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

19456. Договор купли-продажи 23.5 KB
  Договор куплипродажи. Договор куплипродажи это соглашение по которому одна сторона продавец обязуется передать вещь товар в собственность другой стороне покупателю а покупатель обязуется принять этот товар и уплатить за него определенную денежную сумму цену ...
19457. Договор найма жилого помещения 24 KB
  Договор найма жилого помещения. Договор найма жилого помещения это соглашение сторон по которому одна сторона собственник жилого помещения или управомоченное им лицо наймодатель обязуется предоставить другой стороне нанимателю жилое помещение за плату во владе...
19458. Понятие договора хранения 24 KB
  Понятие договора хранения Договор хранения это соглашение сторон по которому одна сторона хранитель обязуется хранить вещь переданную ей другой стороной поклажедателем и возвратить эту вещь в сохранности. Договор хранения может быть как реальным так и консенсу...
19459. Символьные вычисления 37.15 KB
  В ходе лабораторной работы я научился выполнять символьные вычисления, такие как нахождение производной различных порядков, поиск пределов функций, нахождение определенных и неопределенных интегралов и т.д.
19460. Договор страхования 28.5 KB
  Договор страхования. Договор страхования это гражданскоправовая сделка между страховщиком и страхователем в силу которой страховщик обязуется при наступлении страхового случая произвести страховую выплату при условии оплаты страхователем страховой премии в обусл...
19461. Договор аренды зданий и сооружений 24.5 KB
  Договор аренды зданий и сооружений По договору аренды здания или сооружения арендодатель обязуется передать во временное владение и пользование или во временное пользование арендатору здание или сооружение. Стороны: Арендодатель и арендатор. Предмет: Здания и соор
19462. Договор аренды транспортного средства 27.5 KB
  Договор аренды транспортного средства. Договор аренды транспортных средств бывает двух видов: 1 с предоставлением услуг по управлению и обслуживанию транспортного средства с экипажем; 2 без предоставления таких услуг без экипажа. Договор аренды транспортных ср
19463. Institute on Mathematics and Mechanics, Urals Branch of Russian Academy of Science and Urals State University 59 KB
  This theoretical paper is devoted to research of computer metaphor’s sources. Metaphors are actively used in designing of modern interaction and visualization systems. The paper contains the discussion of problems of metaphor search and/or metaphor generations. One of possible hierarchy of computer metaphors is described.
19464. THEORY AS A BRIDGE BETWEEN EDUCATION, RESEARCH AND DEVELOPMENT IN HUMAN-COMPUTER INTERACTION AND COMPUTER VISUALIZATION 72 KB
  The theory is necessary to analyze an existing state of the practice, to train new professionals and to use in the practical work. One may find two main approaches to a choice of foundations for the theories of the computer visualization and human-computer interaction which can be roughly described as psychological and semiotical. The paper contains discussion on the theories of computer visualization and human-computer interaction and considers the role of the theories in education and development processes.