42521

Снятие кривой намагничения и петли гистерезиса с помощью осциллографа

Лабораторная работа

Физика

Краткие теоретические сведения Ферромагнетикам свойственно явление гистерезиса. Замкнутая кривая bcdef называется петлёй гистерезиса рис. Можно получить семейство петель гистерезиса по способу описанному ранее не доводя намагничение образца до насыщения.

Русский

2013-10-30

142.5 KB

27 чел.

Лабораторная работа № 23

снятие кривой намагничения и петли гистерезиса с помощью осциллографа

Цель работы: изучить явление ферромагнетизма, научиться наблюдать петлю гистерезиса на экране осциллографа.

Оборудование: трансформатор с железным сердечником, осциллограф, конденсатор, магазин сопротивлений, реостат, регулятор напряжения.

23.1. Краткие теоретические сведения

Ферромагнетикам свойственно явление гистерезиса. Оно заключается в том, что магнитная индукция В в среде зависит не только от магнитной индукции в вакууме В0, но и от того, был ли ферромагнетик намагничен раньше, т.е. В является многозначной функцией В0 (рис. 23.1).

Если предварительно ненамагниченный ферромагнетик пометить в магнитное поле, которое будет постепенно увеличиваться от нуля до некоторого максимума, то зависимость В от В0 выразится отрезком 0а. При дальнейшем увеличении В0 магнитная индукция В практически не изменится, наступает насыщение.

При уменьшении магнитной индукции В0 до нуля кривая намагничения не совпадает с отрезком 0а, а направлена по линии ab. Величина В − 0b называется остаточной индукцией намагничения и является характеристикой ферромагнетика.

Для того, чтобы уничтожить остаточную намагниченность, надо изменить направление и величину В0. Величина В0 − 0с называется коэрцитивной силой и также является характеристикой ферромагнетика.

При дальнейшем увеличении магнитной индукции поля вновь достигается насыщение. При уменьшении магнитной индукции от В0 до нуля и увеличении от нуля до В0 − 0а получается кривая defa. Замкнутая кривая abcdefa называется петлёй гистерезиса (рис. 23.1).

Теория ферромагнетизма была создана Я.И.Френкелем и В.Гейзенбергом в 1928 г. Ответственными за магнитные свойства ферромагнетиков являются собственные (спиновые) магнитные моменты электронов. В кристаллической решётке ферромагнетика вследствие взаимодействия некоторые электроны атомов переориентируются так, что их собственные магнитные моменты оказываются сонаправленными. Такая ориентация отвечает минимуму энергии. Область, в которой магнитные моменты электронов ориентированны в одном направлении, называется областью спонтанного намагничения или доменом. Линейные размеры доменов порядка микрометров. Весь кристалл ферромагнетика – это совокупность доменов, в каждом из которых магнитные моменты электронов направлены одинаково, а соседние домены − хаотично (рис. 23.2, а).

Полный магнитный момент домена довольно значительный, но вследствие хаотичности направления моментов соседних доменов суммарный момент ферромагнетика равен нулю. Если ферромагнетик поместить в магнитное поле и постепенно это поле увеличивать, магнитная индукция В возрастает. При увеличении внешнего магнитного поля домены, в которых спины электронов создают наибольший угол с направлением поля, находятся в энергетически неустойчивом состоянии. Энергетически выгодным будет состояние, когда эти домены повернутся в направлении поля. Это будет наблюдаться, в первую очередь, в доменах, расположенных по соседству с доменами с энергетически выгодной ориентацией магнитного момента. Домен, ориентированный в направлении поля, как бы поглощает соседний (рис. 23.2, б), увеличиваясь при этом. Увеличение может происходить не только в доменах, ориентированных в направлении поля, но и в тех, направление собственного магнитного момента которых составляет с направлением поля небольшой угол. При дальнейшем возрастании индукции внешнего поля магнитные моменты постепенно поворачиваются в направлении поля. Когда все спины ориентированы по направлению поля, наступает состояние насыщения (рис. 23.2, в). Если после насыщения уменьшать индукцию внешнего поля, тепловое движение постепенно расстроит правильную ориентацию доменов (рис. 23.2, г). При полном отсутствии внешнего поля некоторые домены сохраняют предыдущую ориентацию − остаточную намагниченность. Аналогичный процесс происходит при изменении направления магнитного поля.

Можно получить семейство петель гистерезиса по способу, описанному ранее, не доводя намагничение образца до насыщения.

23.2. Теория метода и экспериментальная установка

Петлю гистерезиса можно получить, если ферромагнетик поместить в магнитное поле, создаваемое переменным током, и наблюдать за процессом премагничивания ферромагнетика на экране осциллографа. На горизонтально отклоняющие пластины электроннолучевой трубки подаётся напряжение, пропорциональное В0, а на вертикально отклоняющие − пропорциональное В.

Первичная обмотка трансформатора питается через сопротивление R1 переменным током I1. Индукция магнитного поля внутри полого тороида В0 = 0n1I1, где n1 − число витков в первичной обмотке. Тогда напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах

                                     (23.1)

Во вторичной обмотке трансформатора источником тока является ЭДС индукции

где Ф − поток вектора магнитной индукции через поверхность, охватываемую всеми витками вторичной катушки.

Если S − площадь, охватываемая одним витком, а n2 − число витков во вторичной обмотке, то

                                                (23.2)

На вертикально отклоняющие пластины осциллографа подаётся напряжение конденсатора UC. Так как ёмкость конденсатора , а сила тока , то

                                                (23.3)

Напишем второе правило Кирхгофа для вторичной цепи, пренебрегая самоиндукцией вторичной обмотки,

                                                (23.4)

Если велико, то первым членом справа в (23.4) можно пренебречь. Тогда , откуда

                                (23.5)

Подставляя значение в (23.3), получаем выражение напряжения. подаваемого на вертикально отклоняющие пластины осциллографа

      (23.6)

В результате на одни пластины подаётся напряжение, пропорциональное В0, а на другие − пропорциональное В. На экране получается петля гистерезиса В = f(В0).

За один период синусоидального изменения тока след электронного луча на экране опишет петлю гистерезиса, а за каждый последующий − в точности её повторит.

Увеличивая с помощью регулятора напряжения, будем увеличивать амплитуду колебаний В0 и последовательно получать на экране различные по площади петли гистерезиса. Верхняя точка петли гистерезиса находится на кривой намагничения. Следовательно, для построения кривой намагничения необходимо снять с экрана осциллографа координаты и вершин петель гистерезиса. Для построения кривой намагничения вычисляют

                                     (23.7)

                                     (23.8)

где ; ; = 0,04 В/мм, а  и R1 не обходимо измерить.

Подставив  и  в (23.7) и (23.8), получим

                            (23.9)

                                 (23.10)

где

                                     (23.11)

                                     (23.12)

µ0 = 410−7 Гн/м.

При перемагничивании образца часть энергии, пропорциональной площади петли гистерезиса, затрачивается на переориентировку доменов:

                                       (23.13)

Эта энергия выделяется в виде теплоты в единице объёма тороида за один цикл перемагничивания. Если частота перемагничивания равна частоте тока , то количество теплоты, выделяемое за 1 с,

                                 (23.14)

где S − площадь петли гистерезиса, которую можно найти следующим образом.

Цена деления по оси В0 равна kx, а по оси Bky. Тогда площадь одной клетки будет kxky. Если петля содержит N клеток, то её площадь S = N kxky. Количество теплоты, выделяющееся в единице объёма тороида за 1 с,

                                 (23.15)

Порядок выполнения работы

  1.  

Собрать цепь по схеме (рис. 23.3.).

  1.  Включить осциллограф и вывести луч в центр координат.
  2.  Включить регулятор напряжения.
  3.  С помощью регулятора напряжения и рукояток «усиление» на осциллографе добиться, чтобы петля гистерезиса имела участок насыщения и занимала большую часть экрана.
  4.  Вычертить петлю на миллиметровке, выбирая такой же масштаб, как на экране осциллографа.
  5.  Определить координаты вершин петли nx и ny и для определения  измерить напряжение .
  6.  Уменьшая подаваемое напряжение с помощью регулятора напряжения, получить на экране семейство петель и для каждой петли записать координаты вершин nx и ny.
  7.  Вычислить значения kx и ky по (23.11) и (23.12), В0 и B для координат всех полученных петель. Результаты занести в табл. 23.1.

Таблица 23.1.

nx, мм

nу, мм

kx, Тл/мм

kу, Тл/мм

В0, Тл

В, Тл

  1.  По полученным данным построить график зависимости В = f(В0).
  2.  Подсчитать число миллиметровых клеток в петле и вычислить тепловые потери на перемагничивание по (23.15).
  3.  Выключив напряжение и отсоединив реостат первичной цепи, измерить сопротивление R1, с которого снимали напряжение Ux.

Контрольные вопросы и задания

  1.  Как классифицируются магнетики?
  2.  Что такое ферромагнетики? Объяснить зависимость В от В0.у ферромагнетиков.
  3.  Объяснить явление гистерезиса у ферромагнетиков.
  4.  Что такое коэрцитивная сила и как её используют?
  5.  Показать, что на горизонтально отклоняющие пластины подаётся сигнал, пропорциональный В0, а на вертикально отклоняющие − В.

[3, § 115, 116, 133 − 139, 141; 4, § 51, 55, 59; 5, § 54; 8]

154


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75716. Размеры пособия по временной нетрудоспособности при несчастных случаях на производстве. Единовременное пособие. Ежемесячное пособие 17.16 KB
  Размеры пособия по временной нетрудоспособности при несчастных случаях на производстве. Ежемесячное пособие Пособие по временной нетрудоспособности в связи с несчастным случаем на производстве или профзаболеванием выплачивается за весь период временной нетрудоспособности застрахованного лица до его выздоровления или установления стойкой утраты профессиональной трудоспособности в размере 100 его среднего заработка. При направлении лиц пострадавших в связи с тяжелым несчастным случаем на производстве на санаторнокурортное лечение в период...
75717. Организация обучения, проверки знаний и проведения инструктажей по безопасности труда на л/х предприятиях 19.28 KB
  Стандарт является основополагающим в комплексе государственных стандартов руководящих и методических документов по обучению работающих и изучению дисциплин по безопасности труда и других видов деятельности.
75718. Виды инструктажей по безопасности труда и очередность их проведения 16.67 KB
  Виды инструктажей по безопасности труда и очередность их проведения Виды инструктажей по охране труда: Вводный проводится всем принимаемым на работу лицам а также командированным на предприятие работникам и работникам сторонних организаций выполняющих работу на выделенном участке учащимся и студентам проходящим производственную практику до начала работы. Проводит инженер по охране труда по программе инструкции утвержденной работодателем и согласованной с профсоюзным комитетом. Первичный инструктаж проводит руководитель...
75719. Порядок проведения вводного инструктажа 14 KB
  Порядок проведения вводного инструктажа Вводный проводится всем принимаемым на работу лицам а также командированным на предприятие работникам и работникам сторонних организаций выполняющих работу на выделенном участке учащимся и студентам проходящим производственную практику до начала работы. Для работников сторонних организаций разрабатывается отдельная программа вводного инструктажа включающая опасные и вредные факторы на данном предприятии маршруты служебных проходов места нахождения бытовых помещений столовой мест для курения...
75720. Организация проведения первичного и повторного инструктажа на рабочем месте 13.6 KB
  Организация проведения первичного и повторного инструктажа на рабочем месте Первичный инструктаж на рабочем месте проводится после проведения вводного инструктажа со всеми работниками принятыми на предприятие или переводимыми с одного подразделения в другое в том числе с временными и сезонными работниками а также совместителями; с работниками выполняющими новую для них работу; командированными работниками сторонних организаций; со студентами и учащимися проходящими производственную практику. Повторный инструктаж...
75721. Организация и проведение внепланового и целевого инструктажа 14.71 KB
  Организация и проведение внепланового и целевого инструктажа Внеплановый инструктаж проводят: При введении в действие новых или пересмотренных стандартов правил инструкций по охране труда; При вводе нового или изменении технологического процесса оборудования подвижного состава приспособлений инструмента и других факторов влияющих на безопасность труда; При нарушении работниками требований безопасности труда которые могут привести или привели к травме аварии крушению взрыву пожару и др. ЧП на данном предприятии; По...
75722. Причины, вызывающие производственный травматизм и профессиональные заболевания на лесохозяйственном предприятии 15.33 KB
  Причины вызывающие производственный травматизм и профессиональные заболевания на лесохозяйственном предприятии. Различают острые и хронические профессиональные заболевания. К острым относят профессиональные заболевания возникшие внезапно в течение одной рабочей смены из-за воздействия вредных производственных факторов с большим превышением предельно допустимого уровня или предельно допустимой концентрации. Хронические профессиональные заболевания развиваются после многократного и длительного воздействия вредных производственных факторов...
75723. Порядок расследования и учета несчастных случаев на производстве 20.58 KB
  Порядок расследования и учета несчастных случаев на производстве. Расследование обстоятельств и причин несчастного случая на производстве который не является групповым и не относится к категории тяжелых или со смертельным исходом проводится комиссией в течение 3 дней. Расследование группового несчастного случая на производстве тяжелого несчастного случая на производстве и несчастного случая на производстве со смертельным исходом проводится комиссией в течение 15 дней. Несчастный случай на производстве о котором не было своевременно...
75724. Первоочередные меры, применяемые в связи с несчастным случаем на производстве 18.56 KB
  При групповом несчастном случае на производстве 2 и более человек тяжелом несчастном случае на производстве по схеме определения тяжести несчастных случаев на производстве утверждаемой Министерством здравоохранения Российской Федерации по согласованию с Министерством труда и социального развития Российской Федерации несчастном случае на производстве со смертельным исходом работодатель или уполномоченное им лицо в течение суток по форме установленной Министерством труда и социального развития Российской Федерации обязаны сообщить: а о...