geologia[1] / test geology / Mixed tests / 2-й сем / Методички / лаб.11

Изучение свойств ферромагнетика с помощью осциллографа

Цель работы - получение основной кривой намагничивания

и зависимости ферромагнитного образца путем исследования гистерезисной петли на экране осциллографа.

Общие сведения

Ферромагнетиками называют вещества, обладающие рядом особенностей:

1) сильное намагничивание в магнитном поле;

2) сохранение намагниченного состояния при отсутствии внешнего магнитного поля;

З) нелинейная зависимость магнитной проницаемости и магнитной индукции от напряжённости магнитного поля :

,

где - магнитная постоянная; - магнитная проницаемость среды.

Свойствами ферромагнетиков обладают металлы переходной группы:Fe, Ni, Со..

Кроме нелинейной зависимости для ферромагнетиков характерно также явление гистерезиса - отставание изменения магнитной индукции (и намагниченности ) в ферромагнетиках от изменения напряженности переменного по величине и направлению внешнего намагничивающего поля.

Если размагниченный ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле, напряжённость которого непрерывно увеличивается, то магнитная индукция будет возрастать в нём по кривой ОА (рис.1) называемой основной кривой намагничивания.

Е

Рис.1

сли затем, начиная с некоторой точки А, произвести полный цикл перемагничивания, то есть изменять напряжённость магнитного поля от Н до -Н и от –Н до Н, то значения магнитной индукции В будут изменяться по замкнутой симметричной относительно осей координат В-Н кривой, называемой петлей гистерезиса. Гистерезисная кривая дает информацию о свойствах изучаемого ферромагнетика. Отрезки ОD и ОD', отсекаемые петлей на оси ординат (Н=О), соответствуют остаточной индукции образца. Отрезки ОС и ОС' указывают значение напряженности Н_к внешнего магнитного поля, при котором остаточная индукция спадает до нуля. Напряжённость Н_к называется коэрцитивной силой или коэрцитивным полем. Можно показать, что площадь, охватываемая гистерезисной кривой, пропорциональна энергии перемагничивания ферромагнетика.

Электрическая схема (рис.2) включает в себя: А_тр - источник переменного напряжения (Автотрансформатор) и сопротивление R₁ в цепи намагничивающей катушки L₁; вторичную измерительную катушку L₂;( катушки L₁ и L₂ намотаны на общий ферромагнитный сердечник О); сопротивление R₂ и конденсатор С в цепи катушки L₂.

Д

Рис.2

ля получения петли гистерезиса на экране осциллографа необходимо подать на горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки

Вход Х осциллографа) напряжение U_х, пропорциональное напряженности Н намагничивающего поля, а на вертикально отклоняющие пластины - напряжение U_y, пропорциональное индукции В в исследуемом образце. Тогда за одни период изменения синусоидального тока в катушке L₁ электронный луч на экране опишет полную гистерезисную петлю и в каждый последующий период повторит ее.(Устройство осциллографа описано в работе 2 )

При изменении силы переменного тока через L₁ будет изменяться и гистерезисная петля, причём вершины всех петель будут лежать на основной кривой намагничивания (рис.3).

Н

Рис.3

апряжение U_х снимается с сопротивления R₁, соединённого последовательно с намагничивающей катушкой L₁. Ток в намагничивающей цепи а напряжённость намагничивающего поля , где N₁ и соответственно число витков и длина катушки L₁. Таким образом,

(1)

следовательно, напряженность намагничивающего поля пропорциональна падению напряжения на сопротивлении R₁.

Напряжение U_у, снимаемое с конденсатора С в цепи катушки L₂ (Вход Y), пропорционально индукции В в образце. Известно, что падение напряжения на конденсаторе:

(2)

где q - заряд конденсатора; С ёмкость конденсатора; I₂ - ток через конденсатор.

Мгновенное значение тока I₂ в цепи L₂ определяется ЭДС индукции , возникающей в L₂, её индуктивностью и омическим сопротивлением, а также сопротивлением R₂ и ёмкостью конденсатора С. Омическое сопротивление катушки ничтожно мало по сравнению с R₂. Реактивные сопротивления катушки L₂ и .конденсатора С также значительно меньше R₂ вследствие малой индуктивности и большой ёмкости конденсатора. Поэтому ток I₂ определяется практически величиной сопротивления R₂:

(3)

По закону электромагнитной индукции:

, (4)

где - потокосцепление; N₂ – число витков катушки L₂; S – сечение образца; Ф – магнитный поток, пронизывающий образец; В – индукция в нём.

Из выражений (2)-(4) следует пропорциональность U_у и В:

. (5)

Так как напряжение на конденсаторе С в цепи катушки L₂ определяется интегралом тока I₂, то такая цепь в электротехнике называется интегрирующей цепью.

Напряжения U_х и U_у, соответствующие вершине петли гистерезиса, определим следующим образом. Измерим на экране осциллографа координаты вершины петли гистерезиса Х _макс и Y_макс , тогда U_x =hX _макс и U_y=bY_{макс ,} h и b цена деления по осям ОХ и ОУ соответственно.

Напряженность магнитного поля равна

. (6)

Аналогично из формулы (5) определяем индукцию В_макс

_с . (7).

Порядок выполнения работы.

1. Ознакомиться с электрической схемой.

2. Включить осциллограф, отрегулировать яркость и фокусировку светового пятна. Ручками смещения по осям ОХ и ОУ выставитиь пятно в центр экрана.

3.Включить автотрансформатор в сеть и с его помощью добиться получения максимально возможной, но не выходящей за пределы экрана гистерезисной кривой.

3. Произвести отсчёт координат одной из двух крайних точек и гистерезисной кривой и записать их в подготовленную форму: Для этой кривой снять координаты точек, соответствующих H_коэрц (у^’=0 . x’) ,и B_ост (x^’ =0 .y^’)

4.

, мм	, мм	, мм	, мм	, мм	, мм	, мм	, мм

5. Меняя положение движка автотрансформатора так, чтобы координата _Хмакс крайней точки гистерезисной петли уменьшалась каждый раз на 5 мм вплоть до начала координат,. измерять при этом координаты y_макс. Наблюдаемые значения и также внести в таблицу.

•6.. Отключить автотрансформатор от источника питания и выключить осциллограф.

Обработка результатов измерений

По формулам (6) и (7) найти напряженность и индукцию магнитного поля в ферромагнетике. Значения величин, входящих в эти соотношения, берутся из таблицы.

Значения постоянных величин приведены на экспериментальной установке на рабочем столе.

Вычисленные значения Н и В вносятся в таблицу вычислений, составленную по форме:

B, Тл	δВ, Тл	Н, А/м	δН, А/м	μ	δμ

В эту же форму записывают расчётные значения магнитной проницаемости материала

где Гн/м. По формулам:

рассчитать среднеквадратичные ошибки измеренных величин Н, В и .Результаты этих вычислений также представляются в таблице вычислений. Погрешности и параметры отдельных элементов схемы указаны на рабочем месте.

Построить графики зависимостей и на миллиметровой бумаге (совместно на одном листе).

Содержание отчёта

1. Цель работы.

2. Методика измерений, электрическая схема.

4. Таблица с экспериментальными данными..

4.. Расчётные формулы и формулы погрешностей, примеры расчёта по этим формулам

Таблица вычислений.

5. Графики зависимостей и

6. Привести с учетом погрешностей значения В_ост и Н_коэрц .

Контрольные вопросы

1. Какие вещества называют ферромагнетиками? Доменная структура ферромагнетика.

2. Что такое гистерезис? Как объяснить наличие гистерезиса в ферромагнетиках?

3. Что такое коэрцитивная сила? Что такое остаточная индукция?

4. Что такое основная кривая намагничивания?

5. Как наблюдать гистерезисную петлю на экране осциллографа?

6. Покажите, что напряжение на R1 пропорционально напряжённости магнитного поля на оси катушки L1.

7. Покажите, что напряжение на конденсаторе С пропорционально магнитной индукции в ферромагнитном сердечнике катушек L1 и L2.

8 Как градуируется осциллограф?

9.Как выглядят графики, зависимостей магнитной проницаемости и магнитной индукции в ферромагнетике от напряжения внешнего магнитного поля?