книги из ГПНТБ / Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие

310 IV. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

для каждого образца произведите при нескольких значениях индук­ ции (средних и больших). Полученные в результате опыта данные представьте в виде графиков в координатах (а, Р), где Р — вес ци­ линдра. В правильно работающем приборе все точки должны укла­ дываться на прямые, проходящие через начало координат.

После того как калибровка и проверка прибора закончены, снимите петли гистерезиса для нескольких рбразцов. При этом ток в намагничивающих катушках следует изменять от 0 до Ітзх (где /шах — значение тока, при котором достигается насыщение), затем от

/ max ДО — / max И, НЭКОНеЦ, ОТ — /щах ДО /ш ах , фИКСІфуЯ ДЛЯ КЭЖДОГО

значения тока величину отброса гальванометра.

Величина подмагничивающего тока регулируется с помощью реостатов /у -ь г3. Движки реостатов следует передвигать плавно и только в одну сторону. Если изменение тока AI окажется больше намеченного, то ни в коем случае нельзя уменьшать А/ путем обрат­ ного перемещения движка реостата, так как это совершенно исказит

с обмотками возбуждения, индикаторная' катушка для определения напряжен­ ности поля в зазоре ярма, набор образцов из ферромагнитных материалов, интег­ рирующая /?С-ячейка, осциллограф С1-1, катодный вольтметр, вариак, ампер­ метр переменного тока, реостаты, ключи.

Ферромагнитные материалы часто применяются в трансформа­ торах, дросселях, машинах переменного тока, т. е. в устройствах, где они подвергаются периодическому перемагничиванию. Изу­ чение магнитных характеристик ферромагнетиков в переменных полях представляет поэтому большой практический интерес. Основ­ ные характеристики ферромагнетиков — их коэрцитивная сила, маг­ нитная проницаемость, мощность, рассеиваемая в виде тепла при перемагничивании, и т. д. —зависят от частоты перемагничивающего поля. В настоящей работе кривые гистерезиса ферромагнитных

материалов изучаются в поле частоты 50 Гц с помощью электронного осциллографа.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 154. Ферромагнитный образец, находящийся внутри индикаторной катуш­ ки L, помещается в зазор ярма, изготовленного из пластин высоко­ качественной трансформаторной стали. Чтобы получить на экране осциллографа петлю гистерезиса, нужно на горизонтальный уси­ литель подать сигнал, пропорциональный напряженности магнит­ ного поля в образце, а на вертикальный усилитель — сигнал, про­ порциональный магнитной индукции. В схеме, изображенной на

~127В

Рис. 154. Схема установки для исследования магнитных характе­ ристик в переменных полях.

рис. 154, на горизонтальный усилитель осциллографа подается падение напряжения на части сопротивления г, включенного после­ довательно с намагничивающими обмотками ярма. Это напряжение пропорционально току в обмотках, а следовательно, и напряжен­ ности магнитного поля в зазоре ярма (см. задачу 51).

На вертикальные пластины осциллографа подается напряжение, возникающее на индикаторной катушке. Это напряжение, однако, пропорционально не ß, а dBldt (см. приложение III, формулу (3.7)). Между индикаторной катушкой и осциллографом включается поэтому интегрирующее звено. Интегрирование напряжения проще всего осуществить при помощи /?С-ячейки (рис. 154), удовлетворяю­ щей условию R C ^ T (Т — период изучаемого процесса). В са­ мом деле, при больших R и С падение напряжения на конденсаторе мало по сравнению с падением напряжения на сопротивлении, так что ток через ячейку равен /0 = Ѵ0Ш, где Ѵ0— напряжение на

Как следует из теории, напряженность поля в зазоре не должна сколько-нибудь существенно зависеть от внесения в зазор неболь­ ших образцов. ' Полученная калибровка должна поэтому сохра­ ниться при установке в зазоре изучаемых ферромагнетиков. Для контроля полезно поставить следующий простой опыт. Сдвиньте измерительную катушку к краю зазора так, чтобы между полюсами ярма можно было поместить один из исследуемых образцов (катушка не должна его охватывать!). При постоянном значении тока / показа­ ния вольтметра не должны зависеть от внесения образца в зазор.

Н а б л ю д е н и е п е т л и г и с т е р е з и с а на э к р а ­ не о с ц и л л о г р а ф а . Вставьте в зазор Ярма индикаторную катушку, заполненную полосками исследуемого ферромагнетика. Соедините концы катушки со входом AB интегрирующей ячейки. Подберите ток питания обмоток ярма и положение ручек усиления горизонтального и вертикального усилителей осциллографа так, чтобы на экране была видна петля гистерезиса, занимающая около половины экрана. С этого момента и до окончания опыта с данным ферромагнетиком ручки усиления осциллографа трогать нельзя. ■Наблюдаемую на экране осциллографа петлю гистерезиса срисуйте на кальку не менее чем по тридцати равномерно расположенным вдоль кривой точкам й обозначьте оси координат.

К а л и б р о в к а г о р и з о н т а л ь н о й о с и о с ц и л ­ л о г р а ф а . Нелинейности усилителей и устройств развертки трубки осциллографа приводят к тому, что отклонение светового луча оказывается не строго пропорциональным входному сигналу. Изображению, появляющемуся на экране трубки, может быть при­ дан количественный смысл лишь после, калибровки ее разверток. Для калибровки горизонтальной оси осциллографа варьируйте ток питания обмоток ярма с помощью варнака и исследуйте зависимость величины отклонения луча от силы тока / (уже сопоставленного ранее с Н0).

Постройте график зависимости Н0 от горизонтального смещения луча (график имеет смысл при заданном положении ручек осцил­ лографа).

К а л и б р о в к а в е р т и к а л ь н о й о с и о с ц и л л о г ­ р а ф а . Ко входу интегрирующей ячейки ÂB (рис. 156) подключите понижающий трансформатор, питаемый от вариака. В качестве трансформатора можно использовать имеющееся ярмо. Вторичной катушкой служит обмотка, намотанная на среднюю часть ярма, как это изображено на рис. 156.

Присоедините катодный вольтметр к клеммам осциллографа. Меняя установку вариака, найдите зависимость амплитуды верти­ кального смещения луча от напряжения на входе осциллографа (измеренного с помощью вольтметра V). При расчетах следует иметь в виду, что амплитудное значение напряжения, определяющее раз­

мах колебаний луча, равно К2Кэфф.

ющей ячейки к ее входным клеммам А и В (рис. 156) одновременно присоедините понижающий трансформатор и вольтметр. Регулируя входные напряжения с помощью вариака, получите на осциллографе вертикальную прямую размером около половины экрана. Выражен-

-127В

Рис. 156. Схема опыта по измерению постоянной RC.

ное в вольтах вертикальное отклонение луча V сопоставьте с пока­ занием вольтметра и воспользуйтесь формулой (I), которая для синусоидального напряжения имеет вид

Формула (3) служит для определения RC.

Калибровку вертикальной и горизонтальной осей осциллографа следует использовать для построения петли гистерезиса в осях В

В формуле (4) через п0 обозначено число витков индикаторной катушки, а через Sn — площадь поперечного сечения образца. При выводе формулы (4) мы пренебрегли магнитным потоком, про­ низывающим витки индикаторной катушки в воздушном зазоре

имеющихся образцов. Если при работе с новыми образцами не при­ ходится изменять положения ручек осциллографа, полученные ка­ либровки, конечно, сохраняют силу. Если же ручки пришлось по­ вернуть, то калибровки должны быть проведены заново.

При оформлении работы оцените ошибку измерений и выяс­ ните, какие факторы сильнее других сказываются на точности опытов.

Следует отметить, что иногда на концах кривой гистерезиса наблюдаются характерные петлеобразные «перехлестывания». Ис­ кажения кривой гистерезиса могут быть связаны с наводками или с фазовыми искажениями в усилителях осциллографа.

Наводки бывают особенно сильны в тех случаях, когда осцил­ лограф находится вблизи магнитного ярма (ярмо создает вокруг себя большие потоки рассеяния). Влияние ярма на осциллограф может быть легко обнаружено. Для этого достаточно развернуть луч, сняв провода с клемм вертикального сигнала, и посмотреть, не раздваивается ли горизонтальная черта на экране осциллографа. Для уменьшения наводок на провода весь монтаж схемы следует производить с помощью аккуратно свитых (или коаксиальных) концов.

При наличии фазовых искажений в каналах (неустранимое «пе­

Принадлежности: магнитометр, осветитель со шкалой, платино-платиноро­ диевая термопара, милливольтметр, градуированный по температуре, ампер­ метр постоянного тока, миллиамперметр, трансформатор 22012В, вариак, ак­ кумуляторные батареи на 12 и 18 В.

Основные магнитные свойства ферромагнетиков — способность сильно намагничиваться в слабых полях, большая величина р, нелинейная зависимость В от Н и заметно выраженный гистерезис связаны с наличием самопроизвольного намагничивания. Само­ произвольное намагничивание может появиться только при не слишком высоких температурах. Температура, при которой ферро­ магнитные свойства материала исчезают, называется точкой Кюри.

В настоящей работе исследуется зависимость намагничения от температуры и определяются точки Кюри никеля, железа и пер­ маллоя. Опыты производятся с образцами, намагниченными до насыщения.

316 IV. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Описание установки. Схема устройства магнитометра и схема его электрического питания изображены на рис. 157.

Небольшая магнитная стрелка подвешена на длинной тонкой нити и расположена в точке р; с ней жестко скреплены зеркальце и демпфер. Упругий момент нити настолько мал, что его можно не учитывать; равновесие стрелки, таким образом, целиком опре­ деляется магнитными силами.

Рис. 157. Принципиальная схема измеритель­ ной установки (вид сверху).

По обе стороны от стрелки торцами к ней симметрично распо­ ложены две катушки и Ьг. Общая ось катушек 0 0' устанавлива­ ется перпендикулярно направлению земного магнитного поля //„. Катушки соединены последовательно и включены таким образом, что их магнитные поля направлены навстречу друг другу, а их действия на магнитную стрелку взаимно компенсируются. Если теперь внести в катушку Ь2 ферромагнитный образец, то он создает ничем не скомпенсированное дополнительное магнитное поле. Под действием этого поля стрелка поворачивается на некоторый угол а, измерив который нетрудно рассчитать напряженность поля, создаваемого образцом в точке р. Действительно, в этом случае на стрелку одновременно действуют поле земли //„ и перпендикуляр­ ное к нему поле образца Н± (рис. 158). Стрелка устанавливается

318 IV. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Регулировка температуры производится с помощью вариака В. Температура измеряется термопарой, помещенной внутри печи в непосредственной близости к образцу.

Измерения. Расположите катушки Lt и L2так, чтобы их ось 00'

ееоси.

Вставьте никелевый образец в катушку с печью и намагнитьте

его до насыщения, постепенно увеличивая ток /. При насыщении по­ ворот стрелки (положение отраженного зайчика) перестает зависеть от величины подмагничивающего тока. Не выключая тока, выньте образец и снова проверьте, хорошо ли скомпенсировано действие катушек на магнитную стрелку.

Вставьте образец внутрь катушки Ь2, закройте отверстие печи асбестовой втулкой и медленно нагрейте образец, последовательно от­ мечая температуру и отклонение светового зайчика. После перехода через точку Кюри произведите те же измерения при остывании образца.

Повторите измерения для образцов из пермаллоя и железа. Измерьте напряженность магнитного поля, действующего на маг­

нитную стрелку.

Постройте графики зависимости J = J (Т) для всех трех об­ разцов и определите соответствующие температуры Кюри. Раз­ меры г и а определяются штангенциркулем, расстояние х0 — ли­

гл. 15.

Р а б о т а 54. ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ МАГНИТОСТРИКЦИИ

Принадлежности: вертикальные соленоиды с образцами из железной и нике­ левой проволоки диаметром 1 мм, осветитель со шкалой, амперметр, реостаты, аккумуляторная батарея на 120 В, трансформатор 220/12 В, вариак, установка для, измерения скорости распространения магнитострикционного импульса, генератор импульсов, ламповый усилитель, осциллограф 25-И.

Магнитострикция — изменение геометрических размеров тела при намагничивании — особенно сильно выражена в ферромагне­ тиках. В обычных условиях наблюдается так называемая линей­ ная магнитострикция, при которой увеличение размеров в одних