ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.04.2021
Просмотров: 416
Скачиваний: 2
26
5.
Как возникает двойной электрический слой в p-n - переходе.
6.
Объяснить процессы, проходящие в области p-n-перехода при
различных способах подключения к нему внешнего источника.
7.
Почему p
n переход обладает односторонней проводимостью?
Объяснить рост тока через p–n переход при прямом смещении и
практически отсутствие тока при обратном.
8.
Нарисовать и объяснить ход вольтамперной характеристики
полупроводникового диода.
РАБОТА № 8
ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ГИСТЕРЕЗИСА ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
Цель
работы:
практическое
изучение
поведения
магнитных
характеристик
ферромагнетиков
в
переменном
магнитном
поле,
исследование процесса перемагничивания ферромагнетиков.
Оборудование:
установка ФЭЛ-11.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Одно из ключевых понятий в физике магнитных явлений – это
понятие вектора магнитного момента
p
m
. Магнитный момент любого
замкнутого контура, по которому течет ток
I,
определяется по формуле:
m
p
ISn
, (1)
где
S –
площадь контура,
n
- единичный вектор нормали, направление
которого определяется по правилу правого винта относительно
направления тока в контуре. Электрону, движущемуся в атоме по
круговой орбите со скоростью
v
, соответствует микроскопический
круговой ток, магнитный момент которого также находится по формуле
(1), которую можно привести к виду:
p
m
=
−
evr
/
2
,
(2)
где
r
– радиус электронной орбиты. Это –
орбитальный
магнитный
момент электрона
p
e
(рис. 1а). Кроме того, электрон обладает еще и так
называемым собственным или
спиновым
магнитным моментом
p
s
,
который является таким же неотъемлемым свойством электрона, как его
масса и заряд. Во внешнем магнитном поле магнитный момент
ориентируется по направлению вектора магнитной индукции
В
под
действием вращающего момента сил:
27
0
m
m
M
p
B
p
H
, (3)
где
р
– магнитный момент элементарного магнита,
B
– вектор магнитной
индукции,
H
–
напряженность
внешнего
магнитного
поля,
7
6
0
4
10
1, 256 10
Гн/м – магнитная постоянная.
Подобная ориентация наблюдалась бы и для орбитального момента
электрона, если бы электрон не обладал еще и орбитальным моментом
импульса:
L =
[
r, mv]
,
(4)
вследствие чего под действием момента сил
М
векторы
p
m
и
L
, а также и
сама электронная орбита начинают
прецессировать –
вращаться вокруг
оси, совпадающей с направлением магнитного поля (рис.1
б
). Круговая
частота прецессии (ларморова частота) вычисляется по простой формуле:
ω
L
=
е B
/
2m,
(5)
откуда видно, что ларморова прецессия – это универсальное явление,
характерное для поведения во внешнем магнитном поле всех электронов
любых атомов.
С
прецессией
электронной
орбиты
связано
возникновение
дополнительного
кругового
движения
электрона,
приводящего
к
появлению дополнительного кругового тока ΔI
орб
(рис.1
б
) и связанного с
ним дополнительного магнитного момента Δ
p
m
, который
всегда
направлен
противоположно вектору
В
магнитного поля. Это явление называется
диамагнетизм
. Очевидно, что диамагнетизм универсален, то есть присущ
атомам всех веществ.
Рис.1. а) орбитальный и спиновый магнитные моменты электрона; б)
ларморова прецессия электронной орбиты, и появление дополнительного
s
P
e
P
I
L
а)
б)
e
L
B
0
m
p
орб
I
m
p
V
28
магнитного момента, ориентированного противоположно направлению
магнитного поля.
Магнитный момент атома
p
ат
есть векторная сумма орбитальных и
спиновых магнитных моментов всех его электронов, а также магнитного
момента ядра, которым можно пренебречь в силу его малости:
р
ат
=
1
Z
i
(р
ei
+
p
si
).
(6)
Соответственно, магнитный момент молекулы – это векторная сумма
магнитных моментов всех ее атомов:
Р
мол
=
1
N
i
р
ат
(7)
Если орбитальные
e
p
и спиновые
s
p
моменты скомпенсированы,
то единственным результатом влияния внешнего магнитного поля будет
прецессия электронных орбит и появление атомного (молекулярного)
магнитного момента, направленного противоположно полю – вещество
намагничивается против внешнего поля. Такие вещества называются
диамагнетиками
(инертные газы, многие органические соединения,
некоторые металлы).
Если магнитный момент атома (молекулы) в отсутствие внешнего
поля не равен нулю, то при включении поля имеет место:
1) ориентация этих магнитных моментов в направлении поля, чему
препятствует тепловое движение, стремящееся разрушить эту ориентацию;
2) диамагнитный эффект.
Если второй фактор значительно меньше первого, то вещество в итоге
намагничивается
по
направлению
внешнего
поля
и
является
парамагнетиком.
Диа-
и
парамагнетики
являются
магнито-неупорядоченными
магнетиками. Кроме того – это слабые магнетики.
Магнитный момент макроскопического образца
Р
складывается из
магнитных моментов атомов
атi
p
1
N
i
i
P
p
,
(8)
где i - номер атома, N – их число в образце.
Количественной мерой намагниченности магнетика является
вектор
намагничения
, который по определению есть магнитный момент единицы
объема магнетика:
P
J
V
.
(9)
Намагниченность
J
линейно связана с напряженностью магнитного поля:
29
J
H
,
(10)
где χ - коэффициент пропорциональности, называемый магнитной
восприимчивостью
вещества.
Магнитные
свойства
вещества
характеризуются также магнитной проницаемостью
μ
. Коэффициенты
χ
и
μ
связаны соотношением:
1
(11)
Для диамагнетиков магнитная восприимчивость отрицательна (
0), и,
как правило, очень мала (
диа
10
–6
). У парамагнетиков восприимчивость
положительна (
0), и также мала (
пара
10
–3
10
–6
). В диамагнетиках
, а в парамагнетиках
.
Магнитное поле в веществе складывается из внешнего магнитного
поля
H
B
0
0
и магнитного поля, создаваемого веществом вследствие
его намагничивания
B
:
B
B
B
0
.
(12)
Для однородного намагниченного стержня бесконечной длины:
0
0
B
J
H
,
(13)
тогда :
0
0
B
H
J
,
(14)
или:
H
B
)
1
(
0
.
(15)
Наряду с диа- и парамагнетиками, у которых
мало отличается от 1,
существуют вещества (железо, никель, кобальт, гадолиний, их соединения
и сплавы), обладающие значительной магнитной проницаемостью (
)
и намагниченные даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Такие
вещества
называются
ферромагнетиками
и
относятся
к
магнитоупорядоченным
магнетикам.
В
ферромагнетиках
самопроизвольная (спонтанная) намагниченность возникает за счет так
называемого обменного взаимодействия между атомами, имеющего
квантовомеханическую природу. Это взаимодействие преодолевает
дезориентирующее
действие
теплового
движения
и
ориентирует
магнитные моменты всех атомов параллельно.
Ферромагнетик
является
таковым
в
ограниченном
интервале
температур ниже температуры, при которой в нем происходят структурные
изменения, и называемой температурой Кюри
Т
С
. Температурная
зависимость спонтанной намагниченности
J
S
приведена на рис. 2а. Видно,
что величина
J
S
монотонно уменьшается с нагреванием и исчезает при
Т
>
Т
C
. При
Т
>
Т
C
имеет место парамагнитное состояние с хаотической
ориентацией магнитных моментов при
Н
= 0. При
Т
<
Т
C
возникает
30
ферромагнитное состояние с параллельной ориентацией магнитных
моментов (рис. 2 б).
В парамагнитной области при
Т
>
Т
С
для магнитной восприимчивости
cвыполняется закон Кюри-Вейсса:
C
T
T
C
1
,
(16)
где
C
- постоянная Кюри-Вейсса. Как можно видеть на рис. 2а, величина
1/χ для ферромагнетиков изменяется линейно с температурой.
Наличие макроскопической намагниченности сильно увеличивает
магнитостатическую энергию образца. Ее минимизация происходит тогда,
когда образец разбивается на домены (см. рис. 3). Доменом называется
часть ферромагнетика, в которой за счет обменного взаимодействия все
магнитные моменты при отсутствии внешнего поля устанавливаются в
одном направлении (рис. 3а). Домен обладает магнитным моментом
d
p
.
Размеры доменов составляют
6
8
10 ...10
м. Между доменами (А и В на
рис. 3 б) имеются переходные слои – доменные границы (область С на
рис. 3 б), внутри которых вектор спонтанной намагниченности меняет свое
направление от направления в домене А до направления в домене В.
Особенности
магнитных
свойств
ферромагнетиков
связаны
с
существованием у них доменной структуры. При отсутствии внешнего
магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов компенсируют
друг друга, и общий магнитный момент образца равен нулю. Внешнее
магнитное поле в ферромагнетиках переориентирует магнитные моменты
доменов, вследствие чего появляется результирующее намагничивание,
отличное от нуля.
При увеличении магнитного поля
Н
намагниченность
образца возрастает за счет смещения границ доменов и процессов
Рис. 2
s
J
0
C
T
T
1
a)
б)