Для каждого значения тока вычислить значения Н и В

8.  Для каждого значения тока вычислить значения Н и В.

9.  По полученным данным для каждого значения поля вычислить магнитную проницаемость по формуле .

10.  Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

11.  Построить графики функций: B= f(H) и μ=f(H).

12.  С помощью графиков определить остаточную индукцию B_о , коэрцитивную силу Н_к .

ПРИМЕЧАНИЕ: для расчётов искомых величин использовать следую­щие данные: число витков N₁= 200, N₂ = 600, длина средней линии тороида l = 354 мм, диаметр тороида d= 12мм.

Контрольные вопросы

1.  Магнитное поле и его характеристики. Теория магнитных полей

2.  Магнитные свойства вещества. Постоянные магниты. Теория магнетизма.

3.  Магнетики и их классификация.

4.  Теория ферромагнетизма.

5.  Кривая намагничивания.

6.  Явления магнитного гистерезиса. Петля гистерезиса, физический смысл площади петли.

7.  Какова зависимость магнитной проницаемости от .

8.  Как на экране осциллографа получить устойчивую петлю гистерезиса.

9.  Применение магнитных материалов.

Литература, рекомендуемая к лабораторной работе:

1.  Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм.- М.: Высшая школа, 1983.

2.  Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977.

3.  Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2, Т. 3. – М.: Наука, 1977.

4.  Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество.-М.: Просвещение, 1970.

5.  Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество.- М.: Физматлит МФТИ, 2002.

6.  Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. –М.- С.-П.: Физматлит Невский диалект, 2001

7.  Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 1970.

8.  Парсел Э. Курс физики Т.2 Электричество и магнетизм – М.: Наука, 1971.

9.  Рублев Ю.В., Куценко А.Н., Кортнев А.В. Практикум по электричеству. – М.: Высшая школа, 1971.

10.  Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н.. Практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1965.

11.  Буравихин В.А., Шелковников В.Н., Карабанова В.П. Практикум по магнетизму. – М.: Высшая школа, 1979.

12.  Руководство к лабораторным занятиям по физике. Под редакцией Л.Л. Гольдина, - М.: Наука, 1983.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13

ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА ФЕРРОМАГНЕТИКА

Цель работы:

Изучение доменной структуры и измерение магнитных характеристик тонких ферромагнитных пленок магнитооптическим методом.

Идея эксперимента

При прохождении плоскополяризованного света через ферромагнитную пленку происходит поворот плоскости поляризации на некоторый угол φ=kJd, где k - постоянная Кундта, J –намагниченность вещества, d – толщина пленки. Направление вращения плоскости поляризации зависит от направления намагниченности ферромагнитной пленки, что позволяет использовать этот эффект для наблюдения доменной структуры ферромагнитных образцов. В процессе перемагничения такого образца может оказаться, что вектора намагничения двух соседних доменов антипараллельны. Тогда вращение плоскости поляризации световых пучков, прошедших через домены с разным направлением намагниченности, будут происходить во взаимно противоположных направлениях. Поместив на пути пучка света анализатор, можно наблюдать доменную структуру образца в виде темных и светлых областей. Такой метод исследования доменной структуры ферромагнитного образца позволяет не только изучать процесс перемагничения, но и измерять такие магнитные характеристики тонкопленочных образцов, как поле коэрцитивной силы и поле магнитной анизотропии.

Теоретическая часть

 Вещества, для которых магнитная восприимчивость намного больше единицы, называются ферромагнетиками. Ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри разбиваются на большое число малых макроскопических областей – доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения. Доменная струк­тура наблюдаются на прозрачных монокристаллических пленках редкоземельных ферритов со структурой граната R₃Fe₅O₁₂ толщиной h=5—10 мкм, имеющих ось легкого намагничивания, ориентированную по нормали к поверхности пленки. Состояние намагниченности образца выявляется с по­мощью магнитооптического эффекта Фарадея, заключающегося в том, что при прохождении плоско поляризованного света через на­магниченное тело плоскость поляризации поворачивается на угол φ, пропорциональный компоненте намагниченности вдоль светового луча и длине пути h света в магнетике.

Антипараллельно намагниченные соседние домены поворачи­вают плоскость поляризации на углы +φ и -φ соответственно. Поворотом анализатора можно погасить свет от доменов с одним направлением намагниченности, т. е. получить контрастное изо­бражение доменной структуры. Изменение намагниченности об­разца вызовет изменение светового потока.

Зависимость намагниченности ферромагнетиков J от приложен­ного магнитного поля Н имеет нелинейный и неоднозначный ха­рактер. Такое поведение ферромагнетиков в магнитном поле обу­словлено существованием в них доменов, объем и ориентация намаг­ниченности которых изменяются под действием внешнего поля. Этот процесс называют техническим намагничиванием. Равновес­ная магнитная структура ферромагнетика определяется из усло­вия минимума энергии тела в целом, с учетом его формы и раз­меров. Энергия W ферромагнитного тела в магнитном поле Н мо­жет быть представлена в виде суммы членов, характеризующих различные виды магнитного взаимодействия

w=w_a+w_h+w_m+w_k

Здесь w_a — энергия обменного (квантового) взаимодействия меж­ду магнитными моментами соседних атомов, ответственная за об­разование спонтанной намагниченности J_s (в ферромагнетиках эта энергия минимальна, когда магнитные моменты всех атомов ориентированы параллельно друг другу); W_н — энергия магнетика во внешнем поле (минимальная при ориентации магнитного момента образца вдоль поля Н); w_m — магнитостатическая энер­гия поля рассеяния, вызванного образованием магнитных полю­сов на поверхности намагниченного тела.

На рис 1а изображен ферромагнетик, состоящий из одного домена. В этом случае во внешнем пространстве возникает магнитное поле, которое заключает в себе определенную магнитную энергию. На рис 1б имеются два домена с противоположным направлением намагничения. Внешнее магнитное поле здесь убывает с увеличением расстояния быстрее, чем в случае а, и энергия, заключенная в поле, оказывается меньше. В случае, показанном на рис 1в, магнитное поле практически существует только в непосредственной близости от поверхности магнетика и энергия поле еще уменьшается. На рис 1г изображен случай, когда во внешнем пространстве магнитного поля совсем нет. Здесь имеются «замыкающие» домены в форме трехгранных призм, боковые поверхности которых везде составляют угол 45˚ с вектором намагничения. Вследствие этого магнитный поток проходит исключительно внутри ферромагнетика, он замыкается граничными доменами, чем и обусловлено их название замыкающие домены. Состояние г энергетически более выгодно, чем предыдущее состояние. На рис 1д показана совокупность доменов совместно с замыкающими их доменами, у которых также нет внешнего поля. Таким образом, разбиение ферромагнетика на домены происходит потому, что при образовании доменных структур энергия ферромагнетика уменьшается.

Между соседними доменами имеются сравнительно узкие (по­рядка 10²-10³ межатомных расстояний) переходные слои, которые называются доменными границами (или стенками). В этих слоях направление J_S постепенно изменяется на противоположное. Толщина граничного слоя определяется условиями равнове­сия между силами анизотропии, стремящимися сузить стенку, и квантовыми обменными силами, стремящимися расширить ее. В многодоменном образце энергия доменных границ будет тем больше, чем больше общая площадь границ.

Рассмотрим магнитоодноосный кристалл в виде пластинки с осью легкого намагничивания (ОЛН), перпендикулярной плоско­сти образца. В однодоменном состоянии намагниченная до насы­щения пластинка имеет энергию W,. равную максимальной магнитостатической энергии

w_m=μ₀J_S²V/2.

Если намагниченность лежит в плоскости пластинки, то w_m=0 и энергия w=w_k=kv,

где V — объем образца. Энергия образца будет значительно снижена, если он будет размагничен, т. е. объем его будет разбит, например, на слоистые домены.

Сравним два варианта доменной структуры: а) «замкнутая» структура и б) «открытая» структура. Оце­ним энергию каждого варианта структуры, предполагая, что ши­рина доменов мала по сравнению с толщиной пластинки h.

В замкнутой доменной структуре магнитный поток полностью замкнут, поле рассеяния отсутст­вует и, следовательно, W_м^a=0. Полная энергия W складывается из энергии доменных границ W_r и энергии анизотропии w_k° за­мыкающих доменов. Число границ, приходящихся на единицу пло­щади поверхности пластинки, равно 1/D, их площадь приближен­но равна h/D. Удельная энергия доменных границ

W_r/S_o=σ_rh/D. (1)

 В замыкающих доменах J_s лежит по трудной оси (направление перпендикулярное оси легкого намагничения), и здесь объемная плотность энергии анизотропии равна К. Замыкающие домены имеют форму треугольных призм сечением D²/4, которые расположены на обеих поверхностях пластинки. Следовательно,

 (2)

Энергия замкнутой доменной структуры, отнесенная к единице площади поверхности пластинки, равна

(3)

Здесь σ_r- поверхностная плотность энергии границ, имеющая размерность Дж/м². В большинстве ферромагнетиков σ_r порядка 10^-3–10^-2Дж/м². Оптимальная (равновесная) ширина доменов D₀ определяется из условия минимума энергии W^а(D), т.е. из условия dW^a/dD=0;

 (4)

Подставив D₀^a в (3), получим минимальное значение энергии для замкнутой структуры:

 (5)

Используя (4), можно исключить σ_rи получить

(6)

В открытой доменной структуре намагниченность J_S всюду лежит по ОЛН, т.е. энергия анизотропии W_K^б =0. Энергия системы складывается из магнитостатической энергии и энергии доменных границ. Для случая, когда D во много раз меньше толщины образца h, Киттель получил выражение

(7)

Во многодоменном образце необходимо учитывать энергию доменных границ, которая тем больше, чем больше объемная площадь границ S_r.

 (8)

Воспользовавшись формулами (7) и (8), получим

(9)

Оптимальная ширина доменов D₀^б для открытой структуры, полученная из условия dW^б/dD=0,

(10)

Энергия равновесной «открытой» структуры равна

(11)

или, в зависимости от равновесной ширины доменов D₀^б,

Из сравнения величины энергии для обоих типов доменной структуры (ср. формулы (5) и (11)) следует важный вывод о том, что в пластинках из материала с относительно высокой маг­нитной анизотропией {K>3,4·10^-7J_S²) многодоменное размагни­ченное состояние с «открытой» структурой энергетически предпоч­тительнее, чем «замкнутая» структура.

Если ферромагнитное тело находится в исходном многодоменном размагниченном состоянии, то при включении магнитного по­ля Н происходит намагничивание тела, т. е. появляется результи­рующий магнитный момент в направлении поля. Техническое на­магничивание осуществляется с помощью двух основных процес­сов:

1) смещения доменных границ, вызывающего увеличение объ­ема выгодно намагниченных доменов (в которых угол между J_s и Н острый);

2) вращения вектора J_sв каждом из доменов в сторону век­тора поля Н.

В данной лабораторной работе производится визуальное наб­людение процессов квазистатического намагничивания монокри­сталлических образцов со сквозной микрополосовой доменной структурой. Начиная с некоторого критического значения напря­женности (Н_ст) магнитного поля можно обнаружить значительную перестройку доменов, ко­торая осуществляется путем необратимых смещений доменных границ. При этом видно, что площадь одних доменов (например, светлых) увеличивается за счет уменьшения площади других темных. По мере приближения к насыщению площадь невыгод­но намагниченных доменов резко сокращается, остаются лишь отдельные узкие домены, которые исчезают в поле насыщения H_s, когда образец становится однородно намагниченным по по­лю. Процесс намагничивания завершен.

Рассмотрим процесс перемагничивания образца, первоначаль­но находящегося в насыщенном состоянии. Когда поле, приложен­ное вдоль ОЛН, уменьшается, то при некотором значении Н_зар в образце появляются магнитные домены с обратной намагничен­ностью (зародыши). Это поле Н_зар называется полем зародышеобразования. Причиной появления зародышей служит сильное размагничивающее поле, направленное против намагниченности об­разца.

При дальнейшем уменьшении напряженности поля до нуля в результате роста числа и объема зародышей намагниченность об­разца уменьшается, но остается некоторая остаточная намагни­ченность J_r. Необратимое смещение границ происходит еще в по­ложительных полях. При отрицательном поле -Н_с площади тем­ных и светлых доменов становятся одинаковыми (J=0). Коэрци­тивная сила Нс очень близка к значению поля старта границ, Н_ст... Процесс перемагничивания завершается в отрицательном поле —H_s, когда исчезнут все невыгодно намагниченные домены.

Экспериментальная установка

Принципиальная схема экспериментальной установки для наблюдения

доменной структуры изображена на рис. 2а. Свет от лампы 1 с помощью

оптической системы 2 преобразуется в параллельный пучок, и после прохождения через поляризатор 3, исследуемый образец 4, объектив 6 и анализатор 7, попадает в окуляр микроскопа 8. Для создания внешнего магнитного поля используются катушки Гельмгольца 5, питание которых осуществляется по схеме (рис. 2б)

Проведение эксперимента.

Задание 1 Исследование доменной структуры ферромагнитной пленки

1.  Собрать схему по рис. 2б.

2.  Включить источник света. При этом в наблюдательном окуля­ре должна быть видна доменная структура образца. Если она не­достаточно отчетлива, то необходимо сфокусировать изображение и, поворачивая образец, добиться контрастного изображения доменной струк­туры.

3.  Размагнитить образец путем подачи в катушку переменного тока для получения равновесной доменной структуры. Установить в намагничиваю­щей катушке достаточно большой ток .(I=0,4 А) и снизить его до нуля.

4.  Зарисовать полученную доменную структуру и измерить рав­новесную ширину доменов D_o, пользуясь шкалой окуляра.

D=CN,

С- цена деления шкалы окуляра, N- число делений

5.  Включить источ­ник питания постоянного тока. Плавно увеличивая ток в катушках Гельмгольца с помощью реостата, наблюдать изменение доменной структуры образца.

6.  Определить ток, при котором доменная структура исчезает, и рассчитать напряженность магнитного поля по формуле:

Н= СI,

где С — постоянная катушки.

7.  Уменьшая ток, зафиксиро­вать поле Н_зар, при котором возникают домены с противополож­ной намагниченностью. Уменьшить ток до нуля и наблюдать до­менную структуру в остаточном состоянии.

Похожие работы

Развитие оптики, электричества и магнетизма в XVIII веке

Скачать

104776

0

13

... , хотя ему уже придавали иной смысл, нежели тот, который вкладывал в него Кулон.Введение понятия потенциалав электростатику Открытие закона Кулона было очень важным шагом в развитии учения об электричестве и магнетизме. Это был первый физический закон, выражающий количественные соотношения между физическими величинами в учении об электричестве и магнетизме. С помощью этого закона можно было ...

Исследование работ Фарадея по электричеству

Скачать

166869

1

15

... самоиндукции и экстратоки замыкания и размыкания. Открытие явления электромагнитной индукции сразу же приобрело огромное научное и практическое значение; оно легло в основу электротехники. Работам Фарадея в области электричества положило начало исследование так называемых электромагнитных вращений. Из серии опытов Эрстеда, Араго, Био, Савара, проведенных в 1820 г., стало известно не только об ...

"Магнетизм вращения" Франсуа Араго

Скачать

28183

0

1

... в магнитном поле компасной стрелки в нем появляются токи, которые создают свое магнитное поле. Взаимодействие двух магнитных полей и дает «магнетизм вращения». «Теперь, – записал в своей рабочей тетради Фарадей, – когда мы знаем о существовании этих токов, явления, открытые Араго, можно объяснить, не приписывая их тому, что в меди образуется полюс, противоположный приближающемуся». Диск и магнит ...

Научный подвиг «Ньютона электричества»

Скачать

28875

0

0

... термин «электрический ток», понятие о направлении электрического тока и за полтора века предсказал возникновение науки об общих закономерностях процесса управления, связи и организованных системах – кибернетики. Ньютон электричества Звездный час в жизни Ампера наступил в сентябре 1820 г., когда он впервые узнал об открытии датским физиком Г. Х. Эрстедом (1819) действия электрического тока на ...