ID: 6912

Название работы: Методи вимірювання магнітних полів

Категория: Лабораторная работа

Предметная область: Физика

Описание: Методи вимірювання магнітних полів Мета роботи: Ознайомлення з принципом дії приладу Ш1-1 для вимірювання індукції магнітного поля (принцип ядерного магнітного резонансу). Ознайомлення з принципом дії прилада Ш1-8 для вимірювання індукції магн...

Язык: Украинкский

Дата добавления: 2013-01-10

Размер файла: 79.5 KB

Работу скачали: 6 чел.

Методи вимірювання магнітних полів

Мета роботи: 1. Ознайомлення з принципом дії приладу Ш1-1 для вимірювання індукції магнітного поля (принцип ядерного магнітного резонансу). 2. Ознайомлення з принципом дії прилада Ш1-8 для вимірювання індукції магнітного поля (на основі датчика Холла).

Зміст роботи і завдання

Завдання 1

1.  Ознайомитися з установкою для вимірювання магнітних полів та інструкцією по роботі з приладом Ш1-1.
2.  Провести вимірювання напруженності магнітного поля  між полюсами постійного магніту, за допомогою приладу Ш1-1.
3.  Отримати залежність  від положення шунта (від 2 до 10 мм з кроком 1 мм) відносно полюсів електромагніта.
4.  Дослідити вплив шунта на ступінь однорідності магнітного поля.

Завдання 2

1.  Ознайомитися з установкою для вимірювання магнітних полів та інструкцією по роботі з приладом Ш1-8.
2.  Провести вимірювання напруженності магнітного поля  соленоїда, за допомогою датчика приладу Ш1-8 через 1 см вздовж осі соленоїда, попередньо визначивши початкове та кінцеве положення датчика всередині соленоїда. Побудувати залежність напруженності магнітного поля від положення датчика вздовж осі соленоїда.
3.  Провести розрахунок значення магнітного поля в залежності від струму за формулою (2).
4.  Результати розрахунків порівняти з експериментальними даними.

Опис приладів та методики вимірювань

Вимірювач магнітної індукції Ш1-1

Вимірювач магнітної індукції Ш1-1 призначений для вимірювання індукції постійних полів магнітів, електромагнітів та соленоїдів. Діапазон вимірювання магнітної індукції постійних магнітів – від 0,025 до 2,5 Тл, полів соленоїдів – від 0,057 до 0,7 Тл. Прилад має вбудований осцилографічний індикатор для спостереження сигнала ядерного магнітного резонанса (ЯМР). Похибка вимірювавння складає 0,02 %.

Принцип дії вимірювача магнітної індукції Ш1-1 грунтується на явищі ЯМР. Якщо діамагнітна речовина, ядра якої мають магнітні дипольні моменти, помістити у постійне магнітне поле з напруженістю, то диполі почнуть прецесувати навколо напрямку цього поля.

Для виявлення прецесії магнітних диполей діамагнітну речовину, що знаходиться в ампулі, поміщають у котушку індуктивності, що є частиною контура генератора високої частоти. Частоту генератора плавно змінюють. У той момент, коли частота генератора стає рівною частоті прецесії ядер, настає явище резонанса, що проявляється у поглинанні енергії високочастотного магнітного поля ядрами робочої речовини. Це поглинання енергії, еквівалентне зменшенню добротності контура, та, відповідно, еквівалентного опору контура генератора, викликає зменшення амплітуди коливань, що генеруються. У приладі здійснюється модуляція магнітного поля напругою змінного струму частотою 50 Гц за рахунок котушки модуляції датчика, завдяки чому умови ЯМР виконуються двічі за період модулюючої напруги.

При періодичній зміні напруженості магнітного поля поблизу резонансного значення зміна амплітуди коливань, що генеруються, перетворюється після детектування у сигнал змінного струму – сигнал ЯМР.

Отримавши сигнал ЯМР та вимірявши частоту генератора, можна визначити магнітну індукцію

,                                        (1)

де – частота генератора, – стала вимірювального датчика (див. таблицю).

Таблиця. Значення сталих  вимірювальних датчиків.

№ датчика	Значення сталої
1, 2, 3, 6, 7	0,023487
4	0,060435
5	0,153005

На рис.1 наведена форма ЯМР сигнала у полі з різним ступенем неоднорідності.

а

б

Рис.1. Форма сигнала ЯМР у полі з неоднорідністю:

а – 0,02 % на 1 см; б – 0,05 % на 1 см

 

Вимірювач магнітної індукції Ш1-8

Вимірювач магнітної індукції Ш1-8 – це переносний прилад, що призначений для вимірювання індукції постійних полів магнітів, електромагнітів та соленоїдів. Діапазон вимірювання магнітної індукції – від 0,025 до 2,5 Тл, полів соленоїдів – від 0,01 до 0,3 Тл при використанні зонда С (зонд соленоїдів: діаметр його робочої частини – 8 мм, довжина – 504 мм). Похибка вимірювання знаходиться у межах від 1,5 % для діапазону 0,01 Тл , і 2 % для діапазонів від 0,2 до 0,3 Тл. 

У цьому приладі для вимірювання магнітного поля використовується ефект Холла.  Він полягає у тому, що при пропусканні струму у поздовжному напрямку крізь однорідну платівку напівпровідника (контакти 1, 2), що знаходиться у зовнішньому магнітному полі (яке перпендикулярне площині платівки, див. рис.2), виникає поперечна (контакти 3, 4) різниця потенціалів, величина якої пропорційна .

Рис.2. Датчик Холла

Порядок виконання роботи

Вимірювач магнітної індукції Ш1-1

Підготовка приладу до вимірів :

1.  Увімкнути живлення тумблером "СЕТЬ", при цьому повинна загорітися сигнальна лампочка.
2.  Прогріти прилад протягом 15 хвилин.
3.  За допомогою ручки "ЯРКОСТЬ" отримати промінь на екрані осцилографа. Натиснувши кнопку, ручкою "ЦЕНТРОВКА ЛУЧА" встановити промінь на риску у середині екрана.
4.  Ручкою "ЧАСТОТА" встановити шкалу на мітку, що відповідає вимірюваній індукції. Для цього потрібно скористатися орієнтовними градуювальними графіками, що знаходяться на передній панелі приладу.
5.  За стрілочним індикатором встановити напругу коливань у межах, що відповідають 4 – 10 мкА за стрілочним індикатором.
6.  Ручку "УСИЛЕНИЕ" встановити таким чином, щоб на екрані осцилографа спостерігалися шуми схеми приладу.
7.  Встановити перемикач "КОНТРОЛЬ УРОВНЯ" у положення "МОДУЛЯЦИЯ".
8.  Ручкою "МОДУЛЯЦИЯ" за стрілочним індикатором встановити струм модуляції 3 – 5 мкА (для датчика №2).

Проведення вимірів :

1.  Помістити датчик у досліджуване магнітне поле таким чином, щоб позначка "+" на екрані датчика знаходилася у ділянці поля, що вимірюється.
2.  Повільно обертаючи ручку "ЧАСТОТА", досягнути виникнення сигнала ЯМР
3.  Ручкою "МОДУЛЯЦІЯ" зменшити струм модуляції до мінімально можливого значення, при якому сигнал ЯМР чітко спостерігається на екрані осцилографа.
4.  Ручкою "ФАЗА" досягнути перетину резонансних кривих (див. рис.1). Ручкою "ЧАСТОТА" сумістити точку перетину резонансних кривих з рискою у центрі екрана трубки.
5.  За допомогою частотоміра виміряти частоту генератора приладу.
6.  Визначити індукцію магнітного поля досліджуваного магніта за формулою (1).

Вимірювач магнітної індукції Ш1-8

Підготовка приладу до вимірів :

1.  Увімкнути живлення тумблером "СЕТЬ", при цьому повинна загорітися сигнальна лампочка.
2.  Прогріти прилад протягом 15 хвилин.
3.  Шкалу першої декади відлікового пристрою "ОТСЧЕТ ИНДУКЦИИ Т" встановити у положення ►0◄.
4.  Тумблер "ПОЛЯРНОСТЬ" встановити у положення "N".
5.  Тумблер "ИНДИКАТОР" встановити у положення "ТОЧНО".
6.  Ручками "УСТ.НУЛЯ–ГРУБО", " УСТ.НУЛЯ–ТОЧНО" сумістити стрілку індикатора з позначкою "0".
7.  Увімкнути живлення соленоїда і помістити зонд у магнітне поле, при цьому стрілка повинна відхилитися ліворуч. Якщо стрілка відхилиться праворуч, то для зонда "С" тумблер "ПОЛЯРНОСТЬ" встановити у положення "S".

Проведення вимірів :

1.  Шкалу першої декади відлікового пристрою "ОТСЧЕТ ИНДУКЦИИ" перевести у положення "0.0".
2.  Тумблер "ИНДИКАТОР" встановити у положення "ТОЧНО".
3.  За допомогою перемикачів "ОТСЧЕТ ИНДУКЦИИ" сумістити стрілку індикатора з нулем та записати показання.

Розрахунок індукції магнітного поля :

1.  Провести розрахунок індукції магнітного поля в залежності від струму з урахуванням геометрії соленоїда (див. рис.3):

,                                    (2)

де Гн/м – магнітна стала, – кількість витків на одиницю довжини соленоїда, – струм, що протікає у одному витку соленоїда, – кути, під якими видно торці соленоїда з точки на його осі, у якій розраховується індукція магнітного поля.

Розміри соленоїда: = 0,242 м, = 600, = 0,029 м, = 0,018 м.

1.  Результати розрахунків порівняти з експериментальними даними.

Рис.3. Геометричні параметри соленоїда

Контрольні запитання і завдання

1. У чому полягає явище ядерного магнітного резонансу ?

2. Поясніть виникнення ефекту Холла.

3. Самостійно отримайте формулу для розрахунку індукції магнітного поля в соленоїді.