UХ

Н

В0

у

UУ

В

μ

1.

 

 

 

 

 

 

 

 

6.       За отриманими результатами побудувати графік залежності В(Н) та μ (Н).

7.     За координатами граничної петлі гістерезису розрахувати значення залишкової індукції (Взал) та коерцитивної сили (НК).

 

Контрольні запитання

1.     Сформулювати фізичний смисл магнітної проникності речовини залишкової індукції (Взал), коерцитивної сили (НК).

2.     Що являє собою вектор намагнічування j?

3.     Як пов'язані магнітна проникність μ та магнітна сприйнятливість χ?

4.     Що таке магнітон Бора?

5.     Чим пояснити, що середнє значення магнітного моменту атомів у кристалі не кратне магнетону Бора?

6.     За рахунок чого  може збільшуватись середнє значення магнітного моменту атомів при введенні в кристал немагнітних домішок?

7.     Наведіть приклад доменної структури.

8.     Як впливає введення у кристал домішок на величину коерцитивної сили?

9.     Із якого матеріалу слід виготовляти сердечник високочастотного трансформатора?

10. Як зменшити витрати на вихрові струми?

11. У чому полягає суть явища гістерезису?

12. Проаналізуйте петлю гістерезису. Що означають точки перетину її з осями та її площа?