6. Измерения

Экспериментальная установка состоит из прибора «Гистерезис» ФТАС/1, электронного осциллографа С1-117/1 (С1-65А) цифрового вольтметра В7-16, ампулы с образцом (рис. 2.6).

Принципиальная схема установки представлена на рис. 2.5. Блок схема включения приборов представлена на рис. 2.6. Образец представляет собой ферритовое кольцо, на которое намотаны две обмотки. Питание первичной обмотки тороидального трансформатора осуществляется от сети 50 Гц. Силу тока в первичной цепи можно изменять ручкой «Ток». Ток протекающий по первичной обмотке создает падение напряжения на сопротивлении R₁ (рис. 2.5 ). Это падение напряжения U_x измеряется вольтметром В7-16 (рис. 2.6) и подается на Х вход осциллографа. Как показано выше это напряжение пропорционально напряженности намагничивающего поля (2.16). Размах отклонения луча на экране осциллографа определяется из выражения b₁·x, где х – отклонение луч в делениях сетки осциллографа, а b₁ – множитель V/дел горизонтального отклонения луча. Возможность измерить напряжение по оси Х существует не у всех осциллографов. У осциллографа С1-65 вход Х не имеет калиброванного делителя, а только один переключатель, который позволяет изменить амплитуду сигнала 1:1 или 1:10. Поэтому в данной установке предусмотрен цифровой вольтметр, который подключается параллельно резистору R₁ (рис.2.5) и соответственно параллельно входу Х осциллографу.

Обратите внимание! Поскольку цифровой вольтметр и осциллограф соответственно измеряют эффективное и амплитудное значение напряжения следует показания вольтметра умножать на 1.41 или √2.

Поэтому формула 2.16 для случая измерения напряжения вольтметром запишется так

, (2.31)

здесь  по-прежнему дается выражением 2.17, U_В – показания вольтметра.

П ри измерениях отклонения луча по вертикали удобно отключать вход Х осциллографа от измерительной установки. Это можно сделать путем отсоединения разъема от входа Х. В этом случае на экране осциллографа будет виден только вертикальный отрезок. Однако при измерении вертикального отклонения луча возникает проблема связанная с наличие шумов и помех, которые размазывают изображение светящегося отрезка вокруг его концов. Поэтому следует при измерениях длины отрезка ориентироваться на ту его часть, которая выглядит на экране как четкое изображение (рис.2.7.).

Обратите внимание, что измерять удобнее полную длину отрезка, при необходимости смещая его по вертикали, но в формулу 2.25. входит только половина длины всего отрезка.

Величины α и β, необходимые для расчета Η и В, определяются по формулам (2.17) и (2.26). Необходимые для этого расчета значения величин a, r₁, r₂, N₁, N₂ для каждого образца приведены на панели установки. С = 0.47 мкФ, R₁ = 28 Ом, R₂ = 270 кОм. Размеры кольца: внешний диаметр – 8 мм, внутренний диаметр – 3.7 мм, высота – 3.9 мм. Число витков: N₁ = 30, N₂ = 170.

6.1. Порядок подготовки экспериментальной установки к работе следующий:

1. Соберите схему установки в соответствии с рис. 2.6.

2. Подключите электронный осциллограф и цифровой вольтметр В7-16 к сети.

3. Подготовьте осциллограф к работе в режиме наблюдения фигур Лиссажу (см. ниже).

4. Ручку «Ток» поставьте в крайнее левое положение.

5. Включите питание приборов. Установите светящуюся точку на экране осциллографа в центре экрана.

6. Увеличивая ток (ручка «Ток») пронаблюдайте петлю гистерезиса.

Примечание: длительная работа при максимальной петле, когда ручка «Ток» находится в крайне правом положении не желательна.

6.2. Включение осциллографа в режим наблюдения фигур Лиссажу

Осциллограф С1-117/1.

1. Выключить развертку (ручку ВРЕМЯ/ДЕЛ в положение Х/Y).

2. Ручку СИНХР РЕЖ в положение Х-Y.

3. Ручками смещения луча вывести луч в центр экрана⁹.

4. Сигнал Х подать на вход канала А, а сигнал Y на вход канала Б. Размер фигуры по осям регулируется ручками V/ДЕЛ каналов А и Б.

Осциллограф С1-65.

1. Д ля отключения развертки переключатель (х1 х10 Х) перевести в крайне правое положение.

2. Установите луч в центр экрана.

3. Переключатель ВНУТР. ВНЕШ. в положение 1:1 или 1:10.

4. С игнал Y подать на вход осциллографа. Сигнал Х подать на вход синхронизации Х. Размеры фигуры по оси Y регулируются плавно ручкой ВОЛЬТ/ДЕЛ и по оси Х грубо переключателем режима синхронизации 1:1 или 1:10.

Задание 1

Наблюдение петли гистерезиса

1. Регулируя ток и усиление по оси Υ осциллографа, установите максимальную петлю гистерезиса, соответствующую магнитному насыщению образца. При этом размеры петли на экране должны в наибольшей мере использовать площадь экрана осциллографа.

2. Уменьшите ток и, получив на экране осциллографа петлю гистерезиса на 10-20% меньшую, чем максимальная (без изгибов концов связанных с насыщением) запишите координаты x и у точек этой петли с тем, чтобы можно было построить график. Всего требуется записать кроме координат вершин и координат пресечения с осями еще по 1 - 2 точки в каждой четверти системы координат, или примерно 10 точек. Запишите напряжение, которое при этом показывает вольтметр. По формуле 2.31 рассчитайте напряженность намагничивающего поля, при котором достигается максимальная петля гистерезиса.

3. Построить график максимальной петли при полученном значении напряженности намагничивающего поля.

Задание 2

СНЯТИЕ КРИВОЙ НАМАГНИЧЕНИЯ

1. Отключите разъем со входа Х осциллографа.

2. Изменяя с помощью ручки «Ток» величину напряженности поля намагничивания, ориентируясь по вольтметру (уменьшая U_В на 0.5 - 2 В), измерьте на экране осциллографа запишите в таблицу размах петли по вертикали при каждом значении напряжения.

3. Повторите измерения по п. 2 не менее семи раз, уменьшая ток до нуля. В случае необходимости (если размер петли мал) можно изменить коэффициент отклонения луча по вертикали. Обратите внимание, что при этом b₂ принимает новое значение. Напишите полученные значения U_В, y и b₂ в таблицу.

4. По формулам (2.31) и (2.25) найдите напряженность Η и индукцию В магнитного поля для вершин всех наблюдаемых петель гистерезиса и занесите полученные результаты в таблицу.

5. Увеличивая ток от нуля до максимума снимите еще не менее семи точек, для других значений U_В и полученные данные запишите в таблицу.

6. Повторите измерения при уменьшении тока до нуля. Всего должно получиться не менее 20 точек для построения графика.

7. Постройте график кривой намагничивания для всех точек. Не забудьте добавить точку, соответствующую началу координат. Проведите усреднение и сглаживание полученного графика.

Примечание. Сглаживание можно проводить как графически, ориентируясь на полученные результаты и отбрасывая точки, которые выпадают из общего ряда, так и пользуясь пакетом «Origin» функции «Analysis, Smoothing».

8. После сглаживания постройте касательную к графику в области малых полей проходящую через начало координат. По тангенсу угла наклона определите начальную магнитную проницаемость феррита (рис. 2.4).

9. Проведите расчет магнитной проницаемости  для четырех промежуточных точек на кривой намагниченности. Постройте график зависимости магнитной проницаемости от напряженности поля.

Таблица

№	UВ, В	H, А/м	у, дел	b2 В/дел	B, Т

Задание 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛЫ И ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ

1. По формуле (2.31) рассчитайте напряжение соответствующее напряженности Н = 800 А/м.

2. Убедитесь, что в крайнем левом положении ручки «Ток» светящаяся точка на экране осциллографа находится в центре экрана.

3. Ручкой «Ток» выставите полученное значение напряжения по вольтметру В7-16, что должно соответствовать напряженности поля в феррите 800 А/м.

4. Определите по петле гистерезиса х_m соответствующее В_m (рис. 2.8). По петле гистерезиса найдите координату х_с, соответствующую коэрцитивной силе Н_с и координату у_ост, соответствующую В_ост. По формулам (2.31) и (2.25) определите Н_с и В_ост.

5. По полученному значению Н_с установите группу ферромагнетика (мягкий или жесткий).

6. Результат измерения Н_с, В_ост, _нач, В_m сравните с данными приведенным в таблице. Определите марку феррита.

Примечание. Значение 800 А/м выбрано потому, что параметры ферритов приводимые в справочниках измеряются при этом значении напряженности (см таб. ниже).

Таблица. 3. Магнитные свойства некоторых промышленных ферритов.

	Марка	μнач	Нm, А/м	Bm, T	Bост, T	Hc, А/м
1	2000НН	1500-2500	800	0.25	0.12	8
2	2000НМ1	1700-2500	800	0.34	0.15	20.8
3	3000НМ	2500-3500	800	0.37	0.1	9.6
4	400НН	320-480	800	0.23	0.12	64
5	1500НМ3	1200-1700	800	0.38	0.09	20.4
6	600НН	500-720	800	0.31	0.14	32
7	2000НМ	1700-2500	800	0.39	0.1	16.8
8	50ВЧ	45-60	800	0.36	0.13	112
9	50ВЧ2	45-65		0.31	0.2	448

Примечание. Обозначение ферритов включает среднюю магнитную проницаемость (цифры в начале) и материал феррита (буквы в конце). Н – никелево-цинковый феррит, М – марганцево-цинковый феррит.

Задание 4

ОЦЕНКА РАБОТЫ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ А_п ЗА ОДИН ЦИКЛ

1. По клеткам измерьте площадь максимальной петли гистерезиса полученной в первом задании.

2. По формуле (2.30) определите работу перемагничивания за один цикл.

Отчет о работе должен содержать: график петли гистерезиса, график кривой намагничевания, график зависимости магниной проницаемости от поля, таблицу результатов, экспериментальные значения _нач, Н_m, В_m В_ост, Н_с, результаты расчета работы перемагничевания, краткие выводы.

Контрольные вопросы

1. Что означает насыщение ферромагнетика?

2. Каковы основные свойства ферромагнетиков?

3. Как ведут себя домены при увеличении напряженности внешнего магнитного поля?

4. Как ведет себя контур с током в магнитном поле?

5. Что такое диамагнетики и парамагнетики?

6. Назовите основные параметры характеризующие ферромагнетики?

Литература

1. Савельев И. В. Kypc общей физики: В 3-х т.— М.: Наука, -1988.. -Т.2, §55 - §59.

2. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм. – М.: Высш. школа, 1983.- 463 с. §40 - §42.

3. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. – М.: Изд. физ-мат – 1978. – 792с. Гл. 15-16.

4. Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела. – М.: «МИР». – 1969. – 558с. Гл. 18, 19, 20.

1 Гипотезу о том, что магнетизм связан с круговыми токами в веществе, высказал еще А. Ампер (фран. физ.) в 1820 г.

2 Что такое диамагнетизм вещества?

3 Диамагнетизм был открыт М. Фарадеем (анг. физ.) в 1845 г.

4 Какие вещества называю парамагнетиками?

5 Что такое намагниченность магнетика?

6 Какая величина называется напряженностью магнитного поля?

7 Каков физический смысл коэрцитивной силы?

8 Магнитный гистерезис был открыт почти одновременно нескольким учеными в 1880-1882 г.

9 Уменьшите яркость луча. Режим с яркой точкой на экране может повредить люминофор.

11