Опыт 181. Модель доменной структуры ферромагнетиков - Решение

Опыт 181. Модель доменной структуры ферромагнетиков. Оборудование: 1. Модель строения ферромагнетика. 2. Магнит постоянный прямой. 3. Проекционный аппарат. Объяснение опыта: Для объяснения доменной структуры ферромагнетика используется специальный прибор (рис. 3-169). Этот прибор состоит из рамки с дном, сделанным из органического стекла. На дне рамки установлены двадцать острий, расположенных в четыре ряда на расстоянии примерно 15 мм друг от друга. На каждое острие насажена магнитная стрелка или стальной намагниченный цилиндрик с одним закругленным торцом. Сверху рамка закрыта стеклом, которое предотвращает соскакивание цилиндриков с острия. С помощью приспособления для горизонтальной диапроекции прибор проецируют на экран. Учащиеся наблюдают за случайной самопроизвольной ориентацией магнитиков в приборе. Наблюдаемая картина аналогична воображаемой картине расположения частиц в ферромагнетике. На рисунке 3-170, а показан один из случаев возможного расположения цилиндриков. На нем можно заметить группы магнитиков с одинаковой ориентацией. Это соответствует наличию областей самопроизвольного намагничивания (доменов) в ненамагниченном ферромагнетике. Если подвести к двум противоположным сторонам модели разноименные полюсы прямых магнитов, то цилиндрики повернутся закругленными концами в одну сторону. В этом случае на экране получится картина, изображающая магнитное насыщение (рис. 3-170, б). Как это происходит и какая сила действует: В основе этого опыта лежит взаимодействие магнитных полей. Каждый намагниченный цилиндрик в приборе является маленьким магнитом, имеющим свои северный и южный полюсы. 1. **Самопроизвольная ориентация (рис. 3-170, а):** Когда внешнего магнитного поля нет, цилиндрики ориентируются случайным образом. Однако, из-за взаимодействия между соседними магнитиками, они стремятся выстроиться таким образом, чтобы их магнитные поля компенсировали друг друга или образовывали замкнутые линии. Это приводит к формированию "доменов" – областей, где магнитики ориентированы примерно в одном направлении. Силы, действующие между магнитиками, – это силы магнитного притяжения и отталкивания. Одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются. В результате этих взаимодействий система стремится к состоянию с минимальной энергией, что проявляется в образовании доменов. 2. **Магнитное насыщение (рис. 3-170, б):** Когда к модели подносят внешний магнит, его магнитное поле начинает действовать на все цилиндрики. Внешнее магнитное поле создает силовой момент, который стремится повернуть каждый цилиндрик так, чтобы его магнитный момент (направление от южного к северному полюсу) совпал с направлением внешнего магнитного поля. Сила, действующая на каждый цилиндрик, – это сила Лоренца, которая возникает при взаимодействии магнитного поля с движущимися зарядами внутри цилиндрика. Однако, в данном случае, более уместно говорить о **магнитном моменте**, который стремится выровнять магнитные диполи (цилиндрики) по направлению внешнего поля. Магнитный момент \(\vec{M}\) цилиндрика во внешнем магнитном поле \(\vec{B}\) испытывает крутящий момент \(\vec{\tau}\), который определяется формулой: \[\vec{\tau} = \vec{M} \times \vec{B}\] Этот крутящий момент заставляет цилиндрики поворачиваться до тех пор, пока их магнитные моменты не станут параллельны внешнему магнитному полю. Когда все цилиндрики выстраиваются в одном направлении, модель демонстрирует состояние магнитного насыщения, аналогичное тому, что происходит в реальных ферромагнетиках. Таким образом, этот опыт наглядно демонстрирует, как внутренние магнитные взаимодействия приводят к образованию доменов, а внешнее магнитное поле может вызвать их переориентацию, приводящую к намагничиванию и магнитному насыщению. Изготовление самодельной модели: При изготовлении самодельной модели главное внимание нужно обратить на изготовление магнитиков. Их режут длиной по 12 мм из стального прута диаметром 5 мм. В середине заготовленного цилиндрика сверлят глухое отверстие диаметром 2 мм, не доходя до конца на 1–1,5 мм (рис. 3-171). Чтобы вершина отверстия для иглы была более узкой, полезно сделать небольшую дополнительную сверловку тонким сверлом (0,5–0,8 мм). Изготовленные цилиндрики уравновешивают в горизонтальном положении, подпиливая более тяжелый конец сверху или снизу (образовавшиеся плоскости на проекции не будут видны). После этого все цилиндрики закаливают и намагничивают при помощи электромагнита, собранного из деталей универсального трансформатора. Разъяснение процесса размагничивания: Если двигать над прибором полюс магнита и этим способом привести магнитики в быстрое вращение, то они вновь образуют по-разному ориентированные группы. Подобно этому происходит размагничивание образца в переменном магнитном поле при ударах, при нагревании. Это происходит потому, что быстрое вращение или воздействие переменного магнитного поля, удары или нагревание сообщают магнитным доменам (в данном случае, цилиндрикам) дополнительную энергию. Эта энергия позволяет им преодолеть силы взаимодействия, которые удерживали их в упорядоченном состоянии. В результате, магнитики снова принимают случайную ориентацию, и общая намагниченность образца уменьшается до нуля, то есть происходит размагничивание.