12366

Измерение магнитной проницаемости ферромагнетика индукционным методом

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 11 Измерение магнитной проницаемости ферромагнетика индукционным методом 1. Цель работы: Измерить магнитные проницаемости образцов стали и феррита индукционным методом. 2. Магнитные свойства вещества. Нейтральные молекулы и атомы веществ

Русский

2013-04-26

249 KB

45 чел.

Лабораторная работа № 11

«Измерение магнитной проницаемости ферромагнетика

индукционным методом»

1. Цель работы: Измерить магнитные проницаемости образцов стали и феррита индукционным методом.

2. 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:

 = . (11.1)

Для магнетиков, находящихся в не слишком сильных полях:

 = , (11.2)

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=. (11.3)

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.11.1.

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

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. (11.4)

Рис. 11.1. Петля гистерезиса ферромагнетика.

Связь между магнитной индукцией , напряженностью  и намагничиванием :

=μ0(+). (11.5)

Связь между магнитной проницаемостью μ и магнитной восприимчивостью χm:

=1+χm. (11.6)

3. Описание экспериментальной установки.

Индукционный метод измерения характеристик магнитного поля основан на явлении электромагнитной индукции. Метод предназначен для измерения, как переменных, так и постоянных магнитных полей. При измерении характеристик переменного магнитного поля в это поле помещают проводящий замкнутый контур, как правило, катушку, состоящую из N0 витков. Поскольку поле переменное, то магнитный поток, пронизывающий контур будет меняться, и в контуре возникнет ЭДС электромагнитной индукции

, (11.7)

где S0 – площадь витка, Bn – проекция вектора магнитной индукции на нормаль к площадке S0. В случае если магнитное поле создается токами, изменяющимися по закону синуса, то индукция магнитного поля, пропорциональная силе тока,

 B=Bmsin(t+). (11.8)

Если изначально известно направление магнитного поля, то контур с током можно сориентировать таким образом, чтобы вектор магнитной индукции был перпендикулярен площадке S0. Тогда при подстановке (11.8) в (11.7):

 (11.9)

Амплитудное значение ЭДС индукции

 (11.10)

Из (11.10) видно, что, зная параметры контура, частоту колебаний тока, создающего магнитное поле и амплитуду ЭДС индукции, можно определить амплитудное значение индукции магнитного поля.

В случае измерения характеристик постоянного магнитного поля замкнутый проводящий контур вращают в магнитном поле с некоторой угловой скоростью . По закону электромагнитной индукции в контуре возникает ЭДС индукции, определяемая формулами (11.9-11.10).

В работах  в качестве источника питания соленоида – 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 (рис.11.2). 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.

Рис.11.2. Разрез соленоида с датчиками.

Разъемы для подсоединения датчиков и соленоида в электрические цепи выведены на панели возле соленоида.

Схема регистрации магнитного поля индукционным методом приведена на рис.11.3.

Рис.11.3. Индукционный метод регистрации магнитного поля.

Здесь L1 – контур, создающий магнитное поле, R0 – датчик тока, L2 – индукционный датчик магнитного поля. Сигналы с датчиков поступают на два входа осциллографа

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. Кривые на экране осциллографа при пилообразном токе показаны на рис.11.4. Их форма соответствует закону электромагнитной индукции: ЭДС индукции пропорциональна производной магнитного потока по времени.

Ток I1 в соленоиде L1 изменяется пропорционально напряжению U1: I1=U1/R. Следовательно индукция B магнитного поля соленоида изменяется с течением времени пропорционально напряжению U1 (рис.11.4). Датчики находятся в магнитном поле соленоида. Магнитный поток, пронизывающий датчик пропорционален индукции магнитного поля, создаваемого контуром L1,

Ф=N0S0B. (11.11)

Магнитный поток, пронизывающий датчик, меняется с течением времени. По закону электромагнитной индукции в датчике возникает ЭДС индукции:

 (11.12)

За четверть периода  t=T/4 колебаний напряжение в соленоиде L1 изменяется  от –U1max до + U1max, что соответствует размаху колебаний U1 (рис.11.4.). Так как BU1, то за это же время магнитное поле изменится  на B=2Bm, где Bm – амплитуда колебаний магнитного поля. За то же время ЭДС индукции U2 изменится на U2. Используя соотношение (11.12), получим

. (11.13)

Тогда, в отсутствие ферромагнитного сердечника внутри соленоида размах напряжения на датчике определяется:

ΔU2=8μ0HmνN0S0. (11.14)

Рис.11.4. Напряжение на датчике тока и на индукционном датчике.

Если в соленоид вставить ферромагнитный образец в форме длинного стержня, то размах напряжения на датчике изменится на величину:

ΔU3–ΔU2=8μ0JmN0S, (11.9)

где S – площадь поперечного сечения образца.

Измерив значения ΔU20 с образцом и ΔU2 без образца, находим магнитную восприимчивость и магнитную проницаемость материала образца:

 χ=(ΔU3–ΔU2)S0/(ΔU2S);        μ=1+χ. (11.10)

4. Порядок выполнения работы.

5.1. Ознакомиться с осциллографическим методом измерений.

5.2. Собрать схему, представленную на рис.11.3. 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. Подбирая сопротивление эталонного резистора R0 из магазина сопротивлений, получить в контуре с током пилообразные колебания с ΔU1=0,2-0,6 А (измерения проводятся на экране осциллографа).

5.3. Подсоединяя неподвижный датчик Д1 измерить значение ΔU2.

5.4. Поместив внутрь соленоида образец ферромагнетика измерить значения ΔU3. Следите за неизменностью формы и размаха сигнала U1 при размещении образцов в соленоиде. Форма сигнала U2 может измениться при размещении в соленоиде ферромагнитного образца. В этом случае уменьшите амплитуду тока в соленоиде.

5.5. Результаты измерений и расчетов внести в табл.11.2.

Таблица 11.2.

Измеряемая

величина

Ферритовый

стержень

Стальной

стержень

l0, мм

S, мм2

ν, Гц

ΔU1, мВ

ΔU2, мВ

ΔU3, В

χ

μ

5. Контрольные вопросы.

6.1. Магнитное поле в веществе. Намагниченность.

6.2. Диамагнетизм. Парамагнетизм. Ферромагнетизм.

6.3. Явление магнитного гистерезиса. Постоянные магниты.

6.4. Закон электромагнитной индукции.

6.5. Индукционный метод измерения магнитных полей.

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.

6

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74463. Понятия и их дефиниция. Правила определения понятий 15.29 KB
  Понятия и их дефиниция. Объективной основой понятия могут выступать конкретные явления процессы их отдельные свойства компоненты связи которые в логике обозначаются общим понятием предмет. Содержание понятия составляет совокупность признаков благодаря которой осуществляются обобщение и выделение предмета. Это понятия правонарушение правоотношение норма права.
74464. Правовая наука как деятельность и социокультурный институт 18 KB
  Поскольку знания о государстве и праве об истории правовой науки представляют собой результат активной специальной деятельности людей то правовая наука правомерно рассматривается как деятельность благодаря которой были получены знания. В итоге правовая наука призвана раскрывать закономерности функционирования и развития права и государства и на этой основе формулировать конкретные предложения по совершенствованию действующего законодательства и и деятельности государства по управлению делами общества. Содержит рекомендации о формах и...
74465. Загальна організація та методика здійснення НДР с у вищих навчальних закладах 98 KB
  Основні етапи організації педагогічного дослідження. Особливості організації праці під час наукового дослідження. Будьяке педагогічне дослідження починається з вивчення проблеми яка виділяється для спеціального вивчення. Сутність наукової проблеми завжди криється у відображенні наявних суперечностей пізнання які можуть бути розв’язані тільки засобами наукового дослідження.
74466. Логіка наукового дослідження. Визначення наукового апарату у педагогічних дослідженнях 58 KB
  Логіка наукового дослідження. Визначення наукового апарату у педагогічних дослідженнях План. Об’єкт і предмет педагогічного дослідження їх відмінності та взаємозв’язок. Порядок визначення Методика формулювання мети гіпотези та завдання дослідження.
74467. Система роботи дослідника у процесі збору матеріалу наукового дослідження 132.5 KB
  Система роботи дослідника у процесі збору матеріалу наукового дослідження План. Збирання матеріалу наукового дослідження особливості даної стадії роботи. ПОШУК НАКОПИЧЕННЯ ТА ОБРОБКА НАУКОВОЇ ІНФОРМАЦІЇ Підсистема інформації...
74468. Порядок підготовки рукопису наукового дослідження та його захист 53 KB
  Порядок підготовки рукопису наукового дослідження та його захист План.Основні вимоги до літературного оформлення наукового дослідження: а визначення змісту роботи; розподіл загальної кількості сторінок по розділах; ввимоги до цитування у тексті...
74469. Науково-дослідна робота студентів у вищих навчальних закладах України 62.5 KB
  Сучасний етап розвитку системи освіти в Україні характеризується підвищенням вимог до розвитку наукової сфери в освіті. Значна частина студентської молоді, педагогічних кадрів поряд з виконанням безпосередніх обов’язків займається науковою діяльністю.
74470. Методологічні основи наукових досліджень. Мова як засіб вираження наукових знань 75 KB
  Проблема методології дослідження є актуальною для будь-якої науки, оскільки її досягнення значною мірою визначаються розвитком власного методологічного апарату. Розробка конкретних методів науки базується на її теоретичних положеннях і методологічних принципах.
74471. Методи педагогічних досліджень та можливості їх використання на практиці 125.5 KB
  Особливості проведення методу спостереження: сутність види методика. Основні поняття до теми: документ метод аналізу контентаналіз спостереження експеримент опитування; анкетування; інтерв’ю; тестування; графічні методи; статистичні методи. Метод аналізу документів на думку фахівців за популярністю поступається хіба що методам опитування чи спостереження. Часто він є основою для формування гіпотез які потім перевіряють методами опитування спостереження або експерименту.