• 5

Работа 56. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА БАРКГАУЗЕНА В ФЕРРОМАГНЕТИКАХ

Принадлежности: намагничивающее устройство, осциллограф С1-1, выпря­митель, звуковой генератор Г3-34, набор ферромагнитных образцов тороидальной формы с намотанными на них намагничивающими и индикаторными катушками.

Магнитные свойства ферромагнетиков резко отличаются от свойств диа- и парамагнитных веществ. В то время как в диа- и парамагнетиках намагниченность плавно изменяется по объему образца и постепенно увеличивается с ростом внешнего поля, ферро­магнетики всегда намагничены до насыщения. При отсутствии внеш­него поля магнитные моменты отдельных участков ферромагнит­ного образца направлены в разные стороны и в существенной мере компенсируют друг друга. В присутствии поля моменты приобре­тают преимущественное направление. Участки ферромагнетика, обладающие одним направлением намагничения, носят название доменов.

Результирующий магнитный момент образца равен сумме маг­нитных моментов отдельных доменов. Рассмотрим проекцию маг­нитного момента на какое-либо направление:

где Мп — проекция магнитного момента на выбранное направление, Js — намагниченность насыщения, Vt — объем домена, ср,- — угол между направлением намагниченности в домене и выбранным направлением.

Намагниченность в домене достигает насыщения благодаря так называемым обменным силам, носящим квантовомеханический характер. Эти силы заставляют магнитные моменты отдельных ато­мов выстраиваться параллельно друг другу. Число доменов в об­разце, их размер, форма и направление намагниченности удовле­творяют условию минимума свободной энергии, складывающейся из энергии обменных сил, энергии магнитного поля и так называе­мой энергии анизотропии. Эта энергия связана с тем, что величина внешнего магнитного поля, необходимого для того, чтобы до­вести ферромагнитный кристалл до насыщения, зависит от на­правления поля относительно кристаллографических осей. Так, в монокристалле железа напряженность внешнего поля, необходи­мого, чтобы намагнитить образец до насыщения, оказывается наименьшей для намагничения вдоль ребер куба («легкие» направ­ления), несколько возрастает, если намагничивать кристалл вдоль диагоналей, лежащих в плоскостях граней куба, и максимальна при намагничивании вдоль пространственных диагоналей («труд­ные» направления). Превышение энергии, необходимой для того, чтобы намагнитить кристалл в заданном направлении, над энер­гией, которая нужна для намагничивания в «легком» направлении, и называется энергией анизотропии.

В отсутствие внешнего поля направление намагниченности в доменах совпадает с одним из «легких» направлений. Поскольку реальный ферромагнитный образец представляет собой поликри­сталл с более или менее хаотичным распределением отдельных кристаллитов, намагниченности доменов в размагниченном состоя­нии образца ориентированы беспорядочно. В этом случае Мп рав­но нулю.

Включим теперь внешнее поле и рассмотрим проекцию магнит­ного момента на направление этого поля.

Дифференцируя (1), найдем

=2] Л COS ф;

(1)

кМп = JS COS ф;Д Vi + 2 JsVA (COS фi).

(2)

Формула (2) показывает, что могут существовать два процесса, приводящие к изменению Мп.

1.         Увеличение объемов доменов с энергетически выгодной ориентацией намагничения за счет доменов с энергетически невы­годной ориентацией. Этот процесс происходит в результате изме­нения геометрического расположения границ между доменами и носит название «смещение границ».

2.         Процесс поворота векторов намагниченности в доменах от «легкого» направления к направлению «по полю».

Обычно в малых полях преобладает первый процесс, а в боль­ших полях — второй. После завершения обоих процессов обра­зец оказывается намагниченным до насыщения в направлении внешнего поля.

Рассмотрим подробнее процесс смещения границ, который в магнитно-мягких материалах дает наибольший вклад в изменение магнитного момента. Пусть под действием внешнего магнитного

 

1

-1

 

0

 

 

X

Рис. 163. Схема смещения границы, разделяющей домены с антипарал­лельным направлением намагничен­ности.

 

Рис. 164. Характер изменения энер­гии домена при смещении границы.

поля плоская граница, разделяющая домены с антипараллельным направлением намагниченности, смещается в направлении Ох (рис. 163). Реальные ферромагнетики весьма неоднородны. В них всегда присутствуют посторонние примеси, пустоты, локальные нарушения кристаллической структуры и т. д., поэтому энергия доменов w зависит от положения границы по сложному закону, определяемому видом и расположением этих неоднородностей (рис. 164).

Пусть в отсутствие поля граница занимала равновесное поло­жение Хау соответствующее одному из минимумов энергии. При увеличении поля граница начнет перемещаться вдоль направле­ния х, так что суммарная энергия доменов начнет увеличиваться. Вначале это перемещение оказывается обратимым, так как при уменьшении поля до нуля граница возвращается в положение ха- Если внешнее поле столь велико, что граница дойдет до положения хву то ее дальнейшее движение в точку хс происходит самопроиз­вольно. Эти быстрые самопроизвольные переходы носят название «скачков Баркгаузена». Изменение магнитного момента, проис­ходящее при скачках Баркгаузена, необратимо, поскольку

уменьшение поля приведет границу в точку с координатой xD, соответствующую новому минимуму энергии.

Скачки Баркгаузена можно наблюдать следующим образом. Ферромагнитный образец помещается в однородное поле. На обра­зец наматывается измерительная катушка, напряжение с которой после предварительного усиления подается на вертикальный уси­литель электронного осциллографа. Включается пилообразная раз­вертка луча осциллографа. Магнитное поле в образце медленно изменяется. Скачки Баркгаузена вызывают быстрое изменение маг­нитного потока в образце и наводят импульсы э. д. с. в индика­торной катушке. В настоящей работе предлагается оценить сред­нюю величину объема, в котором возникает скачкообразное из­менение намагниченности.

Приближенно можно считать, что изменение магнитного момента образца осуществляется только благодаря скачкам Баркгаузена. Число скачков N связано со средним объемом v области, в которой происходит скачок, очевидной формулой

N=V/v, (3)

где V — объем образца.

Пусть при перемагничивании области v магнитный поток в ин­дикаторной катушке изменяется на величину Ф. Тогда можно считать, что сумма изменений потока от всех скачков есть полное изменение магнитного потока образца

Ф = NO.          (4)

Если в процессе опыта магнитный момент образца изменится от —JS'V до +JS-V, то

Ф = 2 BsSn,   (5)

где Bs — индукция насыщения, S — сечение образца, п — число витков индикаторной катушки, намотанной на образец. Из равенств 3, 4 и 5 легко найти

— ФУ

В этой формуле все величины, кроме Ф, известны. Ф измеряется по сигналу, снимаемому с индикаторной катушки. Э. д. е., наво­димая в катушке при скачке, равна

е (/) = —dO/dt.           (7)

Опуская несущественный для дальнейших формул знак «минус», найдем

ф »$e(Qd*.    (8)

Интегрирование в формуле (8) производится за время одного скачка.

Правая часть (8) пропорциональна площади осциллограммы под кривой скачка. Чтобы найти Ф, правую часть (8) необходимо усред­нить по всем скачкам. Окончательно

- ($в(')*)ср

U 2BsSn '

(9)

 

Итак, для определения среднего объема, перемагничивающегося при скачке Баркгаузена, необходимо из достаточно большого числа измерений определить среднюю площадь импульсов э. д. е., воз­никающих на экране осциллографа при перемагничивании образца.

Описание установки. Наблюдение отдельных, не накладываю­щихся друг на друга скачков Баркгаузена на экране осциллографа возможно лишь в том слу­чае, если намагниченность образца изменяется доста­точно медленно. Медленное перемагничивание осуще­ствляется специальным устройством, схема которо­го приведена на рис. 165.

Рассмотрим работу схемы:

а)         Ключ Кг замкнут. При этом к сетке лампы Л2 (6ПЗС) приложено отрица­тельное напряжение от ба­тареи Б2. Эт° напряжение при помощи потенциометра R можно отрегулировать таким образом, чтобы ток, проходящий через лампу Л2, был равен нулю (напря­жение отсечки). Поскольку ток лампы Л2 протекает через намагни­чивающую катушку образца, магнитное поле в образце током не возбуждается и # = 0.

б)         При размыкании ключа Ki конденсатор С начинает заряжаться через лампу Лг (диод 2Д2С). Диод работает в режиме насыщения, следовательно, конденсатор С заряжается постоянным током и напряжение на нем растет линейно. Скорость нарастания напря­жения регулируется путем изменения зарядного тока, величина которого зависит от накала лампы Лх. Линейное нарастание напряжения на С вызывает линейное увеличение напряжения на сетке лампы Л2, которая работает в режиме катодного повтори­теля. При этом ток в намагничивающей катушке также возрастает линейно. Величина тока в катушке измеряется миллиамперметром.

в)         Когда ток достигает максимальной величины, ключ Кг за­мыкается, конденсатор С разряжается, лампа Л2 запирается и ток в намагничивающей катушке падает до нуля.

Рис. 165. Схема экспериментальной установ­ки для изучения эффекта Баркгаузена.

Пусть в начале опыта (Н = 0) образец находится в состоянии, отмеченном на рис. 166 буквой А. При постепенном увеличении намагничивающего тока он перейдет в точку В. Замкнув ключ Къ мы переведем его в точку С. Переполюсуем ключ К2 при замкнутом Kv Состояние образца не изменится. Разорвем ключ Кг — увели­чение тока в катушке переведет образец в точку D. Замыкание ключа Ki вернет его в точку Л. После переполюсовки ключа К2 опыт может быть повторен. Описанная последовательность переклю­чений позволяет многократно менять намагничение образца по кривой гистерезиса. Окончательные измерения можно делать либо на обеих, либо на одной ветви кривой гистерезиса.

Измерения. В начале опыта установите такую скорость нара­стания поля, чтобы скачки Баркгаузена на экране осциллографа

были видны раздельно, не наклады- ваясь друг на друга. Для удобства на­блюдения на экран осциллографа на­деньте тубус. Сначала замкните ключ Кг и установите напряжение на сетке JI2 равным напряжению отсечки. Затем разомкните ключ Кг\ ток в катушке начнет возрастать. Изменяя скорость развертки осциллографа и усиление по вертикали, попытайтесь увидеть скачки Баркгаузена. Скачки происходят быстро, Рис. 166. Петля гистерезиса увидеть их с первого раза обычно не исследуемого образца. удается, поэтому нужно многократно

повторять процесс, замыкая и размы­кая ключ Кг и производя переполюсовку ключом /С2. Можно попытаться улучшить картину, изменяя ток накала диода Лх.

После того как условия опыта подобраны, убедитесь в том, что пики, наблюдаемые на экране осциллографа, действительно яв­ляются скачками Баркгаузена, а не случайными наводками. Проще всего это сделать, наблюдая за эффектом-на обратной ветви кривой гистерезиса (рис. 166). При переходе с восходящей ветви (DAB) на нисходящую (BCD) скачки Баркгаузена меняют знак, а помехи сохраняют прежний вид. Переход с одной ветви на другую осу­ществляется с помощью ключа К2-

Измерьте скорость изменения магнитного поля dH/dtlA/м- с], при которой хорошо наблюдается эффект Баркгаузена. Вычисление этой скорости производится по формуле

dH       _М/а-/1)          ПП,

dt ^ At t '

где 1х — сила тока в начале, а /2 — в конце опыта, пх — число витков на единицу длины тороида в намагничивающей катушке, t — время изменения тока от 1Х до Iv

в\

А

It.

 

А

//

Для вычисления площади скачка необходимо прокалибровать вертикальную и горизонтальную оси осциллографа. Произведите калибровку, подав от звукового генератора на вертикальный вход осциллографа синусоидальное напряжение известной амплитуды и частоты. Студенту предлагается самому вывести формулы, необхо­димые для калибровки.

При измерениях оцените среднюю длительность и высоту им­пульсов на экране осциллографа и по этим данным вычислите их среднюю площадь, а затем по формуле (9) определите средний объем области, в которой происходит скачок.

Произведя измерения на разных образцах, следует заметить различие между амплитудой, формой и длительностью скачков у различных магнитных материалов и зафиксировать интервал полей, в котором происходят скачки. Площадь образцов и число витков на них указаны на образцах.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я