- •Электричество и магнетизм
- •Введение
- •Правила техники безопасности при работе с электрическими приборами и схемами
- •Основные электроизмерительные приборы физической лаборатории
- •Основные системы электроизмерительных приборов
- •1. Магнитоэлектрическая система
- •2. Электромагнитная система
- •3. Электродинамическая система
- •4. Индукционная система
- •5. Тепловая система
- •6. Электростатическая система
- •7. Вибрационная система
- •Определение диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Перепишем соотношение (2.7) в виде
- •Так как объемная плотность энергии электрического поля
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Определение удельного сопротивления проводника
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников
- •Теоретическое введение
- •Полупроводники
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •К онтрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение зависимости мощности и кпд источника тока от величины нагрузки
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Методика измерений
- •Экспериментальная часть
- •Приборы и оборудование: ип – источник питания, фпэ-06 – модуль “Определение работы выхода”, pv – вольтметр (прибор ф-214 1/2), pa – амперметр (прибор ф-214 1/4). Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Принципиальная электрическая схема
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •М етодика измерений
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Проверка закона Био-Савара-Лапласа и определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение магнитного поля короткой катушки
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение магнитного поля постоянного магнита
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Экспериментальная установка
- •2. Измерение тока проводить до 20 мА. Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Методика измерений
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 2-15 Изучение эффекта Холла в полупроводнике
- •Теоретическое введение
- •Измерительная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Приборы и оборудование: звуковой генератор гс-118 (pq, рис.16.7 и 16.8), электронный осциллограф с1-150 (ро), модуль “явление гистерезиса” фпэ–07. Экспериментальная установка и методика измерений
- •По закону Фарадея эдс индукции по вторичной обмотке
- •Из выражения (16.15) и (16.16) получаем
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение электрических процессов в простых линейных цепях при действии гармонической электродвижущей силы (фпэ-09)
- •Теоретическое введение
- •Методика измерений
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение явления резонанса в колебательном контуре
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Экспериментальная часть
- •Описание установки и методика эксперимента
- •Зарядка установки
- •Методика определения ёмкости установки
- •Методика определения ёмкости проводника (шара)
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
Контрольные вопросы
В чем заключается эффект Холла?
Чем объясняется эффект Холла?
Чему равна и как направлена сила Лоренца?
Для каких целей практически используется эффект Холла?
Выведите формулу для Холловской разности потенциалов.
Как расположены эквипотенциальные поверхности при прохождении постоянного тока через образец: а) в отсутствие магнитного поля; в) при включенном магнитном поле?
Как исключается погрешность, связанная с несимметричностью контактов подключения миллиамперметра к образцу?
Каков знак носителей тока в изучаемом образце?
Используемая литература
[1] §§ 21.2, 23.2;
[2] §§ 14.2, 14.5;
[4] т.2, §§ 79;
[5] §§ 114, 117.
Лабораторная работа 2-16
Изучение гистерезиса ферромагнитных материалов (ФПЭ-07)
Цель работы – изучение гистерезиса ферромагнитных материалов, расчет и графическое построение основной кривой намагничивания, расчет работы перемагничивания и коэрцитивной силы.
Теоретическое введение
Все вещества обладают магнитными свойствами, т.е. являются магнетиками. По своим магнитным свойствам магнетики делятся на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Всякая среда при внесении её в иагнитное поле намагничивается в той или иной степени, то есть создаёт своё собственное магнитное поле, накладывающееся на внешнее поле.
Количественной характеристикой намагниченного состояния вещества служит векторная величина – намагниченность , равная магнитному моменту единицы объема магнетика:
, (16.1)
где ∆V – малый объем магнетика; – сумма магнитных моментов всех атомов в объеме ∆V. Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля:
, (16.2)
где χ – коэффициент пропорциональности, называемый магнитной восприимчивостью вещества. Магнитные свойства вещества характеризуются также магнитной проницаемостью μ, показывающей, во сколько раз индукция магнитного поля в веществе (В) больше, чем в вакууме (В0):
. (16.3)
Найдем связь между χ и μ.
В отсутствие магнетика магнитное поле создается только макротоками (токами проводимости); по определению (16.3) μ=1. Индукция магнитного поля в вакууме связана с напряженностью формулой:
. (16.4)
Напряженность магнитного поля – характеристика магнитного поля, описывающая только поле макротоков.
В магнетике, кроме поля макротоков, появляется еще индукция поля, созданного самим намагниченным веществом – микротоками (по Амперу, молекулярными токами) , пропорциональная вектору намагниченности:
. (16.5)
Полная индукция по принципу суперпозиции , а с учетом (16.2), (16.4) и (16.5):
. (16.6)
По определению (16.3) , то есть , и, сравнивая это выражение с (16.6), получим:
. (16.7)
В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все вещества делятся на три группы:
1. Диамагнетиками являются вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции намагничивающего поля (J<0, χ<0, |χ|≈10-6÷10-8).
К диамагнетикам относятся вещества, магнитные моменты атомов, молекул или ионов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярные водород и азот, висмут, цинк, медь, золото,…
Диамагнетизм объясняется либо откликом на внешнее магнитное поле электронных оболочек атомов, либо откликом обобществлённых электронов проводимости (металлы). Эффект диамагнетизма есть не что иное, как электромагнитная индукция на уровне электронных (по Амперу, молекулярных) токов, присущих всем веществам.
2. Парамагнетики – вещества, у которых при отсутствии внешнего поля магнитные моменты атомов или молекул отличны от нуля: . Однако вследствие хаотической ориентации магнитных моментов атомов или молекул намагниченность отсутствует: . Во внешнем магнитном поле магнитные моменты вещества стремятся сориентироваться в направлении поля, в результате чего J>0 и χ>0 (χ≈10-4÷10-6). У парамагнетиков ориентация магнитных диполей происходит только за счёт внешнего поля на фоне теплового движения, и степень её обычно невелика.
Поскольку магнитная восприимчивость диа- и парамагнетиков очень мала, эти вещества относятся к слабомагнитным. Для них .
3. Ферромагнетики – твёрдые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры.
Ферромагнетики, в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков, являются сильно магнитными средами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее поле. Такими свойствами обладают кристаллы переходных металлов (железо, кобальт, никель), некоторые редкоземельные элементы, ряд сплавов, а также некоторые металлические стёкла.
Ферромагнетики характеризуются следующими свойствами:
а) Если у пара- и диамагнетиков |μ–1|<<1, то у ферромагнетиков значение магнитной проницаемости достигает величин порядка μ≈104 и более.
б) Если у диа- и парамагнетиков зависимость линейна и однозначна, то у ферромагнитных материалов она не только нелинейна, но зависит от предыстории образца. В частности, ферромагнетики могут существовать в виде постоянных магнитов.
в ) В отличие от диа- и парамагнетизма, явление ферромагнетизма не может быть смоделировано в рамках классической физики; природа его – исключительно квантовая.
Ферромагнетизм обусловлен упорядоченной ориентацией спиновых магнитных моментов. Часть ферромагнетика, в которой все магнитные моменты при отсутствии внешнего поля устанавливаются в одном направлении, называется доменом (рис. 16.3,а). Домен обладает магнитным моментом . Размеры доменов составляют l=10-8÷10-6 м. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитный момент ферромагнетика вследствие хаотической ориентации намагниченности различных доменов.
Между доменами А и В имеются переходные слои С (рис. 16.3, б) шириной lперех.=10-9…10-8 м. Внутри переходного слоя магнитные спиновые моменты ионов поворачиваются до тех пор, пока не примут нужного направления. Во внешнем магнитном поле переходные слои разрушаются. Магнитные моменты отдельных доменов поворачиваются в направлении магнитного поля (рис. 16.3, в).
Зависимость намагниченности J магнетиков от напряженности Н внешнего магнитного поля изображена на рис. 16.4. Нелинейная область I отражает процесс ориентации доменов в ферромагнетиках в направлении внешнего поля при возрастании напряженности Н. В сильных полях (область II) наступает магнитное насыщение, и намагниченность практически не зависит от напряженности поля Н. Кривая зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля носит название основной кривой намагничивания. Для пара- и диамагнетиков зависимость линейная.
Рис.16.4 Рис.16.5
Главная характеристика любого ферромагнетика – кривая гистерезиса, в котором проявляется зависимость намагниченности от предшествующего состояния. При циклических изменениях величины и направления напряженности внешнего поля Н эта зависимость характеризуется кривой, называемой петлей гистерезиса (рис. 16.5, кривые 1, 2, 3). Если ферромагнетик был первоначально размагничен (В=0, Н=0), то его намагничивание происходит по основной кривой намагничивания ОА. В точке А напряженность НН и индукция ВН соответствует состоянию магнитного насыщения. Размагничивание ферромагнетика происходит по кривой 1 (A-Br-HC-A). При Н=0 намагниченность ферромагнетика не исчезает: В= Br.
Э то состояние называется остаточным магнетизмом. Напряженность (–НС), при которой исчезает остаточная намагниченность (В=0, Н=–НС), принято называть коэрцитивной силой. Если при циклическом намагничивании Hmax≥Hc, то мы получаем максимальную петлю гистерезиса 1. Кривые 2 и 3 – это частные циклы, когда Hmax<Hc. Максимумы В и Н частных циклов лежат на основной кривой намагничивания ОА. Условно принято считать ферромагнетики магнитожесткими, если А/м. Если А/м, ферромагнетики считаются магнитомягкими. Магнитная проницаемость μ ферромагнетика зависит от напряженности магнитного поля Н (рис. 16.6). Магнитная проницаемость достигает максимума, когда напряженность Н внешнего поля становится равной напряженности Нн, при которой домены максимально ориентируются по направлению поля (рис. 16.3, в) и при этом достигается магнитное насыщение образца. В табл. 16.1 приведены характеристики некоторых ферромагнетиков и ферритов.
Таблица 16.1
Вещество |
max |
Hс, А/м |
Br, Тл |
Железо техническое Супермаллой Сталь кобальтовая Феррит никель-цинковый |
5000 1000000 - 7500 |
80 0.16 2000 4 |
0.06 - 0.9 - |
Нагревание ферромагнетика может привести к разрушению доменной структуры вследствие теплового движения атомов, тогда ферромагнетик теряет ферромагнитные свойства и превращается в парамагнетик. Температура, соответствующая такому переходу, называется точкой Кюри: Тс.
Экспериментальная часть