12555

ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ МАГНИТОСТРИКЦИИ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОВОЛОЧНЫХ ТЕНЗОМЕТРОВ

Лабораторная работа

Физика

ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ МАГНИТОСТРИКЦИИ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОВОЛОЧНЫХ ТЕНЗОМЕТРОВ отчет по лабораторной работе № 4т ВВЕДЕНИЕ Явление магнитострикции заключается в изменении формы и размеров ферромагнетика при изменении его намагничен...

Русский

2013-05-01

202.5 KB

2 чел.

PAGE  7

ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ МАГНИТОСТРИКЦИИ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОВОЛОЧНЫХ ТЕНЗОМЕТРОВ

отчет по лабораторной работе № 4т

ВВЕДЕНИЕ

Явление магнитострикции заключается в изменении формы и размеров ферромагнетика при изменении его намагниченности в магнитном поле. Магнитострикция позволяет выяснить природу сил, которые определяют ферромагнитные свойства вещества. С помощью термодинамики удается связать объемный магнитострикционный эффект с напряженностью магнитного поля. Целью данной работы является изучение характера зависимости продольной и поперечной магнитострикции от напряженности внешнего магнитного поля.

1 ТЕОРИЯ

Элементарным носителем магнетизма в ферромагнетиках являются, в основном, спиновые магнитные моменты электронов. Между ними существует два основных типа взаимодействия: обменное и магнитное /1/.

Обменные силы носят квантово-механический характер и не имеют классических аналогов. Расчеты квантовой механики показывают, в случае системы взаимодействующих электронов наиболее выгодным может быть состояние системы, когда спиновые магнитные моменты ориентированы одинаковым образом. Это говорит о наличии самопроизвольной намагниченности в ферромагнитных телах в отсутствии внешнего магнитного поля.

При нулевой напряженности магнитного поля ( Н = 0 ) термодинамически устойчивому состоянию макрообразца согласно классической термодинамике отвечает размагниченное состояние, ибо, в противном случае, на поверхности образца имеется магнитное поле, с которым связана положительная энергия. Обменное взаимодействие стремится создать в образце намагниченность. В результате «борьбы» этих тенденций происходит разбиение ферромагнитного образца на области однородной намагниченности (домены).

Магнитные силы хотя и значительно меньше обменных, но играют важную роль в ряде ферромагнитных явлений. Они ответственны за взаимодействие доменов между собой и внешним полем. Кривая намагниченности (рис. 1.1) ферромагнетиков носит сложный характер.

Рис.1.1

На кривой можно выделить три участка.

На первом участке происходит рост областей с энергетически выгодным направлением момента за счет других областей. Механизм процесса состоит в смещении границ доменами.

На втором участке идет процесс поворота моментов областей самопроизвольной намагниченности к направлению поля (процесс вращения). При полном совпадении моментов областей с направлением поля получим так называемое техническое насыщение.

Третий участок называется парапроцессом, или истинным намагничиванием. В этой части величина намагничивания М изменяется в сторону увеличения за счет ориентации спиновых моментов отдельных электронов, находящихся внутри областей самопроизвольной намагниченности, которые вследствие дезорганизующего действия теплового движения не были повернуты по полю.

Следовательно, магнитострикция – изменение формы и размера тела при его намагничивании – есть непосредственный результат проявления сил, действующих в ферромагнетиках.

Первое начало термодинамики для ферромагнитного тела можно записать в виде

                                                                        (1.1)

Где  - теплота, подведенная к телу;

        - работа, связанная с деформацией тела;

- работа по намагничиванию тела.

Соотношение (1.1) для стержня длиной L можно переписать в виде:

                                                            (1.2)

где T и S – температура и энтропия соответственно;

- сила упругости;

n - площадь поперечного сечения стержня;

σ - механическое напряжение, возникающее в сечении стержня при деформации;

p - внешнее давление;

        V - объем стержня;

H и  M - напряженность магнитного поля и намагниченность образца.

Переходя к относительным деформациям  и используя закон Гука , где E модуль Юнга, соотношение (1.2) перепишем в виде:

                                               (1.3)

Выражение для дифференциала свободной энергии  F = UTS имеет вид:

                                                               (1.4)

Экспериментально показано, что объемная магнитострикция ( т.е. изменение объема образца при намагничивании ) в большинстве случаев пренебрежимо мала. Это значит, что в (1.2)  ,поэтому

                                                                        (1.5)

Соотношение (1.3) устанавливает связь между линейной магнитострикцией и внутренними напряжениями в образце при намагничивании. Из (1.3) следует принципиальная возможность зависимости модуля Юнга от напряженности магнитного поля. Эта зависимость обнаружена экспериментально и названа ΔE – эффектом.

Наибольшее распространение получили следующие методы экспериментального изучения магнитострикции:

  1.  механический;
  2.  оптический;
  3.  тензометрический.

В работе с помощью электрических проволочных тензометров определяется продольная и поперечная магнитострикция поли кристаллического никеля (ПН) и прессованного никелевого порошка (ПНП) в зависимости от напряженности магнитного поля.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Рис.2.1. Принципиальная схема экспериментальной установки:

1 – блок питания электромагнита УИП – 1; 2 – амперметр; 3 – электромагнит; 4 -  стабилизированный источник питания моста «Агат»; 5 – микроамперметр В7-21; 6 – кнопка включения поля; R1 – сопротивление тензометра; R3, R4 – сопротивление плечей моста (R3 =200 Ом); R21, R22 – сравнительное плечо моста (магазины сопротивления); R5 – балластное сопротивление; K1, K2 – переключатели включения микроамперметра; K3 – переключатель включения тензометров в мостовую схему.

Магнитное поле создается электромагнитом 3. Напряженность магнитного поля Н определяется по градуировочной кривой зависимости Н  от тока электромагнита I. Питание электромагнита осуществляется универсальным блоком питания УИП-I I. Регулировка тока электромагнита осуществляется изменением выходного напряжения блока питания 1.

3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

3.1. Включить источник питания УИП-1, источник питания моста «Агат», микроамперметр В7-21, установить образец и зафиксировать его положение. В течение 20-30 минут дать установиться температурам в мостовой схеме и приборах.

3.2.1. В настоящей работе необходимо определить величину линейной магнитострикции образца как функцию напряженности внешнего магнитного поля.

3.2.2. Построить графические зависимости  .

3.3.1. Внести образец и  зафиксировать его положение в магните.

Переключатель  перевести в положение I. При отключенном токе электромагнита установить мост вблизи равновесия, для чего включить переключатель  «грубо» и, изменяя сопротивление , установить на нуль показания микроамперметра В7-21. Затем, включив переключатель  «точно», повторить установку нуля.

3.3.2. Записать значения сопротивлений  и , затем увеличить  на величину  Ом и записать показания микроамперметра.

3.3.3. Изменяя ток источника питания электромагнита УИП-I от 0 до 300 мА, с шагом 20 мА, записать соответствующие показания микроамперметра В7-21 (ток I в nA). Затем, уменьшая ток от 300 мА до 0 мА (шаг 20 мА), замерить ток моста при уменьшении магнитного поля. Знак « - « показывает сжатие образца в магнитном поле. Результаты занести в таблицу П.I.

3.3.4. Переключатель  поставить в положение П. Ввести второй образец в поле, зафиксировать его, и дать прогреться схеме в течение 30 минут. Проделать измерения п. 3.3.1 – п. 3.3.3 для прессованного никелевого порошка. Результаты занести в таблицу П.I.

3.4.1. Вычислить коэффициент чувствительности схемы по формуле

3.4.2. Вычислить значения поля, воспользовавшись формулой

H=A*I + B, А/м,

где ;  ; I – ток электромагнита в мА.

3.4.3. Вычислить значения  для обоих образцов, используя программу, приведенную в приложении.

3.4.4. Построить график зависимости  от H.

4 ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Результаты измерений приведены в таблице.

Таблица 1: Измерение магнитострикции.

№ п/п

Ток магнита A*

Ток моста A*

*(-1)

H

№ п/п

Ток магнита A*

Ток моста A*

*(-1)

H

1

0

-0,18

1,15E-05

5633

17

280

-1,36

8,7E-05

142777

2

20

-0,25

0,000016

15429

18

260

-1,36

8,7E-05

132981

3

40

-0,30

1,92E-05

25225

19

240

-1,36

8,7E-05

123185

4

60

-046

2,94E-05

35021

20

220

-1,36

8,7E-05

113389

5

80

-069

4,42E-05

44817

21

200

-1,36

8,7E-05

103593

6

100

-0,87

5,57E-05

54613

22

180

-1,34

8,58E-05

93797

7

120

-1,05

6,72E-05

64409

23

160

-1,30

8,32E-05

84001

8

140

-1,16

7,42E-05

74205

24

140

-1,25

0,00008

74205

9

160

-1,22

7,81E-05

84001

25

120

-1,13

7,23E-05

64409

10

180

-130

8,32E-05

93797

26

100

-1,00

0,000064

54613

11

200

-1,35

8,64E-05

103593

27

80

-0,81

5,18E-05

44817

12

220

-1,37

8,77E-05

113389

28

60

-0,65

4,16E-05

35021

13

240

-1,38

8,83E-05

123185

29

40

-0,45

2,88E-05

25225

14

260

-1,38

8,83E-05

132981

30

20

-0,27

1,73E-05

15429

15

280

-1,38

8,83E-05

142777

31

0

-0,24

1,15E-05

5633

16

299

-1,38

8,83E-05

152083,2

32

Таблица 2: Измерение магнитострикции.

№ п/п

Ток магнита A*

Ток моста A*

*(-1)

H

№ п/п

Ток магнита A*

Ток моста A*

*(-1)

H

1

0

-0,28

-1,79E-05

-5633

17

280

-1,49

-9,54E-05

-142777

2

20

-0,30

-1,92E-05

-15429

18

260

-1,49

-9,54E-05

-132981

3

40

-0,40

-2,56E-05

-25225

19

240

-1,49

-9,54E-05

-123185

4

60

-0,59

-3,78E-05

-35021

20

220

-1,49

-9,54E-05

-113389

5

80

-0,80

-5,12E-05

-44817

21

200

-1,49

-9,54E-05

-103593

6

100

-1,07

-6,85E-05

-54613

22

180

-1,48

-9,47E-05

-93797

7

120

-1,21

-7,74E-05

-64409

23

160

-1,44

-9,22E-05

-84001

8

140

-1,31

-8,38E-05

-74205

24

140

-1,37

-8,77E-05

-74205

9

160

-1,39

-8,9E-05

-84001

25

120

-1,26

-8,06E-05

-64409

10

180

-1,43

-9,15E-05

-93797

26

100

-1,13

-7,23E-05

-54613

11

200

-1,47

-9,41E-05

-103593

27

80

-0,88

-5,63E-05

-44817

12

220

-1,49

-9,54E-05

-113389

28

60

-0,75

-0,000048

-35021

13

240

-1,49

-9,54E-05

-123185

29

40

-0,52

-3,33E-05

-25225

14

260

-1,49

-9,54E-05

-132981

30

20

-0,35

-2,24E-05

-15429

15

280

-1,49

-9,54E-05

-142777

31

0

-0,34

-2,18E-05

-5633

16

299

-1,49

-9,54E-05

-152083,2

32

Таблица 3: Измерение магнитострикции.

№ п/п

Ток магнита A*

Ток моста A*

*(-1)

H

1

0

-0,35

2,24E-05

5633

2

20

-0,40

2,56E-05

15429

3

40

-0,48

3,07E-05

25225

4

60

-0,65

4,16E-05

35021

5

80

-0,88

5,63E-05

44817

6

100

-1,09

6,98E-05

54613

7

120

-1,26

8,06E-05

64409

8

140

-1,35

8,64E-05

74205

9

160

-1,46

9,34E-05

84001

10

180

-1,55

9,92E-05

93797

11

200

-1,58

0,000101

103593

12

220

-1,60

0,000102

113389

13

240

-1,60

0,000102

123185

14

260

-1,60

0,000102

132981

15

280

-1,60

0,000102

142777

16

299

-1,60

0,000102

152083,2

Вычислим коэффициент чувствительности схемы С:

; ; ;

;

Построим график зависимости  от H, для трех таблиц соответственно:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе данной лабораторной работы было наблюдаемо явление магнитострикции, заключающееся в изменении формы и размеров ферромагнетика при изменении его намагниченности в магнитном поле. Изучен характер зависимости продольной и поперечной магнитострикции от напряженности внешнего магнитного поля. На основании полученных данных были построены графики зависимости магнитострикции от напряженности магнитного поля, аналогичные теоретическому графику из методического руководства, наглядно иллюстрирующие явление магнитострикции.


смещение

H

HS

вращение

парапроцесс

Кривая намагниченности никеля

1

2

3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22641. Р-ня стану реальних газів 97 KB
  Рня ВандерВаальса де а – константа взаємодії b – поправка на об’єм. Для реальних газів застосовується наближення : Газ досить розріджений використовуємо тільки парну взаємодію; Молекули рухаються згідно з законом класичної механіки; Зіткнення між молекулами пружне; Сили взаємодії – центральні діють між центрами молекул тому використовуємо сферично симетричний потенціал. радіуса взаємодії де одна молекула відчуває іншу. область взаємодії.
22642. Явища переносу в газах, рідинах і твердих тілах 44.5 KB
  Явища переносу в газах рідинах і твердих тілах Якщо виникає grad якоїсь величини G енергія імпульс конц. заряд то виникає потік JG направлений на зменшення цього grad. Оскільки температура газу вирівнюється повільно теплопровідність газу мала gradT  0. Дифузія – вирівнювання концентрації домішки переміщення молекул домішки в напрямку меншої концентрації відбувається перенесенням маси домішаного газу  = const gradn = const.
22643. Фазові переходи першого і другого роду 51.5 KB
  Фазові переходи першого і другого роду. Фазовий перехід першого роду фазовий перехід при якому питомий об’єм та питома ентропія змінюється стрибкоподібно. Отже коли стрибком змінюється перші похідні функцій фазові переходи першого роду а якщо залишаються неперервними а другі похідні змінюються стрибком то такі фазові переходи називаються переходами другого роду. Звідси випливає що фазовий перехід другого роду супроводжується стрибком наступних величин : питомої теплоємності ; ізобаричного коефіцієнту теплового розширення ;...
22644. Рівняння Максвелла як узагальнення експериментальних фактів 77 KB
  при наявності і руху зарядів і змінного електричного поля. Струм провідності 0 пов’язаний з рухом зарядів а струм зміщення – із зміною напруженості електричного поля. Вивчення магнітного поля магнітів та струмів показало що силові лінії магн. поля: ; потік вектора напруженості ел.
22645. Магнітні властивості речовини. Пара-, діа- , феромагнетики 304 KB
  Якщо намагнічування припиняється і при забиранні заліза від магніту то воно називається тимчасовим намагніченням. Ця величина називається вектором намагнічення . Якщо довести намагнічення до насичення точка 1 на мал. 2 і потім зменшувати напруженість магнітного поля то намагнічення випливає не первісної кривої 01 а змінюється відповідно до кривої 1 2.
22646. Поширення електромагнітної хвиль в металевих середовищах. Скін ефект 94.5 KB
  Тоді в 1 покладемо : розв’язок 5 шукаємо у вигляді: 6 звідки підставивши 6 в 5 отримаємо: звідси дисперсійне рня: 8 де n – показаник заломлення показник затухання. Розглянемо квазістаціонарний випадок тобто коли і тоді для провідника маємо наступні рівняння Максвела: звідси: 12 Застосувавши до 2го з системи рівнянь 12 оператор rot маємо : де оператор Лапласа. для монохроматичних коливань тоді 13 . Шукаємо розв’язок у вигляді: тоді отримаємо: 14 тобто комплексне тоді з 14 ...
22647. Електропровідність газів, рідин і твердих тіл 51 KB
  Електропровідність газів рідин і твердих тіл. Провідність визначається наявністю рухомих зарядів. Відрізняють електронну провідність в тв. тілі вакуумі і йонну провідність рідини гази.
22648. Предмет, структура і функції етики як науки 90 KB
  Поняття «етика» походить з давньогрецького «ethos», що спочатку позначало спільне місце мешкання. У епоху давньогрецької архаїки це слово набуло значення звичаю, характеру, темпераменту, образу думок. Рання грецька філософія надала поняттю «етика» термінологічний сенс, позначивши ним «природу», «натуру», «сталий характер»
22649. Електромагнітні потенціали. Рівняння для електромагнітних потенціалів, їх розв’язок у вигляді запізнювального потенціалу. Запізнювальні та випереджуючі потенціали 82.5 KB
  Рівняння для електромагнітних потенціалів їх розв’язок у вигляді запізнювального потенціалу. Розв’яжемо хвильові рівняння ; для потенціалів за допомогою функції Гріна. Шукаємо розв`язки у вигляді ; Рівняння для G: ; тоді ; . Домножимо рівняння на та .