42160

ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ ДИА- И ПАРАМАГНЕТИКОВ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

4 Тогда вектор результирующей магнитной индукции будет определяться с учетом 3 и 4: 5 где 0 = 4 107 Гн м – магнитная постоянная  = 1  относительная магнитная проницаемость вещества показывающая во сколько раз изменяется магнитное поле в веществе по сравнению с магнитным полем в вакууме: ....

Русский

2013-10-27

84 KB

5 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА  №  4 – 8

ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ

ДИА-  И  ПАРАМАГНЕТИКОВ

Цель работы:  изучение взаимодействия диа-  и парамагнетиков с магнитным полем

ПОСТАНОВКА   ЗАДАЧИ

Магнитное поле в вакууме, характеризующееся вектором магнитной индукции   , существенно изменяется при внесении в него какого-либо вещества. Это объяснятся тем, что всякое вещество является магнетиком,  то есть способно намагничиваться под действием внешнего магнитного поля. В намагниченном веществе создается свое магнитное поле,  , которое накладывается на внешнее поле  , и тогда результирующее поле внутри магнетика будет

                                                                                             (1)

Для объяснения намагниченности тел Ампер предположил, что в молекулах (атомах) вещества циркулируют круговые токи. Каждый такой ток обладает магнитным моментом    и создает в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего поля в силу хаотической ориентации магнитных моментов отдельных молекул (атомов) суммарный магнитный момент тела равен нулю. Под действием поля магнитные моменты приобретают ориентацию в одном направлении, магнетик намагничивается, и его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля.

Намагничивание магнетика характеризуется вектором намагниченности  , то есть, магнитным моментом единицы объема

                             ,                                                            (2)

где   - сумма магнитных моментов молекул, заключенных в объеме  V, взятом в окрестности рассматриваемой точки.

Экспериментально показано, что вектор   связан с вектором   в той же точке магнетика соотношением

                                       =  ,                                                           (3)    где   - магнитная восприимчивость, показывающая, как быстро с ростом поля намагничивается вещество, - величина безразмерная, так как размерности   и   совпадают. Соотношение (3) выполняется для изотропных магнетиков.

         Дополнительное поле  В! , обусловленное намагничиванием вещества, описывается выражением

                                       В1 = 0J =  0H.                                                      (4)

Тогда вектор результирующей магнитной индукции будет определяться с учетом (3) и (4):

           ,       (5)

где  0 = 4 10-7 Гн/м – магнитная постоянная,   = 1 + - относительная магнитная проницаемость вещества,  показывающая, во сколько раз изменяется магнитное поле в веществе по сравнению с магнитным полем в вакууме:

                                             .                                                      (6)

         Все вещества в магнитном отношении делятся на диамагнетики, парамагнетики и магнетики с упорядоченной магнитной структурой: ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики

Вектор намагниченности     в диамагнетиках антипараллелен намагничивающему полю, поэтому    0, следовательно,    1. Восприимчивость диамагнетиков весьма мала  (10 –7 – 10 –4)  по абсолютной величине и не зависит от температуры. Диамагнетиками являются инертные газы, многие органические соединения (нефть, смолы, стекло, мрамор, вода, графит), некоторые металлы (висмут, медь, цинк, серебро, ртуть).

Вектор намагниченности   в парамагнетиках также пропорционален   и совпадает по направлению с намагничивающим полем, поэтому   > 0, следовательно,   > 1. Парамагнетиками являются эбонит, натрий, калий, цезий, магний, алюминий, марганец, платина, кислород, растворы солей железа и др.  Восприимчивость парамагнетиков при обычной температуре невелика (10 –3 – 10-6) и зависит от температуры.

Магнитную проницаемость вещества можно определить по силе, действующей на образец, помещенный в неоднородное магнитное поле.

Пусть магнетик в форме цилиндра (рис. 1) втягивается в магнитное поле электромагнита с силой  F  на расстояние  dy. При этом совершается работа

                                     dA = F dy ,                                                          (7)

которая производится за счет затраченной энергии магнитного поля. Плотность энергии магнитного поля (энергия единицы объема) определяется выражением

                                                .                                                       (8)

После замены   = 1 + и подстановки ее в (8), получим

               .                    (9)

Первое слагаемое определяет плотность энергии магнитного поля в вакууме ( = 1) между полюсами электромагнита. При заданном токе и неизменном объеме межполюсного пространства эта составляющая энергии постоянна  (W = w dV = const). 

Второе слагаемое определяет плотность энергии взаимодействия магнетика с магнитным полем. При втягивании магнетика в поле электромагнита на величину «dy» намагниченный объем прирастет на величину  dV = S dy (S – площадь сечения цилиндрического образца). Изменение энергии при этом составит

                              .                            (10)

Учитывая, что работа производится за счет энергии магнитного поля, то есть  dA = dW,  а    (d – диаметр образца), получим из (7)  и  (10)  выражение для силы, действующей на образец

                            ,                                      (11)

так как магнитная индукция в вакууме  В0 = 0Н, то выражение для магнитной восприимчивости будет иметь вид

                                                   .                                                    (12)

         Пренебрегая вкладом воздуха в величину магнитной индукции, можем принять, что  В0 = В – магнитной индукции между полюсами электромагнита. При выводе формулы (12) были сделаны упрощающие положения о том, что напряженности магнитного поля в образце и воздухе совпадают, а также, что распределение магнитного поля не зависит от передвижения образца, поэтому формула (12) не является вполне точной.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ВНИМАНИЕ!   ВЕСЫ АНАЛИТИЧЕСКИЕ!   ОБРАЩАТЬСЯ ОСТОРОЖНО!   ЧИТАЙТЕ ПРАВИЛА ПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕСАМИ!

Схема установки приведена на рис. 2.

Упражнение 1. Измерение величины магнитной индукции.

         1. К зажимам милливеберметра (1) подключите концы измерительной катушки и установите ее в зазор электромагнита (3), как показано на рис. 2 (питание электромагнита должно быть отключено).

         2. Включите питание электромагнита.

         3. С помощью регулятора напряжения  (4)  выпрямителя установите ток возбуждения 0,2 А.

         4. Поставьте переключатель милливеберметра М 119 (нажмите кнопку Ф 192) в положение «Корректор» («Установка нуля») и установите стрелку прибора на нулевое деление.

         5. Переведите переключатель  в положение «Измерение» (нажмите кнопку «Измерение»).

         6. Выдернув катушку из зазора электромагнита, запишите показания милливеберметра ().

         7. Повторите пункты «3 – 6» для других токов возбуждения.

         8. Полученные результаты измерений занесите в табл. 1.

                                                                                                             Таблица 1

Ток возбуждения, А

(мВб)

Индукция, В (Тл)

0,2

0.4

0,6

0,8

         9. Рассчитайте магнитную индукцию по формуле  , где  S – площадь сечения катушки в  м2,   - потокосцепление,  N – число витков катушки.

         10. Постройте график зависимости величины магнитной индукции от тока возбуждения.

Упражнение 2. Определение магнитной восприимчивости вещества.

  1.  Уберите измерительную катушку из зазора электромагнита.
  2.  Подвесьте к весам (5) один из образцов и уравновесьте весы с помощью разновесок (6), то есть найдите массу образца с подвесом  m0. Ток возбуждения при этом равен нулю.
  3.  Включите  ток 0,4 А в цепи электромагнита и опять уравновесьте весы, то есть найдите массу образца с подвесом  m.
  4.  Дополнительную силу, действующую на образец, определите по формуле  F = (m – m0) g.  Измерьте дополнительную силу при токах возбуждения 0,6 А  и  0,8 А.
  5.  Повторите аналогичные измерения для каждого образца. Результаты измерений занесите в табл. 2.

                                                                                                              Таблица 2

Образец

В. Тл

I, А

m, кг

F=(m-m0)g

H

 ср

=1+СР

Висмут

m0 =

d =

0,4

0,6

0,8

Алюминий

m0 =

d =

0,4

0,6

0,8

Эбонит

m0 =

d =

0,4

0,6

0,8

  1.  Измерьте диаметр  d  каждого образца штангенциркулем.
  2.  По формуле (12) найдите среднее значение магнитной восприимчивости, а затем магнитной проницаемости каждого образца, используя значения магнитной индукции из таблицы 1.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как разделяются вещества по своим магнитным свойствам и чем они отличаются? В чем состоит процесс намагничивания?

3. Что называется вектором намагничивания?

4. Какой физический смысл магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости?

6. Как измеряется величина магнитной индукции с помощью милливеберметра?

7. В чем состоит метод измерения магнитной проницаемости вещества в данной работе?

8. Явление диамагнетизма, парамагнетизма.

43


y

dy

S

Рис. 1

+-

A

7

6

5

4

3

S

N

2

1

Рис. 2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32815. Русская религиозная философия 2-й половины 19-20 веков. «философия всеединства» В.Соловьева 14.74 KB
  философия всеединства В. Центральной идеей русской религиозной философии выступает идея всеединства которая стала основанием для формирования целого философского направления – метафизики всеединства. философия всеединства оформилась в последней четверти ХIХ века Ее основоположником является В. Соловьев 1853 – 1900 который в своем философском труде Кризис западной философии против позитивистов наметил основную проблематику концепции всеединства.
32816. Философия русского космизма 14.01 KB
  Основные проблемы космизма: единство человека природы и космоса; место разума во Вселенной развитие космонавтики новая космическая этика и др. Философия общего дела представляет собой проект регуляции природы обращенный на преобразование мира. Регуляция природы мыслится им как принципиально новый сознательный этап развития мира и всего космоса. Проект регуляции природы для него есть только необходимое условие исполнения высшего нравственного долга победы над смертью.
32817. Материалистическая (революционно-демократическая) традиция русской философии 14.08 KB
  Ленина 1870 – 1924 гг. Ленин продолжает марксистскую традицию в философии развивает учение Маркса применительно к новому этапу научного и социальнополитического развития. Основной философский труд Ленина – Материализм и эмпириокритицизм. Ленин дал глубокий анализ новых достижений естествознания с позиций диалектического материализма и изложил основные принципы диалектикоматериалистической теории познания.
32818. Философское значение творчества российских ученых-естествоиспытателей 13.47 KB
  Это позволяет ученому сделать заключение о том что под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера неизбежно должна перейти в новое состояние – в ноосферу высший завершающий и закономерный этап в эволюции биосферы. Вернадский рассматривал переход биосферы в ноосферу как явление планетарного масштаба подчеркивая что на новом этапе эволюции человечество своей жизнью стало единым целым. В статье Несколько слов о ноосфере опубликованной в 1944 году во время разрушительной мировой войны ученый тем не менее утверждает:...
32819. Особенности формирования и характерные черты западноевропейской фил. 20 в 14.25 KB
  ХХ век в мировой истории характеризуется рядом особенностей: небывалый научнотехнический прогресс результаты которого значительно изменили облик мира и человека. В то же время развитие науки и техники породило множество проблем; стремительность масштабность и радикальность изменений происходящих в мире и в жизни общества; глобализация происходящих процессов: научнотехнические достижения становятся достоянием всего мира возникающие проблемы также носят глобальный характер; демократизация политической сферы; глубокий кризис в...
32820. Философия экзистенциализма 14.78 KB
  Философия экзистенциализма. Идеи экзистенциализма оказали большое влияние на литературу театр кино многие его представители – люди искусства. Философия экзистенциализма носит индивидуалистический характер. Важнейшая категория экзистенциализма – смерть.
32821. «Философия жизни», как одно из основных направлений западноевропейской философии 20 в 14.13 KB
  Одним из вариантов стала философия жизни. Все существующее представители этого направления рассматривали как проявление некой первоначальной реальности – жизни недоступной ни чувственному ни рациональному познанию и постигаемой только интуитивно в результате непосредственных переживаний. Противопоставляя науке и разуму интуицию и инстинкт философия жизни представляет собой антисциентистское иррационалистическое направление.
32822. Философия неопозитивизма 16.04 KB
  Бурное развитие науки и техники формирование сциентизма как особого умонастроения стали причиной формирования ряда философских направлений в центре внимания которых проблема науки как феномена культуры а также вопросы методологии научного познания. Он выступил с идеей о неспособности философии ответить на вопросы поставленные развитием науки. Неопозитивизм уходя от решения коренных философских проблем сосредотачивается на частных логикометодологических исследованиях на анализе языка науки. Логический позитивизм спекулирует на реальных...
32823. Философия психоанализа 14.61 KB
  В центре внимания Фрейда – проблема бессознательного. Содержание бессознательного Фрейд сводит к двум видам влечений – сексуальные инстинкты либидо и влечение к жизни направленное на самосохранение оба влечения он выводит из комплекса Эдипа и комплекса электры. Юнг разработал концепцию коллективного бессознательного. Содержанием коллективного бессознательного являются врожденные образы символы – архетипы.