50051

Изучение петли гистерезиса и измерение параметров ферромагнетика

Лабораторная работа

Физика

Они способны сохранять намагниченность в отсутствие магнитного поля. Особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость между намагниченностью J и напряженностью магнитного поля H равносильно между вектором магнитной индукции В и напряженностью магнитного поля H. В действительности она является функцией напряженности поля Н и определяется как . Оно проявляется в том что при изменении намагничивающего поля Н магнитная индукция В в ферромагнетике отстает от внешнего магнитного поля Н.

Русский

2014-01-15

168.5 KB

40 чел.

Лабораторная работа № 5.22*

Изучение петли гистерезиса и измерение параметров ферромагнетика

Цель работы: наблюдение магнитного гистерезиса и экспериментальное определение параметров ферромагнитного материала.

Приборы и принадлежности: блок генератора напряжений ГН1, цифровой осциллограф PicoScope 2203, стенд с объектами исследования СЗ-ЭМ01, соединительные провода.

Краткие теоретические сведения

Ферромагнетиками называются твердые вещества, в которых наблюдается явление спонтанной намагниченности. Они способны сохранять намагниченность  в отсутствие магнитного поля.

Особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость между намагниченностью J и напряженностью магнитного поля H (равносильно между вектором магнитной индукции В и напряженностью магнитного поля H). Вследствие нелинейной связи между величинами  В и Н для ферромагнетиков теряет смысл введение магнитной проницаемости, как определенной постоянной величины. В действительности она является функцией напряженности поля Н и определяется как

.  (1)

Вторая особенность ферромагнетиков состоит в том, что для них зависимость В от Н неоднозначна, а определяется предысторией намагничивания ферромагнитного образца. Это явление называется магнитным гистерезисом. Оно проявляется в том, что при изменении намагничивающего поля Н, магнитная индукция В в ферромагнетике отстает от внешнего магнитного поля Н. В результате при выключении поля Н ферромагнетик остается намагниченным и магнитная индукция в нем равна Br (остаточная намагниченность). Чтобы уничтожить остаточную намагниченность в ферромагнетике необходимо наложить внешнее поле противоположного направления и величины Нс (коэрцитивная сила ферромагнетика). По величинам Br и Нс ферромагнетики делятся на магнитомягкие и магнитожесткие. Наличие гистерезиса приводит к тому, что, при периодическом изменении напряженности от +Н до –Н, значения В образуют замкнутую кривую, называемую петлей гистерезиса. Площадь петли определяет количество тепла, выделяющееся в единичном объеме за один цикл перемагничивания ферромагнетика

.      (2)

Петлю гистерезиса можно наблюдать на экране осциллографа, если на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение Ux, пропорциональное Н, а на вертикально отклоняющие пластины-Uy, пропорциональное В.

Для наблюдения петли гистерезиса и измерения ее параметров необходимо собрать следующую электрическую схему (рис. 2).

 

Трансформатор представляет собой замкнутый ферромагнитный сердечник, на котором размещены две обмотки: I-намагничивающая и II-измерительная. При пропускании переменного тока по обмотке I на сопротивлении R1 возникает напряжение Ux пропорциональное току I, в свою очередь напряженность поля Н также пропорциональна величине I. Следовательно напряжение Ux пропорционально величине Н, которая изменяется от +Н до –Н. Во вторичной обмотке возникает ЭДС индукции, пропорциональная скорости изменения магнитной индукции . Цепь RC выполняет роль интегрирующей ячейки, поэтому Uc=Uy~, т.е. В. Для проведения количественных измерений необходимо установить соотношения между величинами Ux и Н, между величинами Uy и В.

Рассмотрим условие, при котором начало координат находится в центре петли. Напряженность магнитного поля Н, создаваемого первичной обмоткой с числом витков N1 в ферромагнитном сердечнике, определяется как

Н=aUX, (3)

где Ux – значение напряжения в канале В. Коэффициент

, (4)

где l-длина средней линии ферромагнитного сердечника, на котором равномерно распределена первичная (намагничивающая) обмотка; R1-сопротивление, последовательно соединенное с первичной обмоткой.

Индукция магнитного поля в ферромагнетике В

B=bUY, (5)

где UY - значение напряжения в канале А.  Коэффициент

, (6)

где R и С- сопротивление и емкость интегрирующей ячейки; N2 –число витков вторичной обмотки; S-площадь поперечного сечения ферромагнитного образца (сердечника трансформатора).

Мощность, расходуемая на один цикл перемагничивания ферромагнитного образца, называемая мощностью потерь, пропорциональна площади петли гистерезиса.

Р=cSпетли, (7)

где Sпетли- площадь петли гистерезиса, измеренная в делениях шкалы осциллографа;

, (8)

где n - частота колебаний напряжения, подаваемого с генератора звуковых частот на первичную обмотку.

Порядок выполнения работы

1. Соберите схему, приведенную на рис 2.

2. Установите частоту колебаний напряжения 40 Гц, с помощью кнопки “F” на ГН1.

3. Установите рекомендуемые резистор и конденсатор RC-ячейки R5 и С4.

4. Установите максимальное напряжение ГН с помощью регулятора.

5. Запустите на компьютере программу PicoScope 6.

6. Убедитесь что на панели настройки каналов для канала А значение диапазона входного сигнал установлено «Авто».

7. Включите отображение канала B. Для этого установить на панели настройки каналов для канала В значение диапазона входного сигнал «Авто» .

8. Включите отображение по оси X входной сигнал канала A. Для этого по рабочей области программы нажать правую клавишу мыши и в контекстном меню в пункте «Ось-Х» выбрать пункт «A».

9. Для получения четкой картины на панели захвата изображения  выберать клавишу автоматической установки . Далее, на панели настройки каналов в меню параметра каналов установить для каждого канала значение разрешения 11 бит. Также установите коэффициент развертки 10 ms/div.

10. Остановите обработку данных осциллографом нажав  на панели запуска/остановки  кнопку «стоп» .

11. Нажатием левой клавиши мыши по соответствующему участку графика, определите в окне программы PicoScope значения Ux и Uy, соответствующие коэрцетивной силе ферромагнетика (Ux_c), точке, где наблюдается остаточная намагниченность (Ux_r) и точкам, соответствующим максимальному значению индукции магнитного поля (Uy_м) и максимальному значению напряженности магнитного поля (Ux_м). Запишите полученные

значения в табл. 1.

12. Рассчитайте коэффициенты a, b по формулам (4), (6) и запишите в табл. 1. Параметры трансформатора, емкости и сопротивления указаны на СЗ-ЭМ01: (S=0.64*10-4 м2, l=0,078 м , N1=1665, N2=970, R1=68 Ом, R5=4.70*105 Ом, С4 = 0,47*10-6 Ф.)

13. Пользуясь формулами (3) и (5), определить коэрцитивную силу Нс и остаточную индукцию Br. Запишите полученные значения в табл. 1.

14. По формулам (3) и (5) определите Hм и Bм. Полученные значения запишите в табл. 1.

15. Включите обработку данных осциллографом нажав на панели запуска/остановки     кнопку «пуск» .

16. Уменьшая напряжение генератора регулятором напряжения на генераторе ГН1, находящегося на лицевой части генератора левее кнопки переключения частоты, получите соответствующие им петли гистерезиса, повторите для каждого напряжения п. 12. Результаты измерений запишите в табл. 2. Необходимо получить 10 значений Ux_мi и Uyi.

17. По данным таблицы 2 постройте основную кривую намагничивания B=¦(H). По графику кривой намагничивания рассчитайте значения магнитной проницаемости  для различных интервалов DН и постройте график m=¦(Н), принимая конкретное значение mi к среднему значению Н на соответствующем интервале. Магнитная постоянная µ0 = 4π*10-7 Гн/м.

18. Сравните полученную кривую m=¦(Н) с теоретической кривой. Сделайте выводы.

Таблица 1

α

β

Ux_c

Uy_r

Ux

Uy

Br

Hc

Bм

Hм

Таблица 2

Uxi, В

Uyi, B

B_мi, Тл

H_мi, А/м

DВ, Тл

DH, А/м

m

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Контрольные вопросы

  1.  Ферромагнетики и их свойства. Доменная структура ферромагнетиков.
  2.  Явление магнитного гистерезиса.
  3.  Остаточная намагниченность и коэрцитивная сила ферромагнетика.
  4.  Магнитная проницаемость. Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности магнитного поля.
  5.  Мощность потерь.
  6.  Определение напряженности магнитного поля в лабораторной работе.
  7.  Определение магнитной индукции в лабораторной работе.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32533. Использование графического редактора для решения задач на разрезание 351 KB
  Рассмотрим линии разбивающие фигуру Ф на части из которых можно составить фигуру Ф' и кроме того линии разбивающие фигуру Ф на части из которых можно составить фигуру Ф . Те и другие линии разбивают фигуру Ф на более мелкие части из которых можно составить как фигуру Ф' так и Ф . Доказанная теорема позволяет в принципе разрезать один из двух равновеликих многоугольников на части и сложить из них другой многоугольник. Фигура будет разрезана на две части вдоль прямой линии.
32534. Использование графического редактора для изображения пространственных фигур 299 KB
  Показывается как построить треугольник по его трем элементам биссектрису угла серединный перпендикуляр прямую параллельную данной и т. Возьмем правильный шестиугольник рис. Получим шестиугольник изображенный на рисунке 1 б. Получим шестиугольник изображенный на рисунке 1 в который и будет искомой параллельной проекцией исходного правильного шестиугольника.
32535. Этапы проектирования и разработки ЭС 41 KB
  Поскольку ППС программа то к процессу его разработки можно применить те технологические принципы которые используются при создании программных систем с учетом специфики будущего применения такого рода программ. Исходным пунктом при создании ППС является определение цели обучения. Очень ответственным с точки зрения разработки ППС является уровень детализации учебных вопросов на котором производится содержательный анализ вопросов выбор способа достижения учебных целей и принимается решение об автоматизации той или иной части учебной...
32536. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ 106.5 KB
  Разработка и использование ЭС образовательного назначения ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ЭС. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ Специфика разработки программных средств. Разработка программных средств имеет ряд специфических особенностей Прежде всего следует отметить некоторое противостояние: неформальный характер требований к ПС постановки задачи и понятия ошибки в нем но формализованный основной объект разработки  программы ПС. Этот творческий характер разработки ПС сохраняется до самого ее конца.
32537. ДИАЛОГ УЧАЩИХСЯ С ЭВМ. ОБЩЕПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДИАЛОГА. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОБЩЕНИЯ 74.5 KB
  Разработка и использование ЭС образовательного назначения ДИАЛОГ УЧАЩИХСЯ С ЭВМ. Система должна оказывать поддержку попыткам обучаемых научиться общению с системой и не вызывать раздражения у учащихся принуждая их вести диалог если они этого не хотят. Широкое использование фактического диалога может отрицательно сказаться на отношении учащихся к. Не допускайте отрицательных оценок мышления памяти внимания учащихся.
32538. РАЗРАБОТКА ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО ИНТЕРФЕЙСА 129.5 KB
  Окна подразделяются на первичные и вторичные. Прочие порождаемые им окна относятся ко вторичным которые в свою очередь могут быть дочерними и всплывающими. Внережимные и дочерние окна служат для организации параллельных ветвей диалога. Пользователь может выбирать активное окно переключаясь между дочерними и внережимными или первичным и внережимными окнами если дочерние окна отсутствуют.
32539. ВЫБОР ФОРМ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ 470 KB
  ВЫБОР ФОРМ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ В ЭС применяются разнообразные формы представления информации: текст и гипертекст графика и гиперграфика видео анимация звук интерактивные трехмерные изображения. По способу формирования изображения они подразделяются на матричные растровые векторные и функциональные. Пиксель является минимальным адресуемым элементом матричного изображения. При любом увеличении качество векторного изображения не меняется.
32540. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПОВ УЧЕБНО-ТРЕНИРОВОЧНЫХ ЗАДАЧ 398 KB
  Типизация учебнотренировочных задач Напомним что основным средством контроля знаний в ЭС служат УТЗ результаты и ход выполнения которых оцениваются автоматически. Целесообразно чтобы программа включала в себя единое множество УТЗ из которого выбирались задачи используемые в том или ином контрольном блоке в зависимости от представления в нем содержания курса и требований к знаниям обучаемых. Необходимо чтобы уровень тематического деления множества УТЗ соответствовал минимальному охвату учебного материала блоком контроля. Таким образом...
32541. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ 130 KB
  Основная функция обратной связи идущей от учащегося к обучаемому раскрыть как осуществляется учебная деятельность с тем чтобы наметить систему обучающих воздействий которые обеспечивают эффективное достижение учебных целей. Информация которая идет по каналу обратной связи от обучаемого к обучающему содержит сведения о том как учащийся решает предложенные ему учебные задачи какие трудности испытывает их причины а также какие вспомогательные обучающие воздействия обеспечивают правильное решение учебных задач. В настоящее время...