Снятие петли гистерезиса ферромагнитного материала с помощью осциллографа и построение основной кривой намагничивания

Цель работы:Получить на осциллографе петлю гистерезиса ферромагнетика, снять экспериментально основную характеристику намагничивания, рассчитать и построить зависимость относительной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля.

Общие сведения:Все вещества при рассмотрении магнитных свойств принято называть магнетиками, когда они способны под действием магниного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). По своим магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики.

Количественной характеристикой намагниченного состояния вещества служит векторная величина – намагниченность J.

Диамагнетиками называются вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции поля, т.е. магнитные моменты атомов, ионов или молекул в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. К диамагнетикам относятся: инертные газы, молекулярный водород и азот, цинк, медь, золото, висмут, парафин и многие другие органические и не органические соединения.

Парамагнетики – вещества намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля. При внесении парамагнетиков во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается.

Особый класс магентиков образуют вещества, обладающие намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. По своему наиболее распространенному представлению (железо) их называют ферроманетиками. Ферромагнетиками называются твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации или изменения температуры. Ферромагнитные вещества в отличие от слабомагнитных диа – и парамагнетиков являются сильномагнитными средами: внутренние магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее поле. Так как внешнее магнитное поле ориентирует магнитные моменты не отдельных атомов, как в парамагнетике, а целые области спонтанной намагниченности, поэтому с ростом напряженности магнитного поля намагниченность J и магнитная индукция В уже в слабых полях растет довольно быстро до достижения определенной точки в которой наступает магнитное насыщение. Описанный процесс намагничивания ферромагнитного материала во внешнем магнитном поле, более наглядно показывает кривая намагничивания, представляющая собой зависимость магнитной индукции в материале от напряженности магнитного поля (рисунок 5.1). Из рассмотрения этой кривой видно, что магнитная проницаемость с ростом напряженности магнитного поля проходит через максимум.

Рисунок 5.1– Основная кривая индукции и магнитной проницаемости ферромагнитного материала

Кольцевой магнитопровод из ферромагнитного материала не намагничен и тока в витках катушки нет, т.е. В=0 и Н=0 (начало координат на рисунке 5.2). При постепенном увеличении намагничивающего тока, т.е. магнитодвижущая сила МДС, а следовательно, и напряженности поля от нуля до некоторого наибольшего значения магнитная индукция увеличивается по кривой начального намагничивания (0а) и достигает соответствующего максимального значения В_а. Если затем ток и напряженность поля уменьшаются, то и магнитная индукция уменьшается, при соответствующих значениях напряженности магнитная индукция несколько больше, чем при увеличении напряженности. Кривая изменения магнитной индукции (участок аб) располагается выше кривой начального намагничивания. При нулевых значениях тока и напряженности поля магнитная индукция имеет некоторое значение В_r, называемое остаточной индукцией (отрезок 0б на рисунке 5.2).

Таким образом, магнитная индукция в ферромагнитном материале зависит не только от напряженности поля, но и от предшествующего состояния ферромагнетика. Это явление называется гистерезисом. Оно обусловлено как бы внутренним трением, возникающим при изменении ориентации магнитных моментов доменов.

При изменении направления напряженности поля и постепенном увеличении тока обратного направления напряженность поля достигает значения Н_с, называемого коэрцитивной силой (отрезок 0в), при котором магнитная индукция В=0. При дальнейшем увеличении тока и напряженности поля магнитопровод намагничивается в противоположном направлении и при напряженности поля Н_г= - Н_а магнитная индукция достигнет значения В_г= - В_а. Затем при уменьшении тока и напряженности поля до нуля магнитная индукция В_д становится равной – В_б. Наконец при следующем увеличении напряженности поля до прежнего значения Н_а магнитная индукция увеличится также до прежнего значения В_а. Рассмотренный цикл перемагничивания ферромагнетика по кривой абвгдеа называется гистерезисным циклом (петлей гистерезиса).

Рисунок 5.2 - Петля гистерезиса

Такая симметричная замкнутая петля гистерезиса получается в действительности только после нескольких перемагничиваний. При первых циклах перемагничивания петля несимметричная и незамкнутая. Наибольшая замкнутая петля которая может быть получена для данного ферромагнитного материала, называется предельной.

Периодическое перемагничивание связано с затратой энергии, которая превращаясь в тепло, вызывает нагрев магнитопровода. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной при одном цикле перемагничивания. Эта энергия называется потерями от гистерезиса и выражается в ваттах на килограмм, зависит от материала, максимальной магнитной индукции и числа циклов перемагничивания.