11427

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 15 ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить физическую природу намагничивания диа пара и ферромагнетиков и ферритов. Исследовать зависимость величины индукции магнитного поля и величины относительной магнитной ...

Русский

2013-04-07

1.3 MB

36 чел.

Лабораторная работа № 15

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

  1.  Изучить физическую природу намагничивания диа–, пара– и ферро–магнетиков и ферритов.
  2.  Исследовать зависимость величины индукции магнитного поля и величины относительной магнитной проницаемости феррита от напряженности внешнего поля.

ПРИБОРЫ:

1. Осциллограф С -1-1.

2. Магазин емкостей.

3. Магазин сопротивлений Р-32.

4. Вольтметр цифровой В7-35.

5. Вольтметр Э-59(7,5-60 В).

6. Реостат (30 ом, 5А).

7. Ферритовый сердечник.

8. Катушка индуктивности.

9. РНШ.

ТЕОРИЯ

ЯВЛЕНИЕ МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА

В ферромагнетиках наблюдается явление гистерезиса. Термин «гистерезис» означает отставание, в данном случае – отставание изменений индукции магнитного поля в магнетике от изменений напряженности внешнего поля. В ферромагнетиках магнитная индукция В зависит не только от напряженности магнитного поля Н в данный момент, но и от того, какова, предыстория образца т. е. В является многозначной функцией Н. Если ненамагниченный ферромагнетик поместить в среду, магнитное поле в которой постепенно будет увеличиваться, то зависимость В от Н (кривая намагничивания) выразится участком Оа на рис. 1. При дальнейшем увеличении напряженности кривая намагничивания идет более полого, т. к. величина  (вектор намагничивания) становится практически постоянной (насыщение) и В возрастает только за счет увеличения Н.

Т.к. ферромагнетику присуще свойство остаточного намагничивания, то при уменьшении напряженности до 0, кривая намагничивания не совпадает с Оа, а пойдет по аb. Величина В=Оb называется остаточной индукцией и является характеристикой ферромагнетика. Для того, чтобы уничтожить остаточную намагниченность, необходимо изменить величину и направление напряженности Н. Величина Н=Ос называется остаточной коэрцитивной силой и также является характеристикой ферромагнетика. При дальнейшем увеличении напряженности внешнего поля вновь достигается насыщение намагниченности. Если напряженность уменьшить от значения Н=Оd* до нуля, а затем, изменив направление, увеличивать, получим кривую defa. Замкнутая кривая abcdefa называется петлей гистерезиса. Явление гистерезиса может быть объяснено наличием в ферромагнетиках отдельных макроскопических, но достаточно малых областей намагничивания, называемых доменами.

Если намагничивание образца не доводить до насыщения, а затем уменьшить напряженность Н, то действуя по способу, описанному выше, можно получить семейство петель гистерезиса.

В качестве ферромагнитных материалов применяют проводники–железо и его сплавы с другими элементами. Кроме того, разработан ряд полупроводниковых материалов, обладающих ферромагнитными свойствами, такие материалы называют ферритами. Это соединения типа МеОFe2O3, где Ме–один (или смесь) из двухвалентных катионов Мn, Co, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd.

Феррит состоит из двух магнитных подрешеток, каждая из которых спонтанно намагничена до насыщения подобно ферромагнетику. Однако результирующие магнитные моменты этих подрешеток антипараллельны. Если магнитные моменты подрешеток равны, то результирующий момент равен нулю, и вещество в широком температурном интервале не проявляет магнитных свойств. Этот класс веществ называется антиферромагнетиками. Если магнитные моменты подрешеток не равны, то такие вещества обнаруживают магнитные свойства. Такое явление называется ферримагнетизмом, а вещества–ферритами. Ферриты обладают большим удельным электрическим сопротивлением порядка 102-106Омсм. Этим и обусловлено широкое техническое применение ферритов. В высокочастотных полях в ферромагнитных металлах возникают значительные вихревые токи (токи Фуко), что ведет к большим потерям энергии. Ферриты, обладающие большим удельным сопротивлением, лишены этого недостатка.

ТЕОРИЯ МЕТОДА

Петлю гистерезиса можно получить на экране электронно-лучевой трубки осциллографа. Для этого нужно поместить ферромагнетик или феррит в магнитное поле, создаваемое переменным током. На горизонтально отклоняющие пластины нужно подать напряжение Ux, пропорциональное Н, а на вертикально отклоняющие –Uy, пропорциональное В. Принципиальная схема установки изображена на рис.2.

В лабораторной работе исследуемым веществом является феррит, из которого изготовлен сердечник соленоида L2. Соленоид L2 вставлен внутрь соленоида L1. Обмотка соленоида L1 питается через сопротивление R1 переменным током. Напряженность магнитного поля, созданного током в соленоиде равна

Н=n1I1,

где n1–число витков соленоида L1 на 1 м длины соленоида. Тогда напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах выразится следующим образом:

Ux=

(1).

Из (1) видно, что Ux пропорционально Н.

Во вторичной обмотке соленоида источником тока является ЭДС индукции. ЭДС индукции равна:

(2),

где Ф –поток вектора магнитной индукции через поверхность, охватываемую всеми витками вторичной катушки. Если S– площадь, охватываемая одним витком, а N2–число витков соленоида L2, то

Ф = ВSN2,

(3).

Если пренебречь самоиндукцией вторичной обмотки, то:

инд=Uc +IR2

(4),

  

где Uc =Uу =

(5),

Uc - напряжение на конденсаторе, Q - заряд конденсатора.

Если R2 велико ( R2 ~ 1103Ом), то первым членом справа в формуле (4) можно пренебречь, тогда:

инд= IR2 =-SN2.

Отсюда

I =

(6)

Подставляя выражение (6) в (5), получим, что напряжение, подаваемое на вертикально отклоняющие пластины осциллографа, равно:

Uу=

(7).

Из (7) видно, что Uу пропорционально В.

Таким образом, если на одни пластины электронно-лучевой трубки подается напряжение, пропорциональное Н, на другие - пропорциональное В, то на экране получается кривая, описывающая зависимость В =f(H), т.е. петля гистерезиса.

За один период синусоидального изменения тока след электронного луча на экране опишет полную петлю гистерезиса, а за каждый последующий период в точности его повторит. Поэтому на экране будет видна неподвижная петля гистерезиса. Увеличивая напряжение Ux, увеличим амплитуду колебаний напряженности Н и получим на экране последовательно ряд различных по своей площади петель гистерезиса. Верхняя точка петли гистерезиса находится на кривой намагничивания.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

  1.  Собрать схему по рис.2. В качестве L1 использовать самодельную катушку, имеющую число витков N1= 4000, длину намотки l=22 см..

Включить осциллограф, вывести электронный луч в центр координатной сетки, отрегулировать яркость и фокусировку изображения. Для этого воспользоваться рекомендациями, изложенными в пунктах а–ж.

а)Яркость свечения пятна на экране определяется количеством электронов, ударяющихся об экран в единицу времени. Меняя отрицательный потенциал управляющего электрода электронно-лучевой рубки, можно регулировать яркость пятна на экране. Это достигается при помощи делителя напряжения, ручка которого снабжена надписью «яркость».

б)Фокусировка электронов в одну точку на экране осуществляется изменением разности потенциалов между первым и вторым анодами трубки. Фокусировка луча производится при помощи делителя напряжения, ручка которого имеет надпись «фокус».

в)Смещение изображения в вертикальном направлении производится при помощи делителя, ручка которого имеет надпись «Ось У».

г)Смещение изображения в горизонтальном направлении производится делителем, ручка которого имеет надпись «Ось Х».

(Ручки «Ось Х» и «Ось У» устанавливают изображение в нужном месте на экране трубки).

д)Переключатель «Ослабление» дает возможность ослабить исследуемый сигнал в отношениях 1:10 и 1:100.

е)Ручкой с указателем «Вертикальное усилие» можно плавно регулировать усиление вертикального смещения от нуля до максимальной величины.

ж)Ручка с указателем «Горизонтальное усилие» служит для усиления напряжения, подаваемого на горизонтально отклоняющие пластины.

3.Подать питание в схему от РНШ. Напряжение на РНШ подобрать такое, чтобы петля гистерезиса имела участок насыщения.

4.С помощью рукояток «Вертикальное усиление» и «Горизонтальное усиление» добиться того, чтобы петля гистерезиса занимала большую часть экрана. Начать измерение Uх и Uу. Величину Ux определяем по показаниям вольтметра Э-59, величину Uу – по показаниям цифрового вольтметра В7-35.

5.Уменьшая подаваемое от РНШ напряжение в первичную обмотку соленоида, получить на экране осциллографа семейство петель гистерезиса. Измерения производить до тех пор, пока петля не стянется в точку (9-10 измерений).

6.Вычислить значения Н и В для всех полученных петель гистерезиса. Вычисления значений Н и В производить по формулам (8) и (9), полученным из (1) и (7):

Н=

(8),

В=

(9),

где: R1=30 Ом (реостат),

R2=(2-5)103Ом (магазин Р-32),

С=4 (магазин емкостей),

n1=18180 1/м,

N2=80,

B=0H,

S=188мм2.

Величины R1 и R2 следует подставлять в омах, С - в фарадах, S - м2, Uх, Uу - в вольтах, тогда напряженность Н будет выражаться в А/м, индукция В- в тесла.

Определить систематические погрешности Н и В, для чего получить формулы погрешностей из рабочих формул (8) и (9). Результаты внести в таблицу. Построить график В=(Н).

Таблица

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Ux

B

Uy

B

H

А/м

H

А/м

B

Тл

B

Тл

-



  1.  Определить «» и построить график = (Н). Данные внести в таблицу.

ПРИМЕЧАНИЯ:

  1.  Прежде чем проводить измерения цифровым вольтметром В7-35, ознакомиться с прилагаемой к нему инструкцией.

2) При построении графиков В = (Н) и = (Н) экспериментальные точки наносить с учетом H, В, . Масштабы выбирать так, чтобы на графике величины погрешностей были не меньше 1 мм.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Что называется относительной магнитной проницаемостью?
  2.  Как классифицируются магнетики? По какому признаку?
  3.  Что такое вектор намагничивания I? Как он связан с индукцией В?
  4.  В чем заключается явление гистерезиса?
  5.  Каким образом можно объяснить остаточную намагниченность?
  6.  Чем отличается поведение ферромагнетиков в магнитном поле от поведения парамагнетиков и диамагнетиков?
  7.  Что такое точка Кюри?
  8.  Чем отличаются ферриты от ферромагнетиков?
  9.  Какова природа намагничивания парамагнетиков и диамагнетиков?
  10.  Объяснить природу намагничивания ферромагнетиков с привлечением представлений о структуре электронных оболочек атома.

Дополнительное задание

Цель задания:  

Овладеть методикой измерения индукции переменного магнитного поля миллитесламетром.

Приборы:  

  1.  Миллитесламетр Ф 4356,
  2.  Две катушки индуктивности L1 и L2 ,
  3.  Реостат (30 ОМ, 5А),
  4.  Батарея конденсаторов,
  5.  РНШ,
  6.  Вольтметр Э-59 (7,5 – 60 В).

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Включить миллитесламетр в сеть, дать нагреться 5 мин. Выбрать номинал «1mТл» и произвести уточнение установки стрелки на «0», после чего можно приступать к измерениям, начиная с номинала «100 mTл».

  1.  Подать на катушку L1 такие напряжения от РНШ, чтобы показания вольтметра Э-59 совпадали со значениями напряжения Uх  предыдущих измерений. Для каждого из этих значений напряжения измерить миллитесламетром индукцию в воздухе магнитного поля, созданного катушкой L1. При этом катушку L2 вынуть из катушки L1.

Щуп миллитесламетра размещать на оси соленоида L1, на его краю. Выбрать предел измерения, при котором стрелка прибора будет во второй половине шкалы.

  1.  Из формулы

В = 0 Н

определить значения напряженности магнитного поля соленоида L1.

  1.  Поместить соленоид L2 внутрь соленоида L1 так, чтобы их края совпадали. Щуп помещать вплотную к концам ферритовых стержней. Измерения вновь начать с номинала “100 mTл», постепенно по мере необходимости, уменьшая его.

Измерения индукции в феррите Вф производить при значениях напряжения Uх , указанных в пункте 2. Результаты измерений и расчетов внести в таблицу.

  1.  По результатам измерений и расчетов построить график зависимости В=f(H) на одном листе с аналогичным графиком, построенным по результатам выполнения основной части работы. Сравнить полученные графики, результаты сравнения объяснить.

Uх

В

Ввак.

mТл

Н

А/м

Вф.

mТл

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каков принцип действия миллитесламетра Ф 4356?

2. Как нужно размещать датчик прибора в магнитном поле? Почему?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

67748. Проектирование систем отопления и вентиляции жилого дома в г.Троицкое 2.45 MB
  Цель: рассчитать толщину утепляющего слоя, термическое сопротивление ограждения и коэффициент теплопередачи. Теплотехнический расчет выполняется для наружной стены, подвального, чердачного перекрытий, наружной входной двери. Теплотехнический расчет наружной стены Определяем градусо-сутки отопительного...
67749. АРИФМЕТИКА МНОГОЧЛЕНОВ 461 KB
  Множество всех многочленов от одной переменной над полем образует коммутативное кольцо с единицей. В кольце многочленов имеет место алгоритм деления с остатком аналогичный тому который имеет место для целых чисел. Если для многочленов и в кольце существуют такие многочлены и что многочлен можно представить...
67750. Програмування в Mathcad. Освоєння основ програмування в Mathcad 59.5 KB
  Привести тестові приклади для розроблених програм Елементи вектору можуть бути дійсними або комплексними Знайти елемент вектору максимальний мінімальнний з максимальним значенням дійсної частини з мінімальним значення уявної частини максимальний по модулю...
67751. АРИФМЕТИКА ОСТАТКОВ 524 KB
  Для произвольного приведённого многочлена ненулевой степени над полем кольцом многочленов по модулю называется множество всех многочленов над этим полем, степени которых не превышают степень самого многочлена, с операциями сложения и умножения многочленов по модулю.
67753. ШИФРИ ЗАМІНИ І ПЕРЕСТАНОВКИ 118 KB
  Шифр заміни шифр підстановки метод шифрування при якому кожен елемент початкового тексту взаємнооднозначно замінюється одним або декількома знаками деякого алфавіту. Шифр простої заміни замінює кожен знак вхідного алфавіту на деякий знак з того ж алфавіту Результат заміни не залежить від розташування...
67756. Исследование последовательного колебательного контура (резонанс напряжений) 374.5 KB
  В процессе выполнения работы исследуются и изучаются следующие вопросы: Явление резонанса возникающее в неразветвленной цепи содержащей катушку индуктивности и конденсатор последовательный колебательный контур; Условие возникновения резонанса в цепи и его проверка в лабораторных условиях...