Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана» ФАКУЛЬТЕТ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК Кафедра «Техническая физика» РЕФЕРАТ на тему: Ферромагнетизм и эффект Баркгаузена Работу выполнила: студентка группы ФН4-51(Б) Павленко Анастасия Александровна Научный руководитель: Задорожный Николай Антонович Москва, 2018 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. Введение .....................................................................................................................................3 1.1. Магнитное поле в веществе. Намагниченность. Гипотеза Ампера. Орбитальный магнитный момент, орбитальный механический момент электрона в атоме. Гиромагнитное соотношение. Спиновый момент электрона. ...................................................3 1.2. Ферромагнетизм. Ферромагнетики. Доменная структура ферромагнетика. Спонтанная намагниченность. Основная кривая намагничения. .............................................4 2. Эффект Баркгаузена ..................................................................................................................6 2.1. Определение эффекта Баркгаузена.....................................................................................6 2.2. Математическое описание эффекта ...................................................................................6 2.3. Техническая реализация эффекта .......................................................................................6 2.4. Применение ..........................................................................................................................7 3. Заключение.................................................................................................................................7 3.1. Схема эффекта ......................................................................................................................7 3.2. Эффект Баркгаузена позволяет установить динамику доменных областей в ферромагнетике, выявить связь между числом скачков и основными характеристиками ферромагнетизма. ..........................................................................................................................8 Список литературы и источников ................................................................................................9 2 1. Введение 1.1. Магнитное поле в веществе. Намагниченность. Гипотеза Ампера. Орбитальный магнитный момент, орбитальный механический момент электрона в атоме. Гиромагнитное соотношение. Спиновый момент электрона. Из курса общей физики известно, что при внесении проводника с током в какую-либо среду, магнитное поле, порождаемое этим током, существенно изменится. Это происходит за счёт того, что каждое вещество по своей природе является магнетиком, т.е. обладает способностью намагничиваться во внешнем магнитном поле. Результирующее магнитное поле B в данном случае определятся магнитным полем намагниченного вещества B , а также магнитным полем B0 , обусловленное током через проводник: B B B0 . Рассмотрим подробнее процесс намагничивания материалов. Согласно гипотезе Ампера о молекулярных токах, внутри вещества (внутри молекул и атомов) циркулируют круговые токи. Каждый круговой ток обладает собственным магнитным моментом и порождает в окружающем пространстве магнитное поле [1]. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул вещества ориентированы беспорядочным образом, вследствие чего результирующее их суммарный магнитный момент и магнитное поле, создаваемое этими магнитными моментами, равны нулю. Если к рассматриваемому веществу приложить внешнее магнитное поле, то происходит переориентация магнитных моментов молекул; говорят, что вещество намагничивается. В данном случае суммарный магнитный момент вещества не равен нулю, вместе с тем, как и не равно нулю создаваемое им магнитное поле [2]. Векторная физическая величина, характеризующая намагничение магнетика, называется намагниченностью и определяется как магнитный момент единицы объёма pm , где V - физически бесконечно малый объём в окрестности вещества: J V рассматриваемой точки, pm - магнитный момент отдельной молекулы [1], или, иначе - J n pm , где n - концентрация молекул, pm - усреднённый магнитный момент А молекулы [2]. Единицы измерения намагниченности в СИ - . м Согласно теории Нильса Бора (1913 г.) [3], электроны в атоме движутся по стационарным орбитам. В любой момент времени, выделив на пути электрона произвольную площадку (рис. 1), определим заряд, проходящий через эту площадку в единицу времени как e , где e - заряд электрона, v - число оборотов в секунду. Тогда круговой ток движущегося электрона i ev , а магнитный момент: pm iS iSn ev r 2n , где r - радиус орбиты. Далее, учитывая, что скорость электрона v 2 rv , получим следующее соотношение для магнитного момента: evr pm , (1) 2 Магнитный момент pm называется орбитальным магнитным моментом электрона, так как обусловлен движением вдоль орбиты (с направлением движения тока образует правовинтовую систему, с направлением скорости – левовинтовую). 3 Орбитальный механический момент электрона (вектор количества движения электрона, Le pm ): Le me vr , (2) Где me 9,11031 кг - масса электрона. Рисунок 1.Орбитальный магнитный момент, орбитальный механический момент электрона в атоме. Гиромагнитное соотношение – отношение магнитного момента элементарной частицы к её механическому моменту. В частности - гиромагнитное соотношение для электрона: p e e m , (3) Le 2me В дальнейшем выяснилось, что электрон обладает собственными магнитным и механическим моментами (индекс s), гиромагнитное соотношение для которых равно: p e es ms , (4) Les me 1.2. Ферромагнетизм. Ферромагнетики. Доменная структура ферромагнетика. Спонтанная намагниченность. Основная кривая намагничения. Выделяют три основных категории веществ в зависимости от их магнитных свойств: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. В данной работе рассматривается эффект Баркгаузена в ферромагнетиках, поэтому уделим особое внимание этой группе материалов. Отметим, что в таблице 1 приведены некоторые важные физические соотношения, характеризующие поведение вещества в магнитном поле, более подробно ознакомиться с которыми можно в источниках [1,2]. Название Обозначение Размерность СИ Характерное соотношение J H Магнитная восприимчивость Безразмерная величина Магнитная проницаемость Магнитная постоянная Безразмерная величина 1 0 Гн м B 0 H J 4 Таблица 1. Основные физические величины, характеризующие магнетики Ферромагнетизм – явление, состоящее в том, что в веществе при температуре ниже температуры Кюри из-за упорядочивания магнитных моментов появляется спонтанная намагниченность. Вещества, которым свойственна спонтанная намагниченность, называются ферромагнетиками. Типичными представителями рассматриваемого класса веществ являются железо, кобальт и многие их сплавы [2]. Для таких веществ характерна нелинейная зависимость намагниченности от напряжённости магнитного поля (намагниченности от индукции магнитного поля) (рис. 2). Типичная структура ферромагнитного материала представлена так называемыми доменами, речь о которых пойдёт ниже. Рисунок 2. Основная кривая намагничения ферромагнетиков В условиях отсутсвия внешнего магнитного поля и при температуре, ниже температуры Кюри, в кристаллах ферромагнетиков могут возникать обменные силы, под действием которых магнитные моменты электронов ориентируются параллельно друг другу. В результате чего происходит формирование областей самопроизвольного намагничения. Такие области называются доменами, а их размер составлят примерно 1-10 мкм (рис.3). Рисунок 3. Доменная структура ферромагнетика В пределах кажого домена ферромагнетик намагничен до насыщения и имеет определённый магнитный момент. Направления этих моментов для разных моментов для разных моментов различны, поэтому при отсутвии внешнего магнитного поля суммарный момент образца равен нулю и образец в целом представляется марокопически ненамагниченным. При включении внешнего магнитного поля домены, ориентированные по полю, растут за счёт доменов, ориентированных против поля [2]. 5 2. Эффект Баркгаузена 2.1. Определение эффекта Баркгаузена Эффект Баркгаузена (1919 г., [4]) стал первым непосредственным подтверждением существования доменов. Согласно определению из источника [5] эффект Баркгаузена заключается в скачкообразном изменении намагниченности ферромагнитных веществ при непрерывном изменении внешних условий, например, магнитного поля. При медленном намагничивании ферромагнитного образца в измерительной катушке, надетой на образец, в цепи катушки появляются импульсы тока, обусловленные скачкообразным изменением намагниченности образца. Имеющиеся в ферромагнетике различного рода неоднородности (инородные включения, дислокации, остаточные механические напряжения и т.д.) препятствуют перестройке доменной структуры. Когда граница домена, смещаясь при увеличении магнитного поля Н, встречает препятствие (например, инородное включение), она останавливается и остается неподвижной при дальнейшем увеличении поля. При некотором возросшем значении поля граница преодолевает препятствие и скачком перемещается дальше, до очередного препятствия, уже без увеличения поля. Из-за подобных задержек кривая намагничивания ферромагнетика имеет ступенчатый характер (рис. 4). Рисунок 4. Скачкообразное изменение намагниченности может быть вызвано не только полем, но другими внешними воздействиями (например, плавным изменением напряжений или температуры), при которых происходит изменение доменной структуры образца [6]. 2.2. Математическое описание эффекта Изменение намагниченности J за один скачок: xJ 0 J , (5) x Где x - величина смещения границ, J 0 - начальная намагниченность, x - ширина домена. 2.3. Техническая реализация эффекта Схема технической реализации представлена на рис. 5. 6 Рисунок 5. Схема наблюдения эффекта Баркгаузена. Обозначения: L - катушка с ферромагнитным стержнем; A - амперметр; R - реостат с сопротивлением R(t); U(t) - импульсное напряжение; L(t) - индуктивность катушки 1. При изменении R(t) скачкообразно изменяется намагниченность ферромагнитного стержня, что скачкообразно меняет частоту колебаний стрелки амперметра (суперпозиция частот колебаний) [6]. 2.4. Применение o Неразрушающий контроль ферромагнитных деталей o Измерение коэрцитивной силы ферромагнетиков o Измерение магнитных полей и токов [7-9] Чувствительный индикатор измерения магнитного поля Ферромагнитный образец, помещенный в намагничивающую катушку установки, сначала намагничивается до насыщения. Затем с помощью вращающегося потенциометра поле плавно изменяется до значения, при котором скачки идут наиболее интенсивно. Это состояние образца и является исходным для работы индикатора. Если теперь в пространстве около намагничивающей катушки появится дополнительное слабое магнитное поле, направленное по полю катушки, или произойдет незначительное изменение внешнего поля того же направления, установка зафиксирует зто изменение одним или несколькими скачками. 3. Заключение 3.1. Схема эффекта Скачок Баркгаузена 7 3.2. Эффект Баркгаузена позволяет установить динамику доменных областей в ферромагнетике, выявить связь между числом скачков и основными характеристиками ферромагнетизма. 8 Список литературы и источников 1. Савельев И. В. Курс общей физики: Учебное пособие для втузов. В 5 кн. – М.: Наука, 1998. 2. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. Учебное пособие для студентов вузов. – 2-е, стереотип. – М.: Высш. шк., 1991. 3. Борн М. Атомная физика, 2-е изд., М.:Мир,1967.- 493с. 4. Barkhausen Н. Zwei mit Hilfe der neuen Verstarker entdeckte Erscheinunften, «Physische Zeitschrift», 1919, Jg. 20, № 17. 5. Большая советская энциклопедия: в 30 т. / Гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М.: Сов. энцикл., 1969 – 1978. 6. Электронный ресурс: http://www.heuristic.su - Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии 7.Ломаев Г. В. Эффект Баркгаузена и его использование в технике контроля и измерения: Учебное пособие. Ижевск: Изд. ИМИ, 1984. 113 с. 8. Волченко В. Н., Гурвич А. К., Майоров А. Н., Кашуба Л. А., Э. Л. Макаров, М. Х. Хусанов Контроль качества сварки / Под ред. В. Н. Волченко. — Учебное пособие для машиностроительных вузов. — М.: Машиностроение, 1975. — 328 с. — 40 000 экз. 9. Новицкий П. В., Кнорринг В. Г., Гутников В. С. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л., «Энергия», 1970. — 424 с. ил. 9
