12365

Изучение явления магнитного гистерезиса

Лабораторная работа

Физика

17 PAGE 16 Лабораторная работа № 12 Изучение явления магнитного гистерезиса 1. Цель работы. Проведение измерений цикла перемагничивания ферромагнетика. 2. Электронный осциллограф. Прибор предназначен для исследования быстропеременных периодичес

Русский

2013-04-26

4.23 MB

6 чел.

17

PAGE  16

Лабораторная работа № 12

«Изучение явления магнитного гистерезиса»

1. Цель работы. Проведение измерений цикла перемагничивания ферромагнетика.

2. Электронный осциллограф.

Прибор предназначен для исследования быстропеременных периодических процессов. Например, с помощью осциллографа можно найти силу тока и напряжение, изучать зависимость силы тока и напряжения от времени, измерять сдвиг фаз между ними, сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, при применении соответствующих преобразователей осциллограф позволяет исследовать неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, кратковременные давления и т. д.

Достоинством электронного осциллографа является его высокая чувствительность и практическая безинерционность действия, что позволяет без труда исследовать процессы, длительность которых не превышает 10-7 с.

Работа схемы электронного осциллографа ниже изложена на примере простейшего осциллографа типа С1-1.

Электроннолучевая трубка внешне представляет собой стеклянную колбу специальной формы. Внутри колбы создан высокий вакуум. В колбе (рис. 12.1) помещается подогреватель 1, катод 2, управляющий электрод 3, первый анод (фокусирующий) 4, второй анод (ускоряющий) 5, вертикально отклоняющие пластины 6, горизонтально отклоняющие пластины 7, экран 8, покрытый флюоресцирующим веществом.

Подогреватель, катод, управляющий электрод и оба анода образуют электронную пушку. Назначение электронной пушки – получить сфокусированный поток электронов (электронный луч). Электронная пушка получает питание от высоковольтного выпрямителя, обеспечивающего разность потенциалов между катодом и вторым анодом 1-5 кВ. Это напряжение подается на ряд последовательно соединенных резисторов (потенциометров) R1, R2, R3, R4. Таким образом, обеспечивается возможность регулирования потенциалов отдельных частей пушки. Например, подавая на управляющий электрод отрицательный по отношению к катоду потенциал, мы сможем регулировать число электронов, выходящих из электронной пушки (сравните с действием сетки в трехэлектродной лампе), и, следовательно, яркость свечения экрана. Поэтому ручка, соответствующая движку потенциометра R1, выведена на переднюю панель, обозначена “Яркость” или “☼”. Кроме того, совместно с первым анодом управляющий электрод образует электростатическую линзу, собирающую электроны в пучок. Пучок, проходя внутри первого анода, сжимается, а затем окончательно фокусируется второй электростатической линзой. Изменением потенциала первого анода,


Рис. 12.1. Упрощенная электрическая схема осциллографа.

осуществляется фокусировка. Ручка потенциометра R3 выведена на переднюю панель и обозначена “Фокус” или “ хО”. Выйдя из второго анода, электронный луч проходит между двумя парами отклоняющих пластин и, попадая на флюоресцирующий экран, вызывает его свечение. В отсутствие разности потенциалов между отклоняющими пластинами луч падает в центр экрана. При приложении между пластинами разности потенциалов между ними образуется электрическое поле, которое, действуя на пролетающие в нем электроны, отклоняет их от первоначального направления в сторону пластины с большим потенциалом. Отклонение луча зависит от величины и знака разности потенциалов, приложенной к пластинам. Как показывают расчеты, смещение луча на экране пропорционально разности потенциалов между пластинами, т.е.

 X=XUX, (12.1)

Y=YUY, (12.2)

где X, Y – смещения луча в горизонтальном и вертикальном направлении; UX, UY – разности потенциалов между горизонтальными и вертикальными отклоняющими пластинами. Коэффициенты пропорциональности X и Y называются чувствительностями трубки к напряжению соответственно в направлениях осей X и Y. Чувствительность к напряжению определяет смещение электронного луча на экране при разности потенциалов на пластинах 1 В.

При одновременном действии полей между обеими парами пластин луч сместится и в горизонтальном и в вертикальном направлении и окажется в точке с координатами X и Y, определяемыми формулами (12.1) и (12.2).

Обычно исследуемое напряжение подводится к пластинам ПY, тогда как на пластины ПX подается напряжение, управляющее движением электронного пучка (например, пилообразное напряжение). Для перемещения изображения по экрану управляющие пластины соединены с потенциометрами R5 и R6 (рис. 12.1), которые, в свою очередь, присоединены к источнику постоянного напряжения. Середина каждого из потенциометров R5 и R6 заземлена. Если ручка потенциометра R5 стоит на середине, то между пластинами 7 разность потенциалов равна нулю, так как противоположная пластина заземлена всегда. При повороте ручки потенциометра R5  от среднего значения, потенциал пластины ПX будет изменяться, что приведет к перемещению луча на экране по горизонтали. Ручка потенциометра R5 выведена на переднюю панель и обозначена “↔”. Аналогично работает потенциометр R6. Его ручка обозначена “↕”.

Для того чтобы подавать исследуемое напряжение на пластины, на задней или передней стенке осциллографа имеются специальные гнезда: вход Y, вход X. На некоторых осциллографах имеется возможность исследовать одновременно два напряжения, поэтому на таких приборах имеется два гнезда Y1, Y2. С входной клеммы Y напряжение UY подается на делитель напряжения, состоящий из резисторов R7, R8, R9 (рис. 12.2). Эти резисторы подобраны таким образом, что при постановке переключателя S1 в положения 1, 2, 3 на потенциометр R10 подаются соответственно напряжения UY, UY/10, UY/100. Переключатель S1 имеет на передней панели ручку, обозначенную “Ослабление” или “V|DIV” или “V/Дел”.

Рис. 12.2. Делитель напряжения.

Перемещая движок потенциометра R10, можно плавно изменять напряжение подаваемое на усилитель, а следовательно и на пластину ПY. Ручка потенциометра R10 на передней панели осциллографа обозначена “Усиление” или “Плавно”. Аналогичные потенциометры и усилитель стоят перед пластиной ПX.

Генератор непрерывной развертки или генератор пилообразного напряжения вырабатывает импульсы напряжения пилообразной формы. График этого напряжения показан на рис. 12.3. Напряжение в течении промежутка T линейно увеличивается, а затем почти мгновенно падает до первоначального значения. Подадим такое напряжение на пластину ПX и проследим за движением луча на экране. Поскольку напряжение UX пропорционально времени в течении промежутка T, смещение X тоже пропорционально времени, то есть луч движется по экрану равномерно слева направо (прямой ход). Когда напряжение быстро падает до начального, луч быстро возвращается в исходную точку (обратный ход) и снова начинает равномерное движение вправо.

Рис.12.3. Напряжение пилообразной формы, движение луча.

С помощью переключателя “Диапазон частот” (или “ms/Дел, s/Дел” или “TIME|DIV”) и ручки “Частота плавно” можно менять частоту (период) пилообразного напряжения. При частотах до 10 Гц заметно перемещение луча на экране, при больших частотах след сливается в сплошную линию.

Одновременно с напряжением развертки, поданным на пластину ПX, на вход Y подается периодически изменяющееся напряжение с периодом T, равным периоду развертки. При этом луч будет участвовать в двух взаимно перпендикулярных движениях, и вычерчивать на экране траекторию этого движения. Пусть для простоты UY меняется синусоидально, т.е.

. (12.3)

Тогда луч будет колебаться в вертикальном направлении и при этом равномерно перемещаться в горизонтальном направлении слева направо. Очевидно, траектория луча будет представлять собой синусоиду (рис. 12.3.). Через период T луч быстро вернется в крайнее левое положение и снова начнет вычерчивать на экране синусоиду. Если, как указывалось периоды развертки и исследуемого напряжения (в нашем случае синусоидального) равны, то следующая синусоида точно ляжет на первую, и мы увидим на экране неподвижную светящуюся линию. На рис. 12.3 нанесены стрелки, показывающие направление движения луча.

Удобно проводить предыдущие рассуждения, используя рис. 12.4а. На рисунке изображен график UY(t), на него наложен график пилообразного напряжения, который делит ось времени на промежутки (t)1=(t)2=(t)3=Tразв, в течении которых происходит полная развертка. Луч на экране при каждой развертке вычерчивает ту часть синусоиды, в течении которой происходит развертка. При равенстве периодов Tиссл=Tразв кривые I, II, III одинаковы и при наложении друг на друга совпадают.

Если уменьшить частоту развертки ровно вдвое (т.е. увеличить период развертки вдвое), то за увеличенное время развертки луч успеет совершить два полных колебания в вертикальном направлении, и на экране мы увидим картину, изображенную на рис. 12.4б.

Если UY изменяется по другому закону, но является периодической функцией от времени, на экране мы увидим график этого напряжения, что и используется при исследовании различных процессов. Если период развертки TX не является целым кратным периода TY изучаемого напряжения, то электронный луч будет начинать движение слева направо каждый раз в различных фазах, и, получаемая на экране картина будет представлять наложение нескольких смещенных траекторий. Разобраться в такой картине практически невозможно, и приходится менять период развертки ручкой "Частота плавно" или до тех пор, пока он не станет согласованным с периодом изучаемого напряжения (TX=nTY). Исследовать можно и одиночные импульсы, но при этом применяется несколько более сложная техника (ждущая развертка фотографирования).

Рис. 12.4. Развертка изображения: а) Tразв=Tиссл; б) Tразв=2Tиссл.

Итак, устойчивая картина на экране осциллографа наблюдается при совпадении частоты исследуемого напряжения и частоты развертки или в более общем случае, когда периоды Tразв и Tиссл кратны друг другу: Tразв=nTиссл, n – целое число.

Допустим, что удалось с помощью ручки “Частота плавно” или подобрать частоту развертки, кратную частоте исследуемого напряжения. Но вследствие нестабильности частоты генератора развертки через некоторое время период развертки уже не будет в точности равняться целому числу периодов исследуемого напряжения, и изображения на экране не будут накладываться друг на друга. При этом картина будет перемещаться по экрану, что затрудняет наблюдение. Для получения устойчивого изображения важно, чтобы начало развертки всегда совпадало с одной и той же фазой исследуемого сигнала, т.е. чтобы развертка начиналась одновременно с прохождением исследуемого напряжения, например, через нулевое значение. Тогда начальные точки графика будут накладываться друг на друга. В силу периодичности сигнала совпадут и все остальные точки изображения. В этом случае говорят, что развертка синхронизирована с исследуемым сигналом. Синхронизация осуществляется вращением ручки “Синхронизация” или "LEVEL". Ею следует пользоваться, когда частота развертки в основном подобрана и скорость перемещения изображения на экране невелика.

Глубина синхронизации (напряжение, подаваемое на сетку лампы генератора развертки) регулируется ручкой “Амплитуда синхронизации” и устанавливается минимально необходимой для устойчивого изображения. При слишком больших амплитудах заметны искажения в конце развертки.

На современных осциллографах отклонение электронного луча производится не электрическим, а магнитным полем, создаваемым специальными катушками. Лаборатория "Электрические и магнитные явления" кафедры экспериментальной физики АлтГТУ оснащена, в частности, осциллографами С1-130/1.

Электрическая структурная схема прибора С1-130/1, поясняющая принцип его работы, представлена на рис. 12.5. Укрупненно структурная схема содержит следующие части:

- тракт вертикального отклонения (ТВО), обеспечивающий усиление и масштабирование исследуемых сигналов в соответствии с выбранным коэффициентом отклонения и чувствительностью вертикальной отклоняющей системы электроннолучевой трубки (ЭЛТ). Кроме того в ТВО формируются (усиливаются до определенной величины) сигналы внутренней синхронизации. В случае двухканального тракта вертикального отклонения разделение сигналов в каналах Y1 и Y2 осуществляется в ТВО с помощью электронного коммутатора;

- тракт горизонтального отклонения (ТГО), обеспечивающий усиление и формирование сигналов горизонтального отклонения луча на экране ЭЛТ, в соответствии с выбранным масштабом (коэффициентом развертки в режиме «Y-T» или коэффициентом отклонения по горизонтали в режиме «X-Y») и чувствительностью горизонтальной системы отклонения ЭЛТ. Кроме того, в ТГО осуществляется формирование сигналов синхронизации развертки из внешнего или внутреннего входных сигналов запуска, предварительное усиление этих сигналов для отклонения луча по горизонтали в режиме «X-Y»;

- источники питания, осуществляющие преобразование переменного напряжения сети в ряд стабилизированных постоянных напряжений, необходимых для работы схемы прибора.

Исследуемые сигналы, поступающие в ТВО по входам каналов Y1 и Y2, сначала масштабируются во входных делителях соответствующего канала. Делители предназначены для ослабления входного сигнала от 1 до 5000 раз с шагом 1-2-5 в зависимости от устанавливаемого переключателями «V/DIV» коэффициента отклонения.

С выхода входных делителей сигналы поступают на усилители Y1, Y2, в которых осуществляется предварительное усиление с коэффициентом усиления, подстраиваемом под конкретную чувствительность ЭЛТ.

Рис. 12.5. Структурная схема осциллографа. (1–коммутатор, 2–усилитель, 3–синхронизатор, 5–коммутатор)

В коммутаторе сигналы с выходов усилителей Y1, Y2 поочередно подключаются через линию задержки (ЛЗ) к выходному усилителю Y. Двухканальный режим коммутатора устанавливается при нажатых переключателях «Y1» и «Y2». Когда нажат только один из переключателей каналов, прибор работает в одноканальном режиме без коммутации. Когда переключатели «Y1» и «Y2» не нажаты, отключены оба канала. Коммутатор также реализует режим суммирования сигналов каналов Y1 и Y2 (переключатель «∑ нажат). Возможность инвертирования сигнала Y1 (переключатель «Y1» нажат) позволяет реализовать режим вычитания сигналов каналов Y1 и Y2.

ЛЗ обеспечивает задержку исследуемого сигнала в ТВО на время 150 нс и предназначена для компенсации кажущейся задержки начала формирования развертки, т.е. для возможности наблюдения фронта короткого импульсного сигнала.

Выходной усилитель Y обеспечивает усиление сигналов, поступающих с выхода коммутатора, примерно в 20 раз, что определяется чувствительностью ЭЛТ.

Исследуемые сигналы через переключатель «TRIG Y1|Y2», выбирающий канал- источник внутренней синхронизации, поступает на синхронизатор. Туда же поступает сигнал внешней синхронизации. Выбор необходимого сигнала синхронизации производится переключателем «EXT|INT». В синхронизаторе формируется нормированный по амплитуде и временным параметрам импульс синхронизации, регулируется уровень запуска с помощью ручки «LEVEL», переключается полярность сигнала запуска.

В режиме «X-Y» синхронизатор выполняет роль предварительного усилителя сигналов горизонтального отклонения.

Импульсы синхронизации поступают на схему развертки, которая формирует с их приходом импульсы пилообразного напряжения и импульсы  подсветки прямого хода развертки. При отсутствии импульсов синхронизации в режиме «Z» формирование развертки происходит с собственной частотой повторения, определяемой длительностями прямого хода

Импульсы пилообразного напряжения через соответствующие коммутаторы поступают на выходной усилитель Х, откуда, усиленные до величины, определяемой чувствительностью горизонтальной системы отклонения, поступают на горизонтальные пластины ЭЛТ.

Скорость пилообразного напряжения определяют коэффициенты развертки от 0,02 мкс/деление до 10 мс/деление при отображении сигналов в реальном времени. Она устанавливается с шагом 1- 2- 5 переключателями «TIME|DIV» и «ms|mks».

Назначение органов управления, настройки и подключения приведено в таблице 12.1.

Проведение измерений.

При отображении сигналов в реальном времени ТВО может работать в следующих режимах:

  •  одноканальный (включен канал Y1 или канал Y2);
  •  двухканальный (каналы Y1 и Y2 коммутируются поочередно или прерывисто;
  •  алгебраическое суммирование сигналов каналов Y1 и Y2;
  •  алгебраическое суммирование сигналов каналов Y1 и Y2;
  •  инвертирование сигнала канала Y1.

Таблица 12.1. Назначение органов управления осциллографа С1-130/1.

Органы управления, настройки и подключения

Назначение

Исходное положение

Кнопка «POWER ON»

Включение прибора

Не нажата

Ручка « ☼»

Регулировка яркости луча

Крайнее левое

Ручка « хО»

Регулировка фокусировки луча

Среднее

Ручка «↕»

Смещение луча на экране по вертикали

Среднее

Ручка «↔»

Смещение луча на экране по горизонтали

Среднее

Ручка «LEVEL»

Регулировка уровня синхронизации развертки

Среднее

Переключатель «V|DIV»

Установка коэффициентов отклонения каналов Y

«1» и «V»

Переключатель «_~|~»

Переключение открытого или закрытого входа каналов Y

«~»

Гнездо  →О Y1

Вход канала Y1

-

Гнездо →О Y2

Вход канала Y2

-

Переключатель «Y

Включения инвертирования канала Y1

Не нажат

Переключатель «Y

Включение отображения канала Y1

Нажат

Переключатель «Y

Включение отображения канала Y2

Нажат

Переключатель «∑»

Включение режима суммирования каналов

Не нажат

Переключатель «TRIG Y1|Y

Переключение канала внутренней синхронизации Y1-Y2

Y1

Переключатель «TIME|DIV»

Установка коэффициентов развертки

«10»

Переключатель «μs|ms»

Включение микросекундного или миллисекундного диапазона коэффициентов развертки

«ms»

Переключатель «Z|Z»

Включение автоколебательного или ждущего режимов развертки

«Z»

Переключатель «EXT|INT»

Переключение источника внутренней и внешней синхронизации

«INT»

Переключатель «TV»

Включение режима телевизионной синхронизации

Не нажат

Органы управления, настройки и подключения

Назначение

Исходное положение

Переключатель «└┘/┌┐»

Переключение полярности сигнала запуска развертки

-

Гнездо  →О TRIG

Вход сигнала внешней синхронизации

-

Клемма «┴»

Дополнительное соединение корпуса прибора с корпусом источника сигнала

-

Переключатель «XY»

Включение режима XY

Не нажат

Для включения одноканального режима нажать переключатель «Y1» (или «Y2») при ненажатом переключателе другого канала. Одноканальный режим может использоваться при исследовании формы и измерении параметров одного сигнала, невзаимосвязанного с другими сигналами.

Для включения двухканального режима нажать оба переключателя «Y1» и «Y2». Двухканальный режим может использоваться при исследовании двух синхронных сигналов. Режим, кроме измерения амплитудных и временных параметров двух сигналов, обеспечивает их сопоставительный анализ по форме или амплитудно-временным параметрам.

Исследуемые сигналы могут подаваться на входы каналов только через кабели, заканчивающиеся вилкой СР-50-74П, либо через выносные делители. Использование непредусмотренных способов подачи сигналов может повлиять на достоверность отображения  и результаты измерений. Выносные делители прибора имеют положения «1:1» или «1:10».

Для включения режима алгебраического суммирования сигналов каналов Y1 и Y2 переключатель «» должен быть нажат. Режим может использоваться для наблюдения суммы или разности двух сигналов. Для реализации режима вычитания сигналов, подаваемых на входы каналов Y1 и Y2, включается режим инвертирования сигнала канала Y1 нажатием переключателя «Y1».

При работе прибора, при отображении сигналов в режиме реального времени, развертка прибора может работать в ждущем или автоколебательном режиме. В ждущем режиме формирование развертки происходит только при наличии сигнала синхронизации развертки и установке необходимого условия запуска. В автоколебательном режиме развертка формируется независимо от наличия сигнала синхронизации с собственной частотой повторения, определяемой установленным коэффициентом развертки. Выбранный коэффициент развертки устанавливается переключателями «TIME|DIV», «s|ms».

Синхронизация развертки прибора в режиме отображения сигналов в реальном времени может осуществляться от источника сигнала внутренней или внешней синхронизации. Для установки режима внутренней синхронизации переключатель EXT|INT установить в положение INT. При этом на вход синхронизации подается сигнал с выхода предусилителя канала Y1 (или Y2). Внутренняя синхронизация предпочтительнее внешней тем, что не требует отдельного сигнала, синхронного с исследуемым.

Для установления режима внешней синхронизации переключатель EXT|INT установить в положение EXT. Сигнал внешней синхронизации подать на вход →О TRIG. Режим рекомендуется использовать при наличии внешнего сигнала синхронного с исследуемым. Режим может использоваться для синхронизации развертки от сети питания. При всех режимах установка необходимого уровня запуска и стабильности синхронизации производится ручкой LEVEL.

В режиме отображения сигналов реального времени может реализовываться режим «X-Y». Для его включения переключатель «XY» должен быть нажат. Сигналы горизонтального и вертикального отклонений подаются на входы Y1, Y2, переключатель EXT|INT устанавливается в положение INT (нажатое), переключатель «Y1|Y2» установить в положение, соответствующее каналу, на вход которого подан сигнал Х. Коэффициенты отклонения по вертикали и горизонтали устанавливаются переключателями коэффициентов отклонения каналов Y1 и Y2.

Измерение временных параметров сигнала производится следующим образом:

-переключателями TIME|DIV, μs|ms выбрать коэффициент развертки таким, чтобы изображение измеряемого временного интервала имело максимальный размер в пределах экрана ЭЛТ;

-определить длину измеряемого участка по шкале ЭЛТ;

-рассчитать величину измеряемого временного интервала, умножив длину измеренного участка (в делениях) на значение установленного коэффициента развертки.

Измерение амплитудных параметров сигнала проводится следующим образом:

-переключателями V|DIV установить коэффициент отклонения таким, чтобы изображение измеряемого участка сигнала имело максимальный размер в пределах рабочей части экрана ЭЛТ;

-определить длину измеряемого участка по шкале ЭЛТ;

-рассчитать амплитуду измеряемого участка сигнала, умножив длину измеренного участка (в делениях) на значение установленного коэффициента отклонения. При работе с выносным делителем, включенным в положение «1:10», установленный коэффициент отклонения необходимо увеличить в 10 раз.

3. Магнитные свойства вещества.

Нейтральные молекулы и атомы вещества состоят из заряженных частиц – положительно заряженных ядер и отрицательно – электронов. Вследствие кругового движения частиц атом может обладать дипольным магнитным моментом. Магнитный момент атома связывается со спиновым магнитным моментом каждого электрона, спиновым моментом ядра и орбитальным магнитным моментом, вызванным движением электронов по орбитам. Векторный характер сложения различных составляющих общего магнитного момента допускает возможность равенства его нулю в отсутствие внешнего магнитного поля.

Магнетиками называются макроскопические тела, способные намагничиваться – приобретать магнитные свойства. В качестве величины, характеризующей намагничивание вещества, вводится вектор намагничивания  (намагниченность), как векторная сумма магнитных моментов атомов, находящихся в единице объема:

=. (12.4)

Для магнетиков, находящихся в не слишком сильных полях:

=, (12.5)

где  – магнитная восприимчивость вещества.

Диамагнетизм. Явлением диамагнетизма называется индуцирование дополнительного магнитного момента в атомных электронных оболочках под действием внешнего магнитного поля. Для диамагнетиков <0, (|m|~10-5).

В неоднородном магнитном поле на диамагнетик действуют силы в направлении уменьшения поля, т.е. образец диамагнетика выталкивается из магнитного поля.

Парамагнетизм. Явление парамагнетизма наблюдается у веществ, атомы которых имеют постоянный магнитный момент m. В отсутствие внешнего магнитного поля дезориентирующее действие теплового движения не допускает упорядоченной ориентации векторов m. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле возникает явление прецессии электронных орбит и векторов магнитных моментов атомов вокруг направления внешнего поля. Совместное действие поля и теплового движения атомов приводит к преимущественной ориентации магнитных моментов атомов по направлению внешнего магнитного поля. Парамагнитная восприимчивость сильно зависит от температуры:

 m=. (12.6)

В неоднородном магнитном поле на парамагнетик действует сила в направлении увеличения поля, т.е. образец парамагнетика втягивается в область магнитного поля.

Ферромагнетизм. Ферромагнетиками называются вещества, в которых намагниченность может во много раз (104-105) превосходить вызывающее ее внешнее поле. Атомы ферромагнетика обладают постоянными магнитными диполями, которые сильно связаны между собой. Ниже некоторой характерной температуры (называемой температурой Кюри) Тк магнитные диполи атомов расположены параллельно в целых областях. Величина и структура этих областей, называемых доменами Вейса, зависят от температуры и напряженности приложенного внешнего поля. Выше Тк неупорядоченное тепловое движение разрушает обусловленное связью параллельное расположение магнитных диполей и ферромагнетик ведет себя как парамагнетик.

Магнитным гистерезисом ферромагнетиков называется отставание изменения магнитной индукции  от изменения напряженности внешнего намагничивающего поля, обусловленное зависимостью  от ее предыдущих значений. Магнитный гистерезис есть следствие необратимых изменений при намагничивании и перемагничивании. Причинами магнитного гистерезиса являются необратимые процессы смещения границ между областями самопроизвольной намагниченности (доменами). Явление гистерезиса иллюстрируется зависимостью В=f(Н) на рис.12.6.

У ферромагнетиков даже в отсутствие внешнего магнитного поля Н может существовать поле Вост – остаточная индукция. Этот случай соответствует постоянным магнитам.

Рис.12.6. Петля гистерезиса ферромагнетика.

Поле Вост можно свести до нуля, лишь, приложив противоположно направленное внешнее магнитное поле Нк – так называемую коэрцитивную силу.

Вектор  индукции результирующего магнитного поля в магнетике равен векторной сумме магнитной индукции внешнего (намагничивающего) и внутреннего полей:

=0+внутр; 0=μ0; внутр=μ0. (12.7)

Связь между магнитной индукцией , напряженностью  и намагничиванием :

=μ0(+). (12.8)

Связь между магнитной проницаемостью μ и магнитной восприимчивостью χm:

 =1+χm. (12.9)

4. Описание экспериментальной установки.

В работах  в качестве источника питания токовой системы – источника магнитного поля - используется генератор сигналов функциональный ГСФ-2.

Основные технические характеристики генератора таковы:

Диапазон частот    0,1 Гц-100 кГц;

Выходные сигналы    гармонический, пилообразный,

прямоугольный;

Выходное напряжение   0-10 В;

Выходной ток     0-1 А.

При измерениях магнитного поля внутри соленоида используется устройство, называемое соленоидом с неподвижными индукционными датчиками. Соленоид содержит основную обмотку для создания магнитного поля и три одинаковые обмотки датчиков Д1, Д2 Д3 . Количество витков основной обмотки – 16852, длина обмотки 160,00,5 мм, внутренний диаметр 13,00,5 мм, внешний – 19,00,5 мм. С достаточной для дальнейших целей точностью обмотку можно считать тонкой со средней площадью витка 2,000,20 см2, а поле внутри соленоида – однородным. Датчики длиной 30,00,5 мм имеют по 10002 витков со средним диаметром 11,500,20 мм (площадь витка 1,000,17 см2). Внутрь катушки соленоида помещаются образцы ферромагнетика.

Схема опыта приведена на рис.12.7. Здесь L1 – контур, создающий магнитное поле, R0 – датчик тока, L2 – индукционный датчик магнитного поля. Сигналы поступают на два входа осциллографа X и Y.

Рис.12.7. Схема наблюдения петли гистерезиса ферромагнетика.

Измерения проводятся на частоте 100-500 Гц при пилообразном или синусоидальном токе в контуре L1 с размахом 0,1-0,6 А. Для получения заданной формы тока генератор ГСФ-2 работает в режиме генератора тока.

Соленоид L1 создает магнитное поле напряженностью

Н = NI/l. (12.10)

В датчике Д1 возникает ЭДС электромагнитной индукции:

 ЭДС= –(dФ/dt)N0, (12.11)

которая после интегрирующей цепочки с постоянной времени τ=RC=30 мс преобразуется в напряжение:

 UB=N0S0B/τ, (12.12)

где N0=10002 – число витков датчика Д1, S0=1,000,17 см2 – средняя площадь витка датчика, В=μ0Н – магнитная индукция внутри датчика, Ф=μ0НS0 – магнитный поток.

При размещении в соленоиде длинного (l/d>) образца сечением S, магнитная индукция в образце В=μ0(Н+J), при этом магнитный поток изменится на величину:

ΔФ = μ0JS. (12.13)

Сигнал с выхода UН пропорционален напряженности магнитного поля:

 UН=R1I=R1Hl/N. (12.14)

Сигнал UB пропорционален магнитной индукции:

UB0=N0S0B0/τ – без образца;

UB=N0SB/τ – с образцом.  (12.15)

5. Порядок выполнения работы.

5.1. Ознакомиться с осциллографическим методом измерений.

5.2. Собрать схему, представленную на рис.12.7. В качестве L1 – соленоид модуля М03 с неподвижными индукционными датчиками. Выходы U1 и U2 схемы измерений соединить с входами Y1 и Y2 электронного осциллографа. Генератор ГСФ-2 работает в режиме генератора пилообразных импульсов тока при частоте 100-500 Гц.

5.3. Получить полные петли гистерезиса для ферритового и стального образцов.

5.4. Измерить характерные параметры петель: коэрцитивную силу Нс, остаточную индукцию Вr, индукцию насыщения Вs. Результаты измерений внести в табл.12.2.

Таблица 12.2.

Измеряема

величина

Ферритовый стержень

Стальной стержень

l,мм

S, см2

ν, Гц

R1, Ом

ΔUНС, мВ

ΔUНS, мВ

ΔUBr, мВ

ΔUBS, мВ

Hc, А/м

НS, А/м

Вr, Тл

ВS, Тл

5.5. Используя частичные петли гистерезиса провести измерения кривой намагничивания В(Н) для стального образца. Результаты измерений внести в табл.12.2.

Таблица 12.3.


1

2

3

4

5

6

7

8

9

UH,мВ

UB,мВ

Н,А/м

В, Тл

μ

5.6. Построить график кривой намагничивания стали.

6. Контрольные вопросы.

6.1. Термоэлектронная эмиссия.

6.2. Принцип работы ЭЛТ.

6.3. Основные блоки и принцип работы электронного осциллографа.

6.4. Магнитное поле в веществе. Намагниченность.

6.5. Диамагнетизм. Парамагнетизм. Ферромагнетизм.

6.6. Явление магнитного гистерезиса. Постоянные магниты.

6.7. Оценка величины погрешности при измерении амплитудно-временных характеристик осциллографическим методом.

Рекомендуемая литература.

  1.  Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов.– 2-е изд., испр. и доп.– М.: Высш. шк., 1999.– 718 с.: ил.
  2.  Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 3-е изд., испр. –М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 496 с., ил.
  3.  Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов.– 5-е изд., стер.– М.: Высш. шк., 1998.– 542 с.: ил.

PAGE  1

PAGE  16

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

67312. Перевантаження операторів new і delete 201.5 KB
  Розробник може керувати виділенням пам’яті, перевантажуючи оператори new і delete. Такі оператори переважно перевантажуються як методи класу. Проте дозволено перевантаження і як дружніх функцій Операторні функції операторів new і delete в обидвох випадках мають вид...
67313. Методы определения характеристик моделируемых систем 1.13 MB
  По каждой такой характеристике y определяется N значений по которым строится гистограмма относительных частот вычисляется математическое ожидание дисперсия и моменты более высокого порядка определяются средние по времени и максимальные значения. В случае стационарного эргодического процесса...
67314. Доходи та прибуток. Доходи підприємства торгівлі 35.94 KB
  Дохід від торгової діяльності використовується підприємством для відшкодування витрат й інших затрат, пов’язаних зі здійсненням його господарської діяльності та створенням прибутку від реалізації. Таким чином підприємство забезпечує самоокупність поточної господарської діяльності й створює умови...
67315. Интеграция, квалификационное тестирование и испытания комплексов программ 247.5 KB
  В первой части стандарта представлена концепция планирования и управления процессами оценивания характеристик программ, а также их связь с процессами управления жизненным циклом ПС (по ISO 12207). При подготовке к испытаниям рекомендуется структурировать технологию и процедуры применения конкретного...
67316. ОСТРАЯ НЕСПЕЦИФИЧЕСКАЯ ХИРУРГИЧЕСКАЯ ИНФЕКЦИЯ. ЗАНЯТИЕ ПЕРВОЕ. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ, НАИБОЛЕЕ ЧАСТЫЕ ФОРМЫ ХИРУРГИЧСКОЙ ИНФЕКЦИИ 309.5 KB
  Знать: определение классификацию микробиологию иммунологию хирургической инфекции Уметь: диагностировать острые гнойные заболевания кожи и подкожной клетчатки маститы тромбофлебиты лимфадениты лимфангоиты; производить перевязки ран после вскрытия гнойников.
67317. ЗЛОЧИНИ ПРОТИ ВЛАСНОСТІ 22.72 KB
  Питання про безпосередні об'єкти конкретних злочинів проти власності у літ. також вирішується по різному: значна частина авторів, вказує, що безпосередній об'єкт конкретного злочину проти власності є частиною (складовою) родового об'єкта. Олнпк видається що у данному випадку...
67318. Безопасность жизнедеятельности в специальных условиях 25.64 KB
  Мероприятия по предотвращению загрязнения окружающей среды в результате судоходства направлены прежде всего на предотвращение загрязнения моря и внутренних водоемов нефтью и другими вредными веществами которые перевозятся в качестве грузов а также сточными водами мусором и веществами...
67319. СИСТЕМА ПРАВА 168 KB
  Под системой права понимается определенная внутренняя его структура строение организация которая складывается объективно как отражение реально существующих и развивающихся общественных отношений. Фактический социальный строй общества государства определяет в конечном счете ту или иную систему права...