OPIS TEORETYCZNY :

W strukturze ciał stałych istnieją trwałe momenty magnetyczne, które pod wpływem zewnętrznego pola o natężeniu H ulegają uporządkowaniu. Zjawisko to nazywa się polaryzacją magnetyczną lub namagnesowaniem. Miarą spolaryzowania ciała jest wektor polaryzacji magnetycznej I .

Polaryzacja magnetyczna ciała zależy od natężenia pola magnetycznego w następujący sposób :

_{→ → →}

I = μ_o(μ_w - 1) H = μ_o ℵ H

Wartość wektora polaryzacji wiąże się z wartością wektora indukcji magnetycznej w próbce wg zależności

_{→ → → → →}

B = μ_o H + I , a po podstawieniu otrzymujemy B = μ_w μ_o H

W zależności od względnej przenikalności magnetycznej μ_w ciała dzielimy na :

- diamagnetyki - μ_w nieznacznie mniejsze od jednego

- paramagnetyki - μ_w nieznacznie większe od jednego

- ferromagnetyki - μ_w znacznie większe od jednego

Dla ciał paramagnetycznych polaryzacja (namagnesowanie) w nieobecności pola magnetycznego jest zerowa.

W ferromagnetykach, w pewnym przedziale temperatur występuje polaryzacja spontaniczna ( H=0 i I=0) i zależność wyrażona liniowo równaniami B = μ_w μ_o H i I = μ_o(μ_w - 1) H jest silnie nieliniowa. Przenikalność magnetyczna tych materiałów osiąga duże wartości i jest silnie zależna od natężenia pola magnetycznego.

W ferromagnetykach momenty magnetyczne sąsiednich atomów na skutek tzw. spontanicznego namagnesowania ustawiają się równolegle wzdłuż jednego kierunku, tworząc obszar zwany domeną.

W ciele stałym tworzy się wiele domen o różnych kierunkach tak, że energia wewnętrzna jest minimalna. W wyniku stopniowego magnesowania ferromagnetyków wzrastającym polem magnetycznym zmienia się konfiguracja domen. Magnesowanie odbywa się od stanu całkowitego rozmagnesowania , poprzez namagnesowanie w jednym kierunku, ale różnym od kierunku pola, aż do namagnesowania do nasycenia, kiedy kierunek domen jest zgodny z kierunkiem pola.

Rzeczywistą krzywą magnesowania wyznacza się przez równoczesny pomiar indukcji magnetycznej i natężenia pola wewnątrz ferromagnetyku. Kształt krzywej magnesowania zależy od wielu czynników m.in. kierunku zmienności pola. Zwykle rozpoczyna się to od momentu, gdy H=0 i B=0. Krzywa rozpoczynająca się w początku układu odpowiadająca monotonicznemu wzrostowi H podczas pierwszego magnesowania nazywa się krzywą pierwotnego magnesowania. Maleniu H począwszy od dowolnej wartości

H_max do zera odpowiada inna krzywa. Pełne przemagnesowanie czyli zmiana natężenia od H_max do -H_max i z powrotem odbywa się wzdłuż krzywej zamkniętej zwanej pętlą histerezy (nie pokrywa się ona z krzywą pierwotnego magnesowania.

Dla małych pól magnetycznych pętla histerezy ma kształt soczewki, dla większych H jej kształt zmienia się.

Współrzędne punktów przecięcia granicznej pętli histerezy z osiami układu są punktami charakterystycznymi: koercją (dla B=0) i pozostałością magnetyczną (H=0).

Pole objęte krzywą magnesowania jest równe wydatkowi energii podczas pełnego, powolnego przemagnesowania jednostki objętości ferromagnetyku. Energia ta wydziela się jako ciepło.

Do pomiaru pętli histerezy magnetycznej służy metoda oscylograficzna. Aby dokonać pomiaru należy doprowadzić do płytek odchylenia poziomego sygnał proporcjonalny do H, a do płytek odchylenia pionowego sygnał proporcjonalny do B.

Natężenie pola obliczamy ze wzoru:

( r - średnia średnica pierścienia ) i jeżeli przyjąć

a indukcję:

Wnioski i ocena otrzymanych rezultatów

Uzyskane w doświadczeniu wykresy pętli histerezy zgodne są z oczekiwaniami, wynikającymi z zależności teoretycznych. Otrzymane pętle różnią się od siebie w zależności od rodzaju namagnesowywanego materiału.

W doświadczeniu wyznaczaliśmy pętlę histerezy dla ferrytu oraz permalloy'u. Pierwszy z nich jest materiałem magnetycznie twardym, tj. Odznaczającym się małą wartością pozostałości magnetycznej i dużym natężeniem koercji. Uzyskane w doświadczeniu wartości liczbowe tych wielkości wynoszą odpowiednio H=1040,86A/m. B=0,27T. Jego przenikalność wynosi 39,79* 10⁴.

Ze względu na powyższe właściwości materiały magnetycznie twarde znajdują zastosowanie jako magnesy trwałe np. przy budowie silników i prądnic.

Drugim typem materiałów był badany w doświadczeniu permalloy. Zaliczamy go do grupy materiałów magnetycznie miękkich, tj. Charakteryzujących się małym natężeniem koercji, a co za tym idzie małym polem powierzchni pętli histerezy. Odznacza się znacznie zwiększoną w porównaniu do ferrytu wartością przenikalności magnetycznej i wąskim obiegiem histerezy. Wartości natężenia koercji i pozostałości magnetycznej dla permalloy'u uzyskane w sposób doświadczalny wynoszą: H= 32,35A/m B=1,23T.

Pole objęte krzywą namagnesowania jest równe wydatkowi energii podczas pełnego, powolnego przemagnesowania jednostki ferromagnetyku. Powyższa energia wydziela się jako ciepło i charakteryzuje straty energii przy przemagnesowywaniu. Stąd wynikają istotne konsekwencje przy wykorzystaniu różnych materiałów np. w transformatorach, gdzie jesteśmy zainteresowani jak najmniejszymi stratami energii objawiającymi się wydzielaniem ciepłą. Użyte do budowy transformatora materiału powinny mieć więc jak najmniejsze pole ograniczone pętlą histerezy. Wyznaczony doświadczalnie przenikalności magnetycznej permalloy'u wynosi 83,8 *10⁴ .

Wykorzystana do pomiaru pętli histerezy metoda oscylograficzna jest niezbyt dokładna ze względu na mało dokładny odczyt mierzonych wartości na mało dokładnym wyświetlaczu oscyloskopu i zniekształceniach powstałych przy przenoszeniu obrazu na papier milimetrowy. Należy zwrócić uwagę na fakt, że uzyskane dane liczbowe obarczone są nie tylko błędami przypadkowymi oraz błędami wynikającymi z dużej niedokładności odczytu wartości z oscyloskopu, ale również istotną rolę grały w tym przypadku błędy systematyczne, popełniane przy wyznaczaniu amplitudy prądu płynącego przez zwoje na podstawie jego wartości skutecznych oraz nieuwzglęnianiu faktu, że układ pomiarowy zawiera transformator i obciążenie obwodu wtórnego powoduje zmianę prądu w obwodzie pierwotnym (powoduje to nieproporcjonalne zmiany sygnałów przyłożonych do płytek oscyloskopu i wpływa na zwiększenie wartości błędów systematycznych).

---