5. Контрольные вопросы

1. Механизм пробоя газов.

2. Как и почему электрическая прочность воздуха зависит от формы электродов, расстояния между ними и давления?

3. Механизм развития пробоя жидких диэлектриков различной степени очистки.

4. Физическая сущность тепловой формы пробоя твердых диэлектриков.

5. Физическая сущность электрического пробоя твердых диэлектриков.

6. Какой диэлектрик имеет большую электрическую прочность – плотный или пористый? Почему?

7. Пленка поливинилхлорида при электрическом пробое разрушается при напряжении 1.5 кВ. Определить толщину пленки, если ее электрическая прочность равна 50 МВ/м.

8.Какую толщину должен иметь воздух, чтобы электрический пробой имел место при значении напряжения из задачи 7. Электрическая прочность воздуха 3 МВ/м?

9. При каком максимальном напряжении может работать слюдяной конденсатор емкостью С= 1000 пФ с площадью обкладок S= 6·10^-4м², если он должен иметь четырехкратный запас по электрической прочности. Диэлектрическая проницаемость слюды ε = 7, ее электрическая прочность Е_пр= 100 МВ/м.

Лабораторная работа № 6

Исследование ферромагнетиков

1. Цель работы

Изучение основных магнитных свойств ферромагнетиков и их зависимости от напряженности магнитного поля.

2. Теоретическое введение

2.1. Спонтанная намагниченность

Ферромагнетики – кристаллические вещества, в которых результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля.

Магнитные свойства материалов обусловлены внутренними формами движения электрических зарядов. Такими формами движения являются: вращение электронов вокруг собственной оси – спиновое вращение и орбитальное вращение электронов в атомах. Явление ферромагнетизма связано с образованием внутри некоторых материалов ниже определенной температуры (точки Кюри) макроскопических намагниченных областей, называемых магнитными доменами. В пределах магнитного домена ориентация электронных спинов оказывается параллельной.

Таким образом, характерным для ферромагнитного состояния вещества является наличие в нем самопроизвольной (спонтанной) намагниченности без приложения внешнего магнитного поля. Однако, хотя в ферромагнетике и образуются самопроизвольно намагниченные области, но направления магнитных моментов отдельных доменов получаются разными, так, чтобы система имела минимум свободной энергии. Магнитный момент такого тела будет равен нулю в отсутствии магнитного поля.

2.2. Ферромагнетик во внешнем магнитном поле

Процесс намагничивания ферромагнитного материала под влиянием внешнего магнитного поля сводится: 1) к росту тех доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направлением поля, за счет уменьшения размеров других доменов (процесс смещения доменных границ); 2) к повороту магнитных моментов в направлении внешнего поля (процесс ориентации). Магнитное насыщение достигается тогда, когда рост доменов прекращается и магнитные моменты всех спонтанно намагниченных микроскопических участков окажутся ориентированными в направлении поля (рис. 2).

Протекание процессов намагничивания ферромагнитного материала характеризуют кривыми намагничивания В(Н) (рис. 3). Относительная магнитная проницаемость μ определяется по основной кривой намагничивания как отношение индукцииВв ферромагнетике к напряженности внешнего магнитного поляН в данной точке кривой с учетом магнитной постоянной μ₀= 4π∙10^-7Гн/м:

Рис. 2. Схема ориентации спинов в доменах при намагничивании ферромагнетика

Рис. 3. Кривая намагничивания ферромагнетика

Магнитная проницаемость, определяемая по выражению (2), называется статической. Она оказывается зависимой от величины внешнего магнитного поля (рис. 4). Магнитную проницаемость при Н ≈ 0 называют начальной проницаемостью μ_НАЧ, определяя ее при полях около 0.1 А/м. Наибольшее значение магнитной проницаемости носит наименование максимальной проницаемости μ_МАКС.

Рис. 4. Зависимость статической магнитной проницаемости от внешнего магнитного поля

При перемагничивании ферромагнетика зависимость B(H) характеризуется магнитным гистерезисом. Если медленно производить намагничивание материала во внешнем магнитном поле, а затем, начиная с какой-либо точки основной кривой намагничивания, начать уменьшать напряженность поля, то индукция будет также уменьшаться, но не по основной кривой, а с отставанием. При увеличении поля противоположного направления материал может быть полностью размагничен, перемагничен и при новой перемене направления магнитного поля индукция снова вернется в исходную точку. Таким образом, будет описана кривая, называемая петлей магнитного гистерезиса. В зависимости от максимальной величины напряженности внешнего магнитного поля можно построить семейство петель гистерезиса. Петля гистерезиса называется предельной, если величина напряженности магнитного поля намагничивает ферромагнетик до насыщения. На предельной петли гистерезиса выделяют следующие параметры (рис. 5): 1) остаточная индукция В_ОСТ, определяемая в точке Н = 0 на размагничивающей ветви петли; 2) коэрцитивная сила Н_С, определяющая величину напряженности размагничивающего поля; 3) индукция насыщения В_НАС, определяемая как величина индукции магнитного поля при максимальной величине напряженности внешнего поля.

Процесс циклического перемагничивания ферромагнетика характеризуется потерями энергии, вызывающими нагрев материала. Эти потери обусловлены двумя основными причинами: 1) потери, связанные с необратимым смещением доменных границ. Они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте внешнего поля; 2) динамические потери или потери на токи Фуко, связаны с потерями энергии на вихревые токи, индуцированные в материале внешним полем. Эти потери зависят от сопротивления материала.

Рис. 5. Предельная петля гистерезиса ферромагнетика