metod_lab_el-magn

131

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

В данной работе предлагается индукционный метод измерения магнитной проницаемости.

В схеме на рис. 1: L1 – соленоид L блока «поля в веществе», L – дат-

2

чик Д1 . При протекании через обмотку соленоида длиной l = 160 мм с

В отсутствии образца

L2

значение напряжения на

U2

датчике:

Рис. 1.

U02 = 8μ0 H mνN0 S0 (4)

где N0 = 1000 – число витков датчика, S0 – площадь витка датчика.

Если в соленоид вставить образец в форме длинного стержня, то, при неизменном токе соленоида, магнитный поток в датчике изменится на вели-

Измерив значения U2 с образцом и U02 без образца, находим магнит-

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

ИОБРАБОТКА ЕГО РЕЗУЛЬТАТОВ

1.Соберите схему по рис . 1.

2.Установите заданную частоту генератора (см. табл).

3.Задать напряжение U1 =50 мВ, изменяя выходное напряжение генера-

тора, измерьте напряжение U20 на датчике Д1 в отсутствии образца.

4.Поместите внутрь соленоида исследуемый образец (ферритовый стер-

жень) и подстройте значение напряжения U1 вновь до значения 50 мВ.

5.Измерьте напряжение U2 на датчике Д1 с образцом.

6.Рассчитайте по формулам (7), (8) магнитную восприимчивость и проницаемость исследуемого образца.

7.Проделайте измерения согласно п.п. 2-6, помещая внутрь соленоида стальную спицу 1 и задавая U1 =450 мВ.

8.Проделайте измерения согласно п.п. 2-6, помещая внутрь соленоида стальную спицу 2 и задавая U1 =200 мВ

Таблица

135

проходят через максимум, и, наконец, в сильных полях, когда достигнуто состояние насыщения, χ → 0, а μ → 1.

Вторая характерная особенность ферромагнетиков состоит в том, что

предысторией намагничивания. Это явление называется магнитным гистерезисом (запаздыванием).

Если взять ферромагнитный образец в ненамагниченном состоянии и начать намагничивать его, увеличивая магнитное поле от нуля до какого-то значения H1 , то зависимость B(H ) изобразится кривой ОА1 (рис.2). При уменьшении затем H от + H1 до − H1 , кривая намагничивания, как пока-

зывает опыт, не пойдет по прежнему пути A1O , а пройдет выше по пути

A1E1 Д1. Если дальше изменять поле от − H1 до + H1 , то кривая намагни-

чивания пройдет ниже и вернется в прежнюю точку A1 . Получится замкну-

тая кривая A1E1 Д1F1 A1, называемая петлей гистерезиса. Если, изменяя H ,

довести первоначальную кривую OА1 до точки А, где намагничивание дос-

тигло насыщения, то вышеописанным путем получиться наибольшая, или предельная, петля гистерезиса АЕСДFA. Из нее видно, что при H = 0 ин-

дукция не обращается в нуль. Величина индукции при H = 0 (которой соот-

ветствует длина отрезка OЕ = OF ) называется остаточной индукцией Br .

Она обусловлена остаточной намагниченностью.

Ir = Br μ0 .

С наличием такого остаточного намагничивания связано существование постоянных магнитов. Для того чтобы размагнитить образец, надо дове-

сти кривую намагничивания до точки C или C′. Этим точкам соответствует

136

магнитное поле H c = OC . Оно называется задерживающей или коэрцитив-

ной силой ферромагнетика.

При перемагничивании образца часть энергии внешнего магнитного поля затрачивается на переориентировку доменов. Это сопровождается выделением тепла, называемым теплом гистерезиса. Для бесконечно малого квазистатического процесса тепло гистерезиса выражается формулой:

где HdB – работа, необходимая для увеличения индукции на dB в единице объема ферромагнетика.

Если проинтегрировать ее по одному циклу намагничивания, т.е.

B

Рис. 2.

вдоль замкнутой петли гистерезиса, то интеграл от dU при круговом процессе ферромагнетиков возвращается в исходное состояние, а потому внутренняя энергия U принимает первоначальное значение. В результате получится:

138

Исследуемым веществом является феррит, из которого изготовлен тороид Т . По одной из обмоток тороида и последовательно включенное сопро-

тивление R1 пропускается переменный ток I1 . Напряженность магнитного поля внутри тороида можно найти, используя теорему о циркуляции H (закон полного тока).

H = N1I1 , l

где l = π (r2 + r1 ) – средняя длина тороида, r1 и r2 – внутренний и внешний

Напишем закон Ома для вторичной цепи, пренебрегая самоиндукцией второй обмотки:

139

Таким образом, на одни пластины осциллографа будет подаваться напряжение, пропорциональное H , а на другое – пропорциональное B ; на экране будет наблюдаться петля гистерезиса:

B = f (H )

На один период синусоидального изменения тока электронный луч опишет на экране полную петлю гистерезиса, а за каждый последующий период – в точности ее повторит.

Поэтому на экране будет видна неподвижная петля гистерезиса. Увеличивая с помощью потенциометра R силу тока в первичной обмотке, мы будем увеличивать амплитуду колебаний H и получать на экране последовательно ряд различных по своей площади петель гистерезиса.

Для построения кривой намагничивания вычисляют значение H и B из формул (4) и (10), переписанных в виде:

VX 0 и VY 0 , вызывающих отклонение электронного луча осциллографа на одно деление в направлении осей X и Y при данном усилении (цена делений

соответствующих осей). Тогда U X UY = nY VY 0 , где nX и nY –

координаты вершин петель гистерезиса. Подставляя последние выражения в формулы для H и B , получим:

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА ЕГО РЕЗУЛЬТАТОВ

Упражнение 1. Нахождение кривой намагничивания и определение основных характеристик ферромагнетика.

1.Собрать схему, приведенную на рис.3.

2.После проверки схемы преподавателем или лаборантом, включить осциллограф, вывести электронный луч в центр координатной сетки и включить питание установки.

3.С помощью переключателей "усиление по вертикали", "усиление по горизонтали" и потенциометра R добиться того, чтобы петля гистерезиса имела участок насыщения и занимала большую часть экрана.

4.Вычислить значения k X и kY .