Автор работы: Пользователь скрыл имя, 01 Июля 2011 в 01:13, лабораторная работа
Цель данной лабораторной работы - исследовать магнитное поле постоянного магнита, используя датчик Холла.
Лабораторная работа
«Магнитоэлектрические
преобразователи»
Цель:
Исследовать магнитное поле постоянного
магнита, используя датчик Холла.
Общие
понятия
Магнетизм — форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля.
Магнитное
поле — составляющая электромагнитного
поля, появляющаяся при наличии изменяющегося
во времени электрического поля.
Основными источниками магнитного поля являются орбитальные и спиновые магнитные моменты элементарных частиц, атомов и молекул.
В
макроскопическом масштабе источниками
магнитного поля являются электрический
ток (ток заряженных частиц) и постоянные
магниты (магнитные моменты электронов
в атомах). Основной (силовой) характеристикой
магнитного поля является вектор магнитной
индукции
, совпадающий в вакууме с вектором
напряженности магнитного поля. В международной
системе единиц СИ магнитная индукция
измеряется в Тесла (Тл).
Магнит
— тело, обладающее собственным магнитным
полем.
Постоянный магнит — изделие из жёсткого материала с высокой остаточной магнитной индукцией, сохраняющее состояние намагниченности в течение длительного времени.
Постоянные
магниты применяются в качестве
автономных (не потребляющих энергии)
источников магнитного поля.
Электромагнит
— устройство, магнитное поле которого
создаётся только при протекании электрического
тока. Как правило, это катушка-соленоид,
со вставленным внутрь железным сердечником
с большой магнитной проницаемостью µ
~ 104.
Рис. 1. Постоянный магнит |
Рис. 2. Картина силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом в форме стержня. Железные опилки на листе бумаги |
Классификация
веществ по магнитным
свойствам
По
своим магнитным свойствам
Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков — антиферромагнетики и ферримагнетики. В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.
Электрон, вращающийся вокруг атома, можно рассматривать как циклический электрический ток очень малой силы и радиуса, индуцирующий магнитное поле. Фактически же, все электроны, вращаясь вокруг атомов, производят свое магнитное поле, и каждый атом, как следствие, обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле, или суперпозицию магнитных полей отдельных электронов.
В атомах одних элементов равное число электронов вращается во всевозможных направлениях, и их магнитные поля взаимно гасятся. В атомах других элементов орбиты электронов могут быть ориентированы таким образом, что часть электронов производит магнитные поля, остающиеся некомпенсированными за счет полей электронов, обращающихся в противоположном направлении. И когда такие магнитные поля, связанные с вращением электронов по орбите оказываются одинаково направленными у всех атомов кристаллической структуры вещества, вокруг вещества создаётся стабильное и достаточно сильное магнитное поле.
Магнитные свойства вещества зависят от конфигурации электронных орбит атомов. Даже после разбиения на отдельные атомы железо, например, сохранит свои ферромагнитные свойства. А вот при дальнейшем дроблении можно получить лишь элементарные частицы, которые собственными магнитными свойствами не обладают, и описать природу магнетизма будет уже нельзя. Магнитные свойства вещества зависят исключительно от конфигурации элементарных частиц в составе атома и организации кристаллических доменов, но не от свойства заряженных частиц атомной структуры.
Любой фрагмент такого вещества представляет собой маленький магнит с четко выраженными северным и южным полюсами. Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества.
В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше — на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока.
Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.
В большинстве веществ внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких веществ нет. В то же время эти вещества обладают собственным ненулевым локальным магнитным моментом (например, нескомпенсированный атомный магнитный момент).
При
помещении такого вещества в сильное
внешнее поле (например, между полюсами
мощного магнита) магнитные поля
атомов ориентируются в направлении,
совпадающем с направлением внешнего
магнитного поля, и мы наблюдаем эффект
усиления магнитного поля в присутствии
такого вещества. Вещества, обладающие
подобными свойствами, называются парамагнетиками.
Стоит, однако убрать внешнее магнитное
поле, как парамагнетик тут же размагничивается,
поскольку атомы снова выстраиваются
хаотично. То есть, парамагнетики характеризуются
способностью к временному намагничиванию.
Ферромагнетики
Ферромагнетики — вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (температуры Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах).
(Температура Кюри — температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества. К примеру, при температуре ниже температуры Кюри ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью, вызванной упорядоченной ориентацией магнитных моментов атомов. При температуре выше температуры Кюри упорядоченность разрушается из-за сильных тепловых колебаний атомов. В результате этого ферромагнетик становится парамагнетиком. Аналогичные фазовые переходы могут наблюдаться не только в ферромагнетиках, но и в антиферромагнетиках, в сегнето- и антисегнетоэлектриках, в упорядоченных сплавах.)
Дальний ферромагнитный порядок заключается в следующем. Атомам (или ионам) при температуре ниже температуры Кюри оказывается энергетически выгодно выстроиться таким образом, что их магнитные поля оказываются однонаправленными и усиливают друг друга. Намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов. Такой объем вещества принято называть доменом. В каждом домене магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Благодаря этому возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материала.
Среди химических элементов ферромагнитными свойствами обладают переходные элементы Fe, Со и Ni и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Но, Er. Также обладают ферромагнитными свойствами многочисленные металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами, сплавы и соединения Cr и Mn с неферромагнитными элементами, соединения ZrZn2 и ZrxM1-xZn2 (где М – это Ti, Y, Nb или Hf, 0 £ x £1), Au4V, Sc3In и др., а также некоторые соединения металлов группы актиноидов (например, UH3).
Особую
группу ферромагнетиков образуют сильно
разбавленные растворы замещения парамагнитных
атомов, например Fe или Со в диамагнитной
матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные
моменты распределены неупорядоченно
(при наличии ферромагнитного порядка
отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный
порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных)
металлических сплавах и соединениях,
аморфных полупроводниках, в обычных органических
и неорганических стеклах, халькогенидах
(сульфидах, селенидах, теллуридах) и т.п.
К известным неметаллическим ферромагнетикам
относятся, например, ионные соединения
типа La1-x CaxMnO5(0,4 > x >
0,2), EuO, Eu2SiO4, EuS, EuSe, EuI2,
CrB3 и т.п. У большинства из них температура
Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений
Eu, халькогенидов, CrB3 значение температуры
Кюри ~ 100 К.
Антиферромагнетики
Антиферромагнетики — вещества, в кристалле которых формируются две или более двух антипараллельно ориентированных подрешёток, магнитные моменты которых дают в сумме нулевую намагниченность в отсутствии магнитного поля.
Обычно вещество становится антиферромагнетиком ниже определённой температуры TN (температуры Нееля) и остаётся антиферромагнетиком вплоть до TК (температуры Кюри).
Антиферромагнетиками
являются твёрдый кислород (α-модификация
при T < 24К), хром (TN = 310К), а также ряд
редкоземельных металлов (Dy, Ho, Er, Tu, Tb).
Число известных химических соединений,
которые становятся антиферромагнетиками
при определённых температурах, приближается
к тысяче (MnSO4, FeSO4, CoSO4,
NiSO4, MnCO3, FeCO3, CoCO3,
NiCO3, MnO, FeO, CoO, NiO, MnF2, FeF2,
CoF2, NiF2.
Ферримагнетики
В
ферримагнетиках, в отличие от антиферромагнетиков,
полной компенсации магнитных моментов
подрешёток не происходит, и материал
в целом обладает ненулевой спонтанной
намагниченностью.
Большинство ферримагнетиков — это ионные кристаллы, содержащие магнитные ионы различных элементов или одного элемента, но либо имеющие разную валентность, либо находящиеся в разных кристаллографических позициях. Наиболее обширный класс хорошо изученных ферримагнетиков образуют ферриты. Из других ферримагнитных кристаллов следует отметить группу гексагональных двойных фторидов (RbNiF3, CsNiF3, TlNiF3, CsFeF3), особенно интересных тем, что они являются прозрачными в оптической области. К ферримагнетикам принадлежит также ряд сплавов и интерметаллических соединений. В большинстве случаев это вещества, содержащие атомы редкоземельных элементов. В частности, особый интерес представляет соединение типа RMe5, где R – редкоземельный ион, Me – ион группы железа (например, GdCo5).
Ферримагнетики
применяются в качестве сердечников высокочастотных
контуров в радиотехнике, невзаимных элементов
в СВЧ-технике, элементов памяти в ЭВМ
и для создания постоянных магнитов.
Эффект
Холла
Эффект Холла — возникновение поперечного электрического поля и разности потенциалов в проводнике или полупроводнике (датчике Холла), по которым проходит электрический ток, при помещении их в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока.