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

81447. Минеральные вещества пищи. Региональные патологии, связанные с недостаточностью микроэлементов в пище и воде 104.17 KB
  В настоящее время 14 микроэлементов признаны необходимыми для жизнедеятельности: железо медь марганец цинк кобальт йод фтор хром молибден ванадий никель стронций кремний селен. При его недостатке часто возникают боли в суставах которые иногда ошибочно принимают за проявления ревматизма ЖЕЛЕЗО FeНедостаток железа в питании может вызвать анемию малокровие. В сочетании с белком железо образует красящее вещество крови гемоглобин а так как процесс распада и образования кровяных телец непрерывен то железо должно поступать в...
81448. Понятие о метаболизме и метаболических путях. Ферменты и метаболизм. Понятие о регуляции метаболизма. Основные конечные продукты метаболизма у человека 105.69 KB
  Обычно в метаболических путях есть ключевые ферменты благодаря которым происходит регуляция скорости всего пути. Регуляция количества молекул фермента в клетке Известно что белки в клетке постоянно обновляются. Регуляция синтеза белка может происходить на любой стадии формирования белковой молекулы. Что касается распада ферментов то регуляция этого процесса менее изучена.
81449. Исследования на целых организмах, органах, срезах тканей, гомогенатах, субклеточных структурах и на молекулярном уровне 104.98 KB
  в биохимии всё шире применяются методы молекулярной и клеточной биологии в особенности искусственная экспрессия и нокаут генов в модельных клетках и целых организмах см. Определение структуры всей геномной ДНК человека выявило приблизительно столько же ранее неизвестных генов и их неизученных продуктов сколько уже было известно к началу XXI века благодаря полувековым усилиям научного сообщества. Искусственая экспрессия ранее неизвестных генов предоставила биохимикам новый материал для исследования часто недоступный традиционными методами....
81450. Эндэргонические и экзэргонические реакции в живой клетке. Макроэргические соединения 126.67 KB
  Многие из этих реакций происходят при участии аденозинтрифосфата АТФ играющего роль сопрягающего фактора. При сопряжении процессов 1 и 2 в реакции катализируемой гексокиназой фосфорилирование глюкозы легко протекает в физиологических условиях; равновесие реакции сильно сдвинуто вправо и она практически необратима...
81451. Дегидрирование субстрата и окисление водорода (образование Н2О) как источник энергии для синтеза АТФ. НАД- и ФАД-зависимые дегидрогеназы, убихинон-дегидрогеназа, цитохромы и цитохромоксидаза 152.07 KB
  Электроны обладающие высоким энергетическим потенциалом передаются от восстановленных коферментов NDH и FDH2 к кислороду через цепь переносчиков локализованных во внутренней мембране митохондрий. Они катализируют реакции типа: RCHOHR1 ND↔ RCOR1 NDH Н. Однако возможно включение электронов с NDPH в ЦПЭ благодаря действию пиридиннуклеотид трансгидрогеназы катализирующей реакцию: NDPH ND NDP NDH. К FMNсодержащим ферментам принадлежит NDHдегидрогеназа которая также локализована во внутренней мембране митохондрий; она...
81452. Окислительное фосфорилирование, коэффициент Р/О. Строение митохондрий и структурная организация дыхательной цепи. Трансмембранный электрохимический потенциал 107.79 KB
  Синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счёт энергии переноса электронов по ЦПЭ называют окислительным фосфорилированием. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН источник энергии для синтеза АТФ. Энергия электрохимического потенциала ∆μH используется для синтеза АТФ если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФсинтазы. Строение АТФсинтазы и синтез АТФ АТФсинтаза НАТФаза интегральный белок внутренней мембраны митохондрий.
81453. Регуляция цепи переноса электронов (дыхательный контроль). Разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Терморегуляторная функция тканевого дыхания 104.8 KB
  Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов в ЦПЭ. Если АТФ не используется и его концентрация в клетках возрастает то прекращается и поток электронов к кислороду. С другой стороны расход АТФ и превращение его в АДФ увеличивает окисление субстратов и поглощение кислорода. Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью и имеет важное значение так как в результате его действия скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии.
81454. Нарушения энергетического обмена: гипоэнергетические состояния как результат гипоксии, гипо-, авитаминозов и других причин. Возрастная характеристика энергетического обеспечения организма питательными веществами 102.97 KB
  Все живые клетки постоянно нуждаются в АТФ для осуществления различных видов жизнедеятельности. Клетки мозга потребляют большое количество АТФ для синтеза нейромедиаторов регенерации нервных клеток поддержания необходимого градиента N и К для проведения нервного импульса; почки используют АТФ в процессе реабсорбции различных веществ при образовании мочи; в печени происходит синтез гликогена жиров белков и многих других соединений; в миокарде постоянно совершается механическая работа необходимая для циркуляции крови; скелетные мышцы в...
81455. Образование токсических форм кислорода, механизм их повреждающего действия на клетки. Механизмы устранения токсичных форм кислорода 135.17 KB
  Механизмы устранения токсичных форм кислорода. В большинстве реакций с участием молекулярного кислорода его восстановление происходит поэтапно с переносом одного электрона на каждом этапе. При одноэлектронном переносе происходит образование промежуточных высокореактивных форм кислорода.