3504

31

15. В выводах по работе запишите:

-что изучалось в работе;

-как зависит (качественно) радиус кривизны траектории электронов от величины магнитного поля;

-как и почему влияет на траекторию электронов направление тока в соленоиде;

-какой результат получен;

-попадает ли табличное значение удельного заряда электрона в полученный доверительный интервал;

-ошибка измерения какой величины внесла основной вклад в погрешность измерения удельного заряда электрона.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.От чего зависят и как направлены: а) электрическая составляющая силы Лоренца; б) магнитная составляющая силы Лоренца?

2.Как направлены и как изменяются по величине в индикаторной лампе: а) электрическое поле; б) магнитное поле?

3.Как изменяется по величине скорость электронов в лампе с расстоянием от катода? Влияет ли на величину скорости магнитное поле?

4.Какова траектория электронов в лампе при магнитной индукции:

а) B = 0 ; б) B = Bo ; в) B < Bo ; г) B > Bo ?

5.Чему равно и как направлено ускорение электронов вблизи анода при магнитной индукции B = Bo ?

6.Какую роль в индикаторной лампе играют: а) экран; б) проволочка-усик?

7.Почему при увеличении анодного напряжения Ua возрастает яркость свечения экрана лампы?

8.Как в лампе создается: а) электрическое поле; б) магнитное поле?

9.Какую роль играет в данной работе соленоид? Почему соленоид должен иметь достаточно большое число витков (несколько сотен)?

10.Совершает ли работу: а) электрическая; б) магнитная составляющая силы Лоренца?

Библиографический список

1.Трофимова Т.И. Курс физики, 2000, § 114, 115.

32

Лабораторная работа № 5.5 (29)

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНЕТИКА

Цель работы: изучение магнитных свойств вещества; определение петли магнитного гистерезиса ферромагнетика.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МИНИМУМ

Магнитные свойства вещества

Все вещества при внесении в магнитное поле в той или иной мере проявляют магнитные свойства и по этим свойствам делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Магнитные свойства вещества обусловлены магнитными моментами атомов. Всякое вещество, помещенное во внешнее магнитное поле, создает свое собственное магнитное поле, которое накладывается на внешнее поле. Количественной характеристикой такого состояния вещества является намагниченность J , равная сумме магнитных моментов атомов в единице объема вещества. Намагниченность пропорциональна напряженности H внешнего магнитного поля

гдеχ - безразмерная величина, которая называется магнитной восприимчивостью. Магнитные свойства вещества, кроме величины χ , характеризуются

Магнитная проницаемость μ входит в соотношение, которое связывает напряженность H и индукцию B магнитного поля в веществе

где μo =1,26 10−6 Гн/м – магнитная постоянная.

Магнитный момент атомов диамагнетиков в отсутствии внешнего магнитного поля равен нулю. Во внешнем магнитном поле наведенные магнитные моменты атомов согласно правилу Ленца направлены против внешнего поля. Так же направлена и намагниченность J , поэтому для диамагнетиков χ < 0 и μ <1. После удаления диамагнетика из поля его намагниченность вследствие теплового движения атомов исчезает.

Магнитные моменты атомов парамагнетиков в отсутствии внешнего магнитного поля не равны нулю, но без внешнего поля они ориентированы хаотично. Внешнее магнитное поле приводит к частичной ориентации магнитных моментов по направлению внешнего поля в той степени, насколько это позволяет тепловое движение атомов. Для парамагнетиков 0 < χ <<1; ве-

личина μ чуть превосходит единицу. При выключении внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетиков исчезает под действием теплового движения.

Магнитные моменты атомов ферромагнетиков в пределах малых областей (доменов) самопроизвольно (спонтанно) ориентированы одинаково. В

33

отсутствии внешнего магнитного поля в размагниченном ферромагнетике магнитные моменты доменов ориентированы хаотично. При включении внешнего магнитного поля результирующие магнитные моменты доменов ориентируются по полю, значительно усиливая его. Магнитная восприимчивость χ ферромагнетиков может достигать нескольких тысяч.

Магнитный гистерезис

Величина намагниченности J ферромагнетика зависит от напряженности Н внешнего поля и от предыстории образца. На рис. 1 приведена зависимость J(H), которая характеризует процесс намагничивания ферромагнетика. В точке 0 ферромагнетик полностью размагничен. По мере увеличения напряженности Н намагниченность J образца увеличивается нелинейно. Участок 0-1 называется основной кривой намагничивания. Уже при сравнительно небольших значениях Н намагниченность стремится к насыщению Jнас, что соответствует ориентации всех магнитных моментов доменов по направлению индукции внешнего поля.

Если после достижения Jнас уменьшать напряженность внешнего магнитного поля, то намагниченность будет изменяться по кривой 1-2, расположенной выше основной кривой намагниченности. Когда внешнее поле станет равным нулю, в ферромагнетике сохранится остаточная намагниченность Jост.

При противоположном направлении напряженности внешнего поля намагниченность, следуя по кривой 2-3, вначале обратится в ноль, а затем, также изменив направ-

ление на противоположное, будет стремиться к насыщению. Значение напряженности Нк , при котором J обращается в ноль, называется коэрцитив-

ной силой.

Если продолжить процесс перемагничивания вещества, то получится замкнутая кривая 1-2-3-4-1, которая называется петлей магнитного гистерезиса. По форме петли гистерезиса ферромагнетики разделяются на жесткие и мягкие. Жестким ферромагнетикам соответствует широкая петля и боль-

шая коэрцитивная сила ( НК ≥103 А/м). Такие вещества используются для изготовления постоянных магнитов. Мягким ферромагнетикам присуща узкая петля и небольшое значение коэрцитивной силы ( НК =1K102 А/м). Они

используются для изготовления сердечников трансформаторов, электромагнитов, реле.

Ферромагнетики в отличие от диамагнетиков и парамагнетиков обладают существенной особенностью: для каждого из таких материалов имеется присущая только им температура, при которой исчезают ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри. При нагревании материала выше точки Кюри ферромагнетик превращается в парамагнетик. Это

34

объясняется тем, что при высоких температурах доменные образования в ферромагнетике исчезают.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Намагниченность ферромагнитного образца в данной работе измеряется с помощью магнитометрической установки, схема которой показана на рис. 2. Между одинаковыми соленоидами (катушками) 1 на их оси расположен компас 2. По соленоидам протекают одинаковые токи силой I , но в про-

тивоположных направлениях. Поэтому вблизи магнитной стрелки компаса соленоиды создают равные, но противоположные по направлению магнитные поля, которые взаимно компенсируются и не вызывают отклонения стрелки. В этом случае стрелка устанавливается в направлении горизонталь-

ной составляющей BГ индукции магнитного поля Земли. Ось соленоидов предварительно ориентируется перпендикулярно вектору BГ .

При помещении в один из соленоидов ферромагнитного образца 3 образец намагничивается и создает вблизи стрелки компаса некоторое магнит-

ное поле с индукцией B BГ . Стрелка повернется на угол ϕ и установится

Величина индукции В магнитного поля, создаваемого образцом вблизи стрелки, пропорциональна намагниченности J образца

(2)

где коэффициент k зависит от формы и размеров образца и его расположения относительно компаса, то есть является постоянной установки. Таким образом, расчетная формула для определения намагниченности

35

Напряженность H магнитного поля соленоида может быть рассчитана

где I - сила тока в соленоиде; n - число витков, приходящихся на единицу длины соленоида. Значения k и n указаны на установке.

Общий вид установки показан на рис.3. Соленоиды 1, компас 2 и амперметр 3 размещены на подставке 4. С помощью переключателя 5 изменяется направление тока в соленоидах. Соленоиды питаются от выпрямителя 6. Переключателем 9 соленоиды подключаются к постоянному или к перемен-

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Объем работы, и условия проведения опыта устанавливаются преподавателем или вариантом индивидуального задания.

1. Заполните табл. 1 характеристик миллиамперметра.

2. Расположите подставку с соленоидами так, чтобы ось соленоидов была перпендикулярна горизонтальной составляющей BГ магнитного поля Земли. Компас закреплен так, что при этом его стрелка установится на нуле-

37

нение знака величины J и, следовательно, знака угла ϕ . Это надо отметить в таблице, указывая знак ϕ .

8. Постепенно уменьшая ток до нуля, измерьте величины I и ϕ на уча-

стке 3–4 кривой намагничивания. Результаты запишите в колонки «Ток–». 9. Тумблером 5 (рис. 3) измените, направление тока и, увеличивая силу

тока, измерьте необходимые величины на последнем участке 4–1 кривой гистерезиса. Результаты измерений I и ϕ запишите в две правые колонки (Ток +) с указанием знака угла ϕ .

10.Постройте кривую магнитного гистерезиса, откладывая по осям координат (в зависимости от задания) или I и ϕ , или J и H , или B и H .

11.На основании полученной кривой гистерезиса рассчитайте по формулам (3) и (4) остаточную намагниченность Jост образца и коэрцитивную си-

лу Нк . Величины k и n указаны на установке.

12. Для одной из точек на основной кривой намагничивания рассчитайте по формулам (3), (4), (1) и (2) значения магнитной восприимчивости χ и магнитной проницаемости μ ферромагнетика.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Чем обусловлены магнитные свойства:

а) парамагнетиков; б) ферромагнетиков; в) диамагнетиков?

2.Дайте определение намагниченности.

3.Что характеризуют:

а) магнитная восприимчивость; б) магнитная проницаемость?

4.Что такое основная кривая намагничивания?

5.Что такое: а) остаточная намагниченность; б) коэрцитивная сила; в) намагниченность насыщения?

6.В чем различие между жесткими и мягкими ферромагнетиками? Где они применяются?

7.Какая температура для ферромагнетиков называется точкой Кюри?

8.Как располагается магнитная стрелка, если ток в соленоидах отсутствует? Почему включение тока в соленоидах не влияет на положение стрелки?

9.Как надо ориентировать установку перед началом измерений?

10.Как устанавливается магнитная стрелка при намагничивании образца?

11.Почему перед получением петли гистерезиса образец должен быть размагничен? Как осуществляется размагничивание?

ЛИТЕРАТУРА

1.Трофимова Т.И. Курс физики. 2000. § 132, 133, 135, 136.

2.Матвеев Н.Н., Постников В.В., Саушкин В.В. Физика. 2002.- С. 79-82.

38

ПРИЛОЖЕНИЕ

1. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ

3. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ НА ШКАЛЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Обозначение принципа действия (системы) прибора

Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой

Электромагнитный прибор с подвижным ферромагнитным сердечником

39

Пределом измерения прибора называется то значение измеряемой величины, при котором стрелка прибора отклоняется до конца шкалы. На многопредельных приборах пределы измерений указаны около клемм или около переключателей диапазонов.

Цена деления шкалы равна значению измеряемой величины, которое вызывает отклонение стрелки прибора на одно деление шкалы. Если предел измерения xm и шкала имеет N делений, то цена деления c = xm / N .

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основная литература

1Трофимова, Т.И. Курс физики [Текст]: Учебное пособие.– 6-е изд. – М.:

Высш. шк., 2000.– 542 с.

Дополнительная литература

1Курс физики [Текст] / под ред. В.Н. Лозовского.– 2-е изд., испр.– СПб.:

Лань, 2001.–Т.1.– 576 с.

2Курс физики [Текст] / под ред. В.Н. Лозовского.– 2-е изд., испр.– СПб.:

Лань.– 2001.Т.2.– 592 с.

3Дмитриева, В.Ф. Основы физики [Текст]: учеб. пособие / В.Ф. Дмитриева, В.Л. Прокофьев – М.: Высш. шк., 2001.– 527 с.

4Грибов, Л.А. Основы физики [Текст] / Л.А. Грибов, Н.И. Прокофьва.– М.:

Гароарика, 1998.– 456 с.

40

Учебное издание

Бирюкова Ирина Петровна Бородин Василий Николаевич Камалова Нина Сергеевна Евсикова Наталья Юрьевна Матвеев Николай Николаевич Саушкин Виктор Васильевич

Физика Лабораторный практикум Магнетизм

ЭЛЕКТРОННАЯ ВЕРСИЯ