50618

Тороид, намотанный на сердечник из однородного и изотропного магнетика

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Из соображений симметрии ясно что линии вектора поля тороида представляют собой окружности центры которых расположены на оси вращения 00 тора. Поэтому при расчете поля внутри тороида в качестве контура интегрирования L удобно взять одну из таких линий с произвольным радиусом r. Тогда на основании теоремы о циркуляции вектора можно записать: 11 где N – число витков в обмотке тороида все витки охватываются контуром интегрирования. 13 Анализ формулы 9 показывает что магнитное поле внутри тороида...

Русский

2014-02-03

865 KB

8 чел.

Рассмотрим тороид, намотанный на сердечник из однородного и изотропного магнетика. Если по тороиду пропустить ток I, то внутри него возникнет магнитное поле, которое можно достаточно просто рассчитать с помощью теоремы о циркуляции вектора .

 Из соображений симметрии ясно, что линии вектора  поля тороида представляют собой окружности, центры которых расположены на оси вращения 00 тора. Ось 00 проходит через точку 0, перпендикулярно плоскости чертежа (рис. 12). Направление линий  связано с направлением тока I в витках обмотки правилом правого винта. Поэтому при расчете поля внутри тороида в качестве контура интегрирования L удобно взять одну из таких линий с произвольным радиусом r. Направление обхода контура L выбирается одинаковым с направлением линии  (рис. 12). Тогда на основании теоремы о циркуляции вектора  можно записать:

,         (11)

где N – число витков в обмотке тороида (все витки охватываются контуром интегрирования). Учитывая, что модуль вектора  во всех точках такого контура будет постоянным, выражение (7) можно переписать следующим образом:

 

или

.        (12)

Откуда находим выражение для H:

.         (13)

Анализ формулы (9) показывает, что магнитное поле внутри тороида в общем случае неоднородно – напряженность поля H уменьшается при увеличении r от  до :

,        (14)

,      (15)

где  – диаметр витков обмотки тороида.

Если контур интегрирования  выбрать в виде окружности с центром, лежащим на оси 00, и радиусом , то он вообще не охватит витков обмотки с током (NI=0). Поэтому, согласно (7), в области, для которой выполняется неравенство , напряженность магнитного поля H=0.

Если контур интегрирования  выбрать в виде окружности с радиусом , то алгебраическая сумма токов в витках обмотки, охватываемых контуром, равна NI-NI=0 и, согласно (7), в области, в которой , напряженность магнитного поля H=0. Следовательно, вне тороида магнитного поля нет.

Напряженность магнитного поля на средней линии тороида равна

       (16)

где  – длина средней линии тороида.

Если увеличивать средний радиус тороида , сохраняя диаметр его витков d и число витков на единицу длины , то неоднородность поля внутри тороида будет уменьшатся. При  тороид называют тонким, а поле в нем будет практически неизменным по модулю  .

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

  1.  Метод измерений

Магнитная проницаемость ферромагнетиков  зависит от напряженности магнитного поля. По этой причине от величины  зависят и те характеристики контура электрической цепи, которые связаны с магнитной проницаемостью ферромагнитного сердечника, например, индуктивность тороида :

       (17)

и его индуктивное сопротивление переменному току :

,         (18)

где  – магнитная постоянная;  – число витков тороида,  – площадь поперечного сечения сердечника тороида; – длина средней линии сердечника тороида;  – циклическая частота переменного тока.

В данной работе измерение магнитной проницаемости сердечника  основано, согласно формуле (17), на измерениях индуктивности  катушки и ее геометрических параметров , и . Для определения индуктивности достаточно измерить индуктивное сопротивление катушки переменному току известной частоты . Полное сопротивление катушки переменному току

,        (19)

так как обычно , то величиной активного сопротивления катушки  можно пренебречь по сравнению с индуктивным сопротивлением переменному току частоты 200 Гц.

Закон Ома позволяет определить величину  путем измерений тока  и напряжения  на участке цепи, содержащем тороид

.         (20)

Расчетная формула для определения магнитной проницаемости , полученная с использованием выражений (17), (18), (19), (20), имеет следующий вид:

,     (21)

где  – постоянная установки.

Напряженность магнитного поля, которое создается в тороидальном сердечнике при протекании по обмотке тока , можно приближенно рассчитать по формуле (16)

.         (22)

Таким образом, каждому значению тока I соответствуют определенная напряженность магнитного поля , магнитная проницаемость сердечника  и индукция магнитного поля:

.         (23)

Определяя величины ,  и  при различных токах, можно экспериментально установить следующие зависимости:

а)  – зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля (основная кривая намагничивания ферромагнетика);

б)  – зависимость магнитной проницаемости сердечника от напряженности магнитного поля.

  1.  Описание экспериментальной установки

Электрическая схема установки показана на рис. 13, монтажная –

на рис.14.

Рис. 13. Электрическая схема:

1 генератор сигналов специальной формы;

2 мультиметр(режим , входы COM, A);

3 – блок «Сопротивление»,  = 100 Ом;

4 – мультиметр (режим V2 V, входы COM, VΩ);

5 – кольцевой сердечник с обмотками  и ;

6 – блок «Ферромагнетик».

На тороидальный сердечник 5, изготовленный из исследуемого ферромагнитного материала, намотаны  проволочных витков. Эта обмотка, по которой пропускают переменный ток частоты 200 Гц, служит для намагничивания магнетика, и по ее параметрам определяют напряженность  намагничивающего поля. Генератор сигналов специальной формы 1 позволяет изменять напряжение , а следовательно, и ток  в обмотке тороида. Эти величины измеряют соответственно вольтметром 4 и миллиамперметром 2.

Рис. 14. Монтажная схема: 2 мультиметр(режим , входы COM, A);

3 – блок  «Сопротивление»,  = 100 Ом; 4 – мультиметр (режим V2 V, входы COM, VΩ); 6 – блок «Ферромагнетик».

3.Выполнение измерений

  1.  Запишите в таблицу параметры установки и исследуемого образца:

N – число витков обмотки тороида; 

 – длина средней линии сердечника;

S – площадь сечения сердечника.

  1.  Соберите электрическую цепь по монтажной схеме, приведенной на рис.14.
  2.  Включите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжений и блока мультиметров. Нажмите кнопку «Исходная установка».
  3.  Кнопками установки частоты «0.2-20 кГц» установите 200 Гц.

Таблица

Параметры установки

мА

А/м

мТл

      5

      …

       55

  1.  Кнопками установки уровня «0 - 15 В» генератора сигналов специальной формы установите в обмотке тороида ток  ≈ 5 мА. Запишите в таблицу показания тока и напряжения
  2.  Изменяя ток в обмотке тороида с шагом ≈ 2,5 мА до 55 мА, измерьте напряжения. Запишите в таблицу показания тока и напряжения.
  3.  Выключите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжений и блока мультиметров.

4. Обработка результатов измерений

  1.  Вычислите постоянную установки K в соответствии с формулой (21):

=….

Результат расчетов запишите в таблицу.

  1.  Для каждого значения тока рассчитайте величины и  по

формулам (22), (21) и (23). Результаты расчетов запишите в таблицу.

  1.  По данным таблицы постройте основную кривую намагничивания и график зависимости .
  2.  В выводе по работе отразите особенности формы опытных кривых:

а) сопоставьте ход кривой намагничивания с положением максимума на графике ;

б) сравните полученные кривые с известными теоретическими и экспериментальными зависимостями.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

  1.  Дайте определение магнетиков.

  1.  Дайте классификацию магнетиков.

  1.  Что показывает магнитная проницаемость  вещества?

  1.  Перечислите основные свойства диамагнетиков.

  1.  Перечислите основные свойства парамагнетиков.

  1.  Что является источником собственного магнитного поля у диа- и парамагнетиков, помещенных во внешнее магнитное поле?

  1.  Перечислите основные свойства ферромагнетиков и назовите вещества, относящиеся к ним.

  1.  Что называется доменом?

  1.  Почему образец ферромагнетика в отсутствие внешнего магнитного поля разбивается на множество доменов?

  1.  Как изменяется намагниченность  диа- и парамагнетиков с ростом напряженности магнитного поля ?

  1.  Нарисуйте основную кривую намагничивания  ферромагнетика и условно разбейте ее на 4 области, в каждой из которых реализуется один из основных процессов намагничивания.

  1.  Расскажите о процессах, происходящих в первой области основной кривой намагничивания  ферромагнетика.

  1.  Расскажите о процессах, происходящих во второй области основной кривой намагничивания  ферромагнетика.

  1.  Расскажите о процессах, происходящих в третьей области основной кривой намагничивания  ферромагнетика.

  1.  Чем примечательна четвертая область основной кривой намагничивания  ферромагнетика?

  1.  В чем заключается явление гистерезиса ферромагнетика? Нарисуйте максимальную петлю гистерезиса и основную кривую намагничивания в координатах  и .

  1.  На максимальной петле гистерезиса в координатах  и  покажите остаточную намагниченность , коэрцитивную силу  и намагниченность насыщению  ферромагнетика.

  1.  Изменяется ли магнитная индукция  в ферромагнетике при увеличении напряженности  магнитного поля после достижении намагниченностью  насыщения? Нарисуйте для этого случая основную кривую намагничивания в координатах  и .

  1.  Запишите связь магнитной проницаемости  с магнитной восприимчивостью  для магнетика.

  1.  Зависит ли магнитная проницаемость  ферромагнетиков от напряженности магнитного поля ?

  1.  Запишите связь магнитной индукции  с напряженностью магнитного поля  в магнетике.

  1.  Запишите формулу теоремы о циркуляции вектора напряженности магнитного поля  и получите из нее формулу для  на средней линии тороида.

  1.  Запишите формулу для индуктивности  тороида.

  1.  Запишите формулу для индуктивного сопротивления тороида  переменному току.

  1.  Запишите закон Ома для обмотки тороида, по которой течет переменный ток с частотой .

  1.  Запишите расчетную формулу для определения магнитной проницаемости  ферромагнитного сердечника тороида.

  1.  Что происходит с ферромагнетиком при температуре Кюри ?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Савельев, И.В. Курс общей физики В 3 т. Т. 2 / И.В. Савельев. – М.: Наука, 1988

Калашников, С. Г. Электричество / С. Г. Калашников – М.: Наука, 1977.

Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.; Высшая школа, 1990.

Волков, В.Н. Физика В 3 т. Т. 2 / В.Н. Волков, Г.И. Рыбакова, М.Н. Шипко; Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 1993.

Крылов, И.А. Физические основы электромагнитных процессов в технических средствах автоматизации: учеб. пособие /И.А. Крылов; Иван. гос. энерг. ун.-т.- Иваново, 2004.

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

  1.  Перед сборкой цепи проверьте, чтобы все приборы на рабочем столе были выключены.
  2.  При сборке цепи используйте провода с исправной изоляцией. Подключая приборы, проверяйте соблюдение норм нагрузки (рабочее напряжение конденсатора, максимальный ток для катушек индуктивности и т.п.).
  3.  Сборку электрической цепи ведите по контурам, начиная с основного (содержащего источник питания); мультиметр, образующий вспомогательный контур, подключайте в последнюю очередь.
  4.  Только после проверки цепи преподавателем можно включать источники питания.
  5.  Для проведения любых переключений в цепи необходимо отключить источник питания, чтобы избежать короткого замыкания участка цепи,
  6.  В подключенной к источнику напряжения цепи не касайтесь неизолированных металлических контактов.
  7.  Отключайте питание по окончании измерений.
  8.  Перед разборкой цепи проверьте, чтобы все приборы на рабочем столе были выключены.

PAGE  17


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27696. Понятие, содержание и значение субъективной стороны преступления. Её обязательные и факультативные признаки. Субъективное вменение как предпосылка уголовной ответственности 38.5 KB
  Субъективная сторона это внутренняя сторона преступления определяющая психическое отношение виновного лица к совершенному им общественно опасному деянию и к его наступившим общественно опасным последствиям. Субъективная сторона преступления имеет важное юридическое значение: она позволяет отграничить одно преступление от других смежных составов преступлений; субъективная сторона преступления позволяет разграничить составы преступлений сходных по объективным признакам например ст. 105 и 109 УК РФ; субъективная сторона преступления...
27698. Понятие, сущность и признаки уголовного наказания. Цели уголовного наказания и средства их достижения. Понятие эффективности наказания и пути её повышения 30 KB
  Понятие сущность и признаки уголовного наказания. Цели уголовного наказания и средства их достижения. Понятие эффективности наказания и пути её повышения. Признаки уголовного наказания: 1 это особая форма государственного принуждения к лицу виновному в совершении какоголибо преступления предусмотренного уголовным законом; 2 назначается от имени государства и только по приговору суда; 3 имеет всегда строго индивидуальный и публичный характер; 4 носит карательный характер и приводит к существенному ограничению прав и свобод виновного; 5...
27700. Посягательство на жизнь лица, осуществляющего правосудие или предварительное расследование (ст. 295 УК), отличие этого преступления от убийства (ст. 105 УК) 25 KB
  295 УК отличие этого преступления от убийства ст. б 105 преступления против жизни; 295преступления против правосудия. Преступление считается оконченным с момента совершения действий направленных на лишение жизни; 105два главных критерия: деяние в форме действия или бездействия причинная связь между деянием и наступившими последствиями а также время место способ орудие материальный состав преступления считается оконченным с момента наступления общественно опасных последствий смерти; Субъективная сторона: 295характеризуется...
27702. Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы и исходные тексты на языке С 2.78 MB
  В криптографической науке есть особенность, отсутствующая в обычных академических дисциплинах: необходимость взаимодействия криптографии и криптоанализа. Причиной этого является отсутствие требований к передаче реальной информации, следовательно, нетрудно предложить систему, которая кажется непогрешимой.
27703. Умышленное причинение лёгкого вреда здоровью (ст. 115 УК). Признаки легкого вреда здоровью. Отличие этого преступления от нанесения побоев (ст. 116 УК) и истязания (ст. 117УК) 31 KB
  Отличие этого преступления от нанесения побоев ст. 116состоит из следующих элементов: нанесение побоев или причинение иных действий повлекших физ. Для квалификации необходимо установить причинную связь между фактом нанесения побоев и причинением физ. Побои – нанесение побоев или совершение иных насильственных действий причинивших физ.