12367

Измерение магнитного поля постоянного кольцевого магнита

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 10 Измерение магнитного поля постоянного кольцевого магнита 1. Цель работы. Измерить магнитное поле на оси постоянного кольцевого магнита и рассчитать его параметры. 2. Магнитные свойства вещества. Постоянные магниты. Нейтральные молекулы

Русский

2013-04-26

226 KB

58 чел.

Лабораторная работа № 10

«Измерение магнитного поля постоянного

кольцевого магнита»

1. Цель работы. Измерить магнитное поле на оси постоянного кольцевого магнита и рассчитать его параметры.

2. Магнитные свойства вещества. Постоянные магниты.

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:

 = . (10.1)

Для магнетиков, находящихся в не слишком сильных полях:

 = , (10.2)

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=. (10.3)

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.10.1.

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

Рис.10.1. 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 магнитных индукций внешнего (намагничивающего) и внутреннего полей:

=0+внутр; 0=μ0; внутр=μ0. (10.4)

Связь между магнитной индукцией , напряженностью  и намагничиванием :

=μ0(+). (10.5)

Связь между магнитной проницаемостью μ и магнитной восприимчивостью χm:

=1+χm. (10.6)

Если образец ферромагнетика намагнитить во внешнем магнитном поле, то после снятия внешнего поля он остается намагниченным. Осесимметричный постоянный магнит (намагниченный ферромагнетик) создает в окружающем пространстве магнитное поле подобное полю катушки с током. В таком случае основной характеристикой постоянного магнита является величина макроскопического дипольного момента m.

Индукция магнитного поля диполя с магнитным моментом m:

В1=μ0Рm/(2πr3) – для оси диполя,

В2=μ0Рm/(4πr3) – в перпендикулярной плоскости; (10.7)

Зная объем магнита V можно вычислить его намагниченность:

 J=Pm/V. (10.8)

3. Описание экспериментальной установки.

В данной лабораторной работе для измерения магнитного поля постоянного магнита  используется тангенс-буссоль, представляющая собой катушку, в центре которой располагается магнитная стрелка, способная вращаться вокруг вертикальной оси. На рис.10.2 иллюстрируется принцип работы тангенс-буссоли. Плоская вертикальная катушка сориентирована так, что плоскость ее витков лежит параллельно магнитному меридиану N-S. После включения тока магнитная стрелка ориентируется вдоль результирующего поля , являющегося векторной суммой магнитных полей катушки с током к и горизонтальной составляющей магнитного поля Земли г, то есть оказывается повернутой на угол φ.

Рис.10.2. Схема экспериментальной установки.

Рис.10.3. Магнитное поле кольцевого магнита.

Как видно из рис.10.2:

Вг к/tg φ. (10.9)

Магнитное поле на оси круговой катушки рассчитывается по формуле:

Вк=. (10.10)

Здесь I – ток в катушке, N – число витков, R – радиус катушки.

Для случая измерения тангенс-буссолью поля постоянного магнита магнитное поле Земли может считаться пренебрежимо малым, а результирующее поле, в направлении которого ориентируется магнитная стрелка, является векторной суммой полей катушки буссоли и постоянного магнита. Тогда формула (10.10) служит для определения опорного магнитного поля В1,2 (R=35,02,0 мм – средний радиус катушки, N=4002 – число витков катушки). При выполнении работы необходимо добиться угла отклонения стрелки φ=450. Тогда В1,2к. Электрическая схема экспериментальной установки приведена на рис.10.2. Погрешность эталонного сопротивления составляет 5 % от номинального значения, погрешность мультиметра – 1 % от измеренной величины.

4. Порядок выполнения работы.

4.1. Собрать электрическую схему измерений, приведенную на рис.10.2. В качестве измерителя тока используется мультиметр портативный типа М830В.

4.2 Для измерения поля на оси магнита нужно расположить магнит на рельсе, а измерительную катушку с компасом – на штыре на основании установки. Координата штыря по шкале рельса равна 275 мм. Расстояние между центрами магнита и катушки находят как разность их координат. Установить расстояние между центрами магнита и катушки около 25 см.

4.3. Сориентировать катушку таким образом, чтобы плоскость витков катушки была параллельна оси магнита.

4.4. Подобрать такую величину тока в катушке, чтобы отклонение стрелки составляло 450. Измеренные значения внести в табл.10.1.

Таблица 10.1.

Измерения В1 на оси магнита

Измерения В2 в плоскости

магнита

r1,

мм

I1,

мА

В1,

Тл

Pm,

Ам2

r2,

мм

I2,

мА

В2,

Тл

Pm,

Ам2

4.4. Для измерения поля в плоскости магнита расположить магнит на штыре, а измерительную катушку с компасом – на рельсе. Провести измерения аналогично п.п. 4.2.-4.4.

4.5. Рассчитать магнитный дипольный момент магнита.

4.6. Измерив, геометрические размеры магнита, определить его объем.

4.7. Рассчитать намагниченность постоянного магнита.

5. Контрольные вопросы.

5.2. Магнитное поле в веществе. Намагниченность.

5.3. Диамагнетизм. Парамагнетизм. Ферромагнетизм.

5.4. Явление магнитного гистерезиса. Постоянные магниты.

5.5. Метод тангенс-буссоли для 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.

5

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

65072. Золотоордынские ханы 60—70-х годов XIV в. Хронология правлений 419.5 KB
  Одним из важнейших источников сведений по теме являются сохранившиеся до наших дней серебряные и медные золотоордынские монеты того времени на которых выбивалось имя правившего хана отмечались место и время год по хиджре их чекана.
65074. Клятва на золоте: тюркский вклад в монгольскую дипломатию 105.5 KB
  Ритуал клятвы относится к культурным универсалиям. История клятвы такова. Петахия описывает два обычая клятвы скреплявших отношения между половцем и чужестранцем проводником и путешественником: В этой земле не ходят иначе как с провожатым.
65076. Укек по письменным источникам XIII – XVIII веков 133 KB
  Самым первым по времени упоминанием об Укеке принято считать сообщение францисканского монаха Гильома де Рубрука. Летом 1253 г. он проезжал через «новый поселок» на берегу Волги, «который татары устроили вперемежку из русских и сарацин, перевозящих послов...
65077. ПРОБЛЕМА ПРАВЛЕНИЯ СУЛТАНА ХАЛИЛА И КАЗАН-ХАНА В РЕКОНСТРУКЦИИ ЧАГАТАЙСКОЙ ИСТОРИИ 30-40-х гг. XIV века 76.5 KB
  Поэтому для исторической реконструкции представляется возможным использовать здесь более доступные данные относимые к более позднему времени правления амиров Казагана Хусейна и Темура а также более раннему периоду правления Чагатаидов дома Дувыхана с последующей...
65078. Повесть о разгроме монголов дербен ойратами 45 KB
  Здесь ничего необычного нет потому что автор произведения писал так как было принято в его время: название сочинения указывать в заключительных строках где в большинстве случаев подчеркивалось что такое-то сочинение закончилось завершено.
65079. К вопросу об интерпретации эпитета ал-Джедид (по материалам городов Улуса Джучи) 32 KB
  Большинство исследователей полагает, что прибавление эпитета означает новый город. Однако существует и другая точка зрения. В.Д.Смирнов считал, что отдельных городов Сарая ал-Джедид, Булгара ал-Джедид и других вовсе не было...
65080. О местоположении Сарая (первой столицы Золотой Орды) 30.5 KB
  Город Сарай был основан Батыем в низовьях Волги в 1250-е гг., окончательное запустение города относится к концу XV в. По всей видимости столица в XIV в. была перенесена (ни одно из средневековых городищ Нижнего Поволжья не существовало столь длительное время - с середины XIII в. до конца XV в.).