12559

Исследование явление магнитострикции с помощью электрических проволочных тензометров

Лабораторная работа

Физика

ОТЧЁТ по лабораторной работе № 4т: Исследование явление магнитострикции с помощью электрических проволочных тензометров Введение Явление магнитострикции заключается в изменении формы и размеров ферромагнетика при изменении его намагниченности в магнит

Русский

2013-05-01

237 KB

7 чел.

ОТЧЁТ

по лабораторной работе № 4т:

«Исследование явление магнитострикции

с помощью электрических проволочных тензометров»

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 напряженностью магнитного поля. В работе исследуется характер 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.

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).

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;

x – сила упругости;

p – внешнее давление;

V – объем стержня;

H и M – напряженность магнитного поля и намагниченность образца;

Экспериментально показано, что объемная магнитострикция в большинстве случаев пренебрежимо мала. Это значит, что в (1.2) , поэтому

                                        (1.3)

Из (1.3) следует принципиальная возможность зависимости модуля Юнга от напряженности магнитного поля. Эта зависимость называется ΔE – эффектом.

2 Экспериментальная установка

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.

Рисунок 1. Принципиальная схема экспериментальной установки

Тензометрический метод измерения магнитострикции заключается в следущем. На поверхности исследуемого образца приклеивается тензометрический датчик. Тензометр представляет собой тонкую (~20 мкм)  проволочку из нихрома, приклеенную на рисовую бумагу клеем, обеспечивающим электрическую изоляцию проволочки. Сверху. Проволочка также покрывается рисовой бумагой.

При изменении длины образца под действием магнитного поля проволочка также изменяет свою длину. Возникающие изменения сопротивления (из-за изменения длины проволочки) измеряются мостовой схемой, в нулевой цепи которой включен микроамперметр высокой чувствительности. Принципиальная схема установки приведена на рис. 1. Сопротивление каждого тензометрического датчика R1 составляет 200 Ом. Питание мостовой схемы осуществляется через источник постоянного напряжения типа "Агат".

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-1 1. Регулировка тока электромагнита осуществляется изменением выходного напряжения блока питания 1.

Величина линейной магнитострикции определяется из формулы для тока, протекающего через микроамперметр 5:

, (2.1)

где - внутреннее сопротивление микроамперметра.

3 Методика проведения эксперимента

3.1. Задание

3.1.1. В настоящей работе необходимо определить величину линейной магнитострикции двух образцов – поликристаллического никеля и прессированного никелевого порошка – как функцию напряженности магнитного поля.

3.1.2.Построить графические зависимости

3.1.3. Ввести образец 1и зафиксировать его положение в магните.

Переключатель K3 перевести в положение Т. При отключенном токе электромагнита установить мост вблизи равновесия, для чего включить переключатель K2  «грубо» и, изменяя сопротивление R22 установить на нуль показания микроампермтра B7-21. Затем, включив переключатель К1  «точно», повторить установку нуля.

3.1.4. Записать значение сопротивлений R21 и R22 , затем увеличить R22 на величину ΔR=20 Ом и записать показания микроамперметра.

3.1.5. Изменяя ток источника питания от 0 до 300 мА с шагом 20 мА, записать соответствующие показания вольтамперметра. 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.

4 Опытные данные и обработка результатов измерений

Результаты измерений приведены в таблице 1.

Таблица 1: Измерение магнитострикции.

R 21 =

200 Ом

R =

183,6028 Ом

A = (489,8 ± 1,5)

R 22 =

2216,2 Ом

R' =

183,6698 Ом

R' 22 =

2226,2 Ом

ΔR =

0,067 Ом

B = (5633  ± 30)

ΔIm =

5,58*10-3 А

C =

6,54E-02

0-300 +

Ток магнита,

A*10-3

Ток моста, nA

H, A/м

ΔL/L*103

1

0

-0,26

5633

0,017003

2

20

-0,36

15429

0,023543

3

40

-0,43

25225

0,028121

4

60

-0,59

35021

0,038585

5

80

-0,81

44817

0,052972

6

100

-1,04

54613

0,068013

7

120

-1,22

64409

0,079785

8

140

-1,35

74205

0,088287

9

160

-1,44

84001

0,094172

10

180

-1,5

93797

0,098096

11

200

-1,56

103593

0,10202

12

220

-1,59

113389

0,103982

13

240

-1,59

123185

0,103982

14

260

-1,61

132981

0,10529

15

280

-1,62

142777

0,105944

16

300

-1,68

152573

0,109868

300-0 +

Ток магнита,

A*10-3

Ток моста, nA

H, A/м

ΔL/L*103

1

300

-1,68

152573

0,109868

2

280

-1,72

142777

0,112484

3

260

-1,74

132981

0,113792

4

240

-1,75

123185

0,114446

5

220

-1,77

113389

0,115754

6

200

-1,77

103593

0,115754

7

180

-1,79

93797

0,117062

8

160

-1,75

84001

0,114446

9

140

-1,65

74205

0,107906

10

120

-1,57

64409

0,102674

11

100

-1,45

54613

0,094826

12

80

-1,25

44817

0,081747

13

60

-1,09

35021

0,071283

14

40

-0,93

25225

0,06082

15

20

-0,77

15429

0,050356

16

0

-0,77

5633

0,050356

0-300 –

Ток магнита,

A*10-3

Ток моста, nA

H, A/м

ΔL/L*103

1

0

-0,83

-5633

-5,43E-02

2

20

-0,88

-15429

-5,75E-02

3

40

-1

-25225

-6,54E-02

4

60

-1,14

-35021

-7,46E-02

5

80

-1,33

-44817

-8,70E-02

6

100

-1,56

-54613

-1,02E-01

7

120

-1,72

-64409

-1,12E-01

8

140

-1,85

-74205

-1,21E-01

9

160

-1,93

-84001

-1,26E-01

10

180

-2,03

-93797

-1,33E-01

11

200

-2,08

-103593

-1,36E-01

12

220

-2,11

-113389

-1,38E-01

13

240

-2,12

-123185

-1,39E-01

14

260

-2,11

-132981

-1,38E-01

15

280

-2,12

-142777

-1,39E-01

16

300

-2,12

-152573

-1,39E-01

300-0 –

Ток магнита,

A*10-3

Ток моста, nA

H, A/м

ΔL/L*103

1

300

-2,12

-152573

-1,39E-01

2

280

-2,14

-142777

-1,40E-01

3

260

-2,15

-132981

-1,41E-01

4

240

-2,17

-123185

-1,42E-01

5

220

-2,16

-113389

-1,41E-01

6

200

-2,15

-103593

-1,41E-01

7

180

-2,13

-93797

-1,39E-01

8

160

-2,1

-84001

-1,37E-01

9

140

-2,07

-74205

-1,35E-01

10

120

-1,99

-64409

-1,30E-01

11

100

-1,84

-54613

-1,20E-01

12

80

-1,61

-44817

-1,05E-01

13

60

-1,45

-35021

-9,48E-02

14

40

-1,27

-25225

-8,31E-02

15

20

-1,11

-15429

-7,26E-02

16

0

-1,09

-5633

-7,13E-02

0-300 +

Ток магнита,

A*10-3

Ток моста,nA

H, A/м

ΔL/L*103

1

0

-1,17

5633

0,076515

2

20

-1,21

15429

0,079131

3

40

-1,31

25225

0,085671

4

60

-1,43

35021

0,093518

5

80

-1,68

44817

0,109868

6

100

-1,88

54613

0,122947

7

120

-2,04

64409

0,133411

8

140

-2,14

74205

0,139951

9

160

-2,26

84001

0,147798

10

180

-2,32

93797

0,151722

11

200

-2,39

103593

0,1563

12

220

-2,43

113389

0,158916

13

240

-2,43

123185

0,158916

14

260

-2,43

132981

0,158916

15

280

-2,43

142777

0,158916

16

300

-2,43

152573

0,158916

Вычислим коэффициент чувствительности схемы С:

; ;

;

;

График зависимости  от H приведен на Рисунке 2.

Рисунок 2. График зависимости  от H.

Заключение

В данной лабораторной работы было наблюдаемо явление магнитострикции, заключающееся в изменении формы и размеров ферромагнетика при изменении его намагниченности в магнитном поле. Проведено измерение тока моста в зависимости от тока, протекающего через электромагнит. Изучена закономерность изменения длины образца при увеличении напряженности окружающего электрического поля. На основании полученных данных были построены графики зависимости магнитострикции от напряженности магнитного поля: .


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7331. Диэлектрики в электростатическом поле 94.5 KB
  Тема: Диэлектрики в электростатическом поле. 1. Свободные и связанные заряды. Полярные и неполярные молекулы. Поляризуемость молекулы. 2. Типы диэлектриков. Деформационная и ориентационная поляризации диэлектриков. Поляризационные заряды. Поляризова...
7332. Расчет электрического поля в диэлектрике 89 KB
  Тема: Расчет электрического поля в диэлектрике. Поле в диэлектрике. Теорема Остроградского-Гаусса для электрического поля в веществе. Электрическое смещение. Диэлектрическая проницаемость вещества. Условия для E и D на границе двух диэлект...
7333. Элементы физической электроники 79 KB
  Тема: Элементы физической электроники 1. Работа выхода электрона из металла. Термоэлектронная эмиссия. 2. Электрический ток в вакууме. Законы, описывающие ток в вакууме. I=B...
7334. Магнитное поле в вакууме. Закон Био-Савара-Лапласа 124 KB
  Тема: Магнитное поле в вакууме. Закон Био-Савара-Лапласа Магнитное поле тока. Закон Био-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиции магнитных полей. 2. Применение закона Био-Савара-Лапласа к расчету магнитного поля: Магнитное по...
7335. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме 85.5 KB
  Тема: Закон полного тока для магнитного поля в вакууме Вихревой характер магнитного поля. Циркуляция вектора магнитной индукции. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме Применение закона полного тока к расчету магнитного ...
7336. Закон Ома в дифференциальной форме 91.5 KB
  Тема: Закон Ома в дифференциальной форме Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. Классическая электронная теория электропроводности (КЭТ) металлов и ее опытное обоснование. Плотность тока по КЭТ. 3. Вывод за...
7337. Энергия электрического поля 73 KB
  Тема: Энергия электрического поля 1. Энергия уединенного заряженного проводника и системы заряженных проводников 2. Энергия заряженного конденсатора 3. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии. 4. Пондеромоторные силы. Применение...
7338. Выявление и оценка тенденций развития финансовых процессов на предприятии 155 KB
  Введение: На современном этапе развития нашей экономики вопрос анализа финансового состояния предприятия является очень актуальным. От финансового состояния предприятия зависит во многом успех его деятельности. Поэтому анализу финансового состояния ...
7339. Теоретические основы легирования 1.15 MB
  Теоретические основы легирования Конспект лекций составлен в соответствии с программой и учебным планом по дисциплине Теоретические основы легирования и содержит материалы по основным разделам дисциплины. СОДЕРЖАНИЕ Стр. Легирующие элементы и кл...