Описание экспериментальной установки

Для получения основной кривой намагничивания и петли гистерезиса ферромагнетика необходимо каким-либо способом измерять индукцию магнитного поля В в исследуемом материале при различных значениях напряженности Н внешнего магнитного поля. В статье Шефера Н.И., опубликованной в журнале «Физика в школе» (№ 6, 1997 г.) показано, что это можно сделать с помощью школьного демонстрационного ваттметра. Идея метода состоит в следующем.

Известно, что при прохождении постоянного электрического тока через обмотку рамки магнитоэлектрической системы момент сил Ампера, действующих на рамку, пропорционален силе тока. Повороту рамки противодействуют возникающие силы упругости спиральных пружин, пропорциональные углу поворота рамки. В результате уголφ отклонения стрелки прибора и измеренное число N делений шкалы оказываются пропорциональными силе тока I_р в рамке прибора. Однако в отличие от приборов магнитоэлектрической системы, где индукция магнитного поля задается постоянным магнитом, момент сил Ампера, действующих на рамку 1 ваттметра (рис. 4), зависит не только от силы тока в рамке I_р в рамке, но и от силы тока I в обмотке подмагничивающей катушки 2, создающей магнитное поле индукции В в ее сердечнике. Поскольку линии магнитной индукции замкнуты сами на себя, можно считать, что индукция магнитного поля в сердечнике и в области расположения рамки одна и та же. Очевидно, что, если пропускать по обмотке рамки ваттметра некоторый постоянный по величине и направлению ток (I_р = const) и при этом менять силу тока I в обмотке подмагничивающей катушки, то отклонения стрелки ваттметра будут зависеть только от индукции магнитного поля в сердечнике катушки: φ~В.

Рис. 4

Таким образом, можно использовать измерительный механизм ваттметра для исследования зависимости индукции В магнитного поля в сердечнике катушки от напряженности Н внешнего магнитного поля, создаваемого током I в ее обмотке. Иначе говоря, конструкция ваттметра такова, что позволяет получить основную кривую намагничивания и петлю гистерезиса материала сердечника его катушки.

Напряженность магнитного поля в катушке может быть приближенно оценена по формуле для соленоида:

Н = nI, (3)

где n = 150 - число витков на единице длины катушки.

Для того, чтобы с помощью демонстрационного ваттметра можно было исследовать кривые намагничивания образцов различных ферромагнитных материалов, его «штатный» сердечник убран из катушки. В боковой стенке корпуса ваттметра по оси катушки просверлено отверстие, через которое в катушку вставляется стержень из исследуемого ферромагнитного материала.

Шкала ваттметра проградуирована в единицах магнитной индукции (Тл) по образцу с известной кривой намагничивания.

Электрическая схема лабораторной установки представлена на рис. 5.

Рис. 5

Обмотка подвижной рамки ваттметра подключается через клеммы «*V» и «V» к источнику постоянного напряжения 5 – 10 В, Сила тока в рамке измеряется с помощью миллиамперметра на 10 – 15 мА и регулируется реостатом на 1000 Ом. Клеммы выводов подмагничивающей катушки «I*» и «5А» подсоединяются к регулируемому выходу постоянного тока выпрямителя ВС-24М через реостат на 40 Ом, 5 А. Сила тока в катушке измеряется с помощью амперметра на 5 А.

Во второй части лабораторной работы производится наблюдение доменов в тонкой пленке феррит-граната. Используется микроскоп, в котором изображение формируется лучами поляризованного света. Для получения линейно поляризованного света в работе используется поляроид. Известно, что световая (электромагнитная) волна является поперечной: векторы напряженности электрического и магнитного полей (и) в световом пучке перпендикулярны направлению распространения волны. В случае естественного света вектор(и) хаотически колеблется в плоскости, перпендикулярной к лучу. При этом все направления вектора в этой плоскости являются равновероятными. Схематически это показано на рис. 6,а. Здесь световой луч перпендикулярен плоскости рисунка, и из бесконечного числа направлений векторапоказаны лишь несколько. Поляроид пропускает колебания, лежащие в некоторой плоскости (рис. 6, б).

а) б)

Рис. 6

В установке используются два поляроида, один из которых (поляризатор) устанавливается в оптической схеме микроскопа перед объектом наблюдения (пленкой феррит-граната), а другой (анализатор) надевается на окуляр микроскопа. В таком случае световой поток, поступающий в глаз наблюдателя при отсутствии объекта наблюдения, будет зависеть от угла между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора. Эту зависимость легко обнаружить, поворачивая один из поляроидов вокруг направления распространения света. Световой поток будет максимален, когда плоскости пропускания поляроидов совпадают, и минимален, когда они перпендикулярны друг другу.

Если линейно поляризованный свет проходит через намагниченную среду параллельно вектору намагниченности , то плоскость колебаний векторав световом луче поворачивается на некоторый угол (эффект Фарадея) в ту или иную сторону в зависимости от ориентации вектора. При прохождении линейно поляризованного света через прозрачную пленку ферромагнитного материала области с намагниченностью в направлении пучка и против него будут поворачивать плоскость колебаний в противоположных направлениях. Тогда при произвольной ориентации плоскости пропускания анализатора изображения этих областей будут по разному освещены. Это и позволяет наблюдать домены ферромагнетика в лучах поляризованного света.