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

320 IV. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО II МАГНЕТИЗМ

Между пластиной П и поверхностью постоянного магнита М по­ мещена игла, на конце которой укреплено зеркальце. Диаметр иглы равен 0,2 мм. Магнит притягивает пластину, так что игла оказывается прочно зажатой. При удлинении проволоки игла по­ ворачивается, и измерение удлинений производится при Помощи зайчика, отбрасываемого от зеркальца на вертикальную шкалу.

Удлинение проволоки в продольном магнитном поле не зависит, конечно, от направления намагничения. Функция / — I (J) со­ держит поэтому лишь четные степени J (I — длина проволоки, J — ее намагничение).

Величина магнитострикции резко зависит от начального со­ стояния проволоки. Представим себе, например, что у доменов, из которых состоит проволока, все векторы намагничения направлены вдоль оси проволоки — у одних доменов вверх, а у других — вниз. Хотя такая проволока будет казаться наблюдателю ненамагниченной, магнитострикция в ней близка к максимальной. При наложении внешнего поля все векторы намагничения ориентируются в одном направлении; при этом, однако, практически никакого изменения длины не произойдет.

Магнитострикцию проволоки можно наблюдать в полной мере лишь в том случае, если все пространственные направления на­ магничения доменов в начальном состоянии равновероятны. Проще всего приблизиться к такому состоянию, нагревая проволоку выше температуры Кюри. Нагрев и охлаждение проволоки должны про­ водиться без нагрузки, так как натяжение может привести к преиму­ щественной ориентации (текстуре) доменов вдоль оси проволоки. Размагничивание проволоки осуществляется путем пропускания через нее электрического тока. Для этого с помощью ключа К] подключают к ее концам напряжение с низковольтного трансфор­ матора (рис. 160). Сила тока регулируется варнаком В. При от­ жиге необходимо учитывать, что температура Кюри никеля около 360°, а железа — около 770 °С, поэтому железную проволоку следует отжигать до ярко-красного каления. После отжига охлаждение про­ волоки производится потоком воздуха, отбираемого из воздушной магистрали. Измерение магнитострикции можно производить лишь после того, как температура проволоки опустится до комнатной и зайчик перестанет передвигаться по шкале.

Из сказанного ясно, что результат измерений зависит не только от величины Н, но и от истории образца. Магнитное поле во время опыта следует поэтому изменять в одну сторону. При всяком нарушении монотонности проволока должна быть вновь отожжена, а опыт повторен.

Измерения. Во время измерений сначала выводите высокоомный реостат гх, а затем — низкоомный г2. Особенно внимательно про­ изводите измерения в области небольших полей. После того как измерения для одного направления Н закончены, вновь размаг­

где Е — модуль Юнга, а р — плотность никеля.

Явление обратной магнитострикции нуждается в некоторых

в образце. Деформация образца, происходящая во время прохож­ дения упругого импульса, сама по себе приводит, таким образом, не к возникновению поля, а лишь к изменению магнитной прони­ цаемости. Магнитное поле в образце изменяется при этом лишь в том случае, если оно присутствовало и до деформации. Начальное поле в нашем образце создается постоянным магнитом М.

Полезно убедиться в том, что сигнал меняет знак при повороте магнита М и исчезает при его удалении.

Измерение времени прохождения звука в проволоке следует производить при разных расстояниях между катушками. Удобнее всего пользоваться метками времени, повторяющимися через 2 микросекунды.

Произведите измерения. Представьте результаты опыта в виде графика т = т (/). Оцените с его помощью точность измерения ско­ рости распространения звука в образце.

ния малых емкостей, высоковольтный трансформатор, вольтметр переменного тока.

Сегнетоэлектриками называют группу диэлектриков, отличаю­ щихся большой величиной диэлектрической проницаемости — до нескольких тысяч. К сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль NaKC4H40 6-4H20, кристаллы типа КН2Р04 и кристаллы тита­ ната бария ВаТі03.

Основные свойства сегнетоэлектриков: большая величина е, насыщение при сравнительно небольших полях, гистерезисные явления, возникающие при переориентации электрического поля, — объясняются спонтанной поляризацией образцов. Кристаллы сегне­ тоэлектриков состоят из самопроизвольно поляризованных до на­ сыщения областей, называемых обычно доменами. В отсутствие

Исследуемый сегнетоэлектрик зажимается между двумя метал­ лическими пластинами и образует конденсатор Сх (рис. 162). На­ пряжение к сегнетоэлектрику подводится через последовательно соединенный с ним конденсатор С0 большой (по сравнению с Сх) ем­ кости. При протекании тока через последовательно соединенные конденсаторы на их обкладках возникают равные заряды q. На­ пряжение, возникающее на конденсаторе С0, подается на верти­ кально отклоняющие пластины осциллографа. Это напряжение равно q/C0. Заряд q пропорционален вектору электрической индук­ ции D в образце:

где S — площадь пластин конденсатора Сх. На вертикальных пла­ стинах осциллографа возникает, следовательно, напряжение, про­ порциональное электрической индукции D.

Емкость конденсатора Сх значительно меньше емкости С0, поэтому практически к Сх приложено все напряжение, подведенное к схеме. Это напряжение связано с напряженностью электриче­ ского поля очевидным соотношением

жение V подается на горизонтальные пластины осциллографа с помощью омического делителя гь г2.

На экране осциллографа возникает, таким образом, картина, изображающая электрические характеристики сегнетоэлектрика „в координатах, пропорциональных Е и D. Масштаб изображения при известных С0, rL и г2 легко может быть установлен с помощью соотношений (1) и (2); решение этой задачи мы предоставляем чи­ тателю. Следует, конечно, помнить, что градуировка осциллографа имеет смысл только при фиксированных положениях его аттенюато­

ров. Значения гъ г2, С0 и S указаны на установке.

Так как в работе используются высокие напряжения (до 1500 В), образец помещают в специальный держатель, прикрытый охран­ ным плексигласовым колпаком. Установка имеет блокирующее устройство, не позволяющее включить высокое напряжение при от­ крытом или неплотно закрытом колпаке.

Измерения. Для проверки установки в начале опыта вместо ис­ следуемой емкости Сх включите в схему конденсатор, изготовлен­ ный из материала, не обладающего сегнетоэлектрическими свой­ ствами. В качестве последнего можно воспользоваться керамиче­ ской посеребренной пластиной, которую удобно помещать в те же зажимы, в которые устанавливается затем сегнетоэлектрический образец. На осциллографе в этом случае должна быть видна прямая линия. После этого поместите в зажимы исследуемый об­ разец.

Постепенно увеличивая напряжение, подаваемое на образец, подберите режим, при котором петля гистерезиса, наблюдающаяся на экране осциллографа, приобретает характерный изгиб и стано­ вится достаточно широкой. Перерисуйте петлю на кальку не менее чем по 30 точкам и затем постройте на миллиметровке в осях D и Е. Рассчитайте емкость исследуемого образца.

Установка позволяет исследовать зависимость емкости Сх от напряжения на образце. Измерения производятся для двух об­ разцов титаната бария и образца сегнетовой соли. Результаты опыта представляются в виде графика.

Повышать напряжение на образце нужно очень осторожно, и в случае пробоя немедленно выключить высокое напряжение.

II. Определение температуры Кюри титаната бария

Таблетка титаната бария диаметром 20 мм и толщиной 3 мм с серебряными обкладками помещена внутри теплоизолированного снаружи медного блока, снабженного нагревательной обмоткой и термометром.

повторить при остывании образца.

Принадлежности:

митель, звуковой генератор ГЗ-34, набор ферромагнитных образцов тороидальной формы С' намотанными на них намагничивающими и индикаторными катушками.

Магнитные свойства ферромагнетиков резко отличаются от свойств диа- и парамагнитных веществ. В то время как в диа- и парамагнетиках намагниченность плавно изменяется по объему образца и постепенно увеличивается с ростом внешнего поля, ферро­ магнетики всегда намагничены до насыщения. При отсутствии внеш­ него поля магнитные моменты отдельных участков ферромагнит­ ного образца направлены в разные стороны и в существенной мере компенсируют друг друга. В присутствии поля моменты приобре­ тают преимущественное направление. Участки ферромагнетика, обладающие одним направлением намагничения, носят название доменов.

1. Увеличение объемов доменов с энергетически выгодной ориентацией намагничения за счет доменов с энергетически невы­ годной ориентацией. Этот процесс происходит в результате изме­ нения геометрического расположения границ между доменами и носит название «смещение границ».

2. Процесс поворота векторов намагниченности в доменах от «легкого» направления к направлению «по полю».

Обычно в малых полях преобладает первый процесс, а в боль­

в магнитно-мягких материалах дает наибольший вклад в изменение магнитного момента. Пусть под действием внешнего магнитного

Н

поля плоская граница, разделяющая домены с антипараллельным направлением намагниченности, смещается в направлении Ох (рис. 163). Реальные ферромагнетики весьма неоднородны. В них всегда присутствуют посторонние примеси, пустоты, локальные нарушения кристаллической структуры и т. д., поэтому энергия доменов w зависит от положения границы по сложному закону, определяемому видом и расположением этих неоднородностей (рис. 164).

Пусть в отсутствие поля граница занимала равновесное пол$- жение ха, соответствующее одному из минимумов энергии. При увеличении поля граница начнет перемещаться вдоль направле­ ния X , так что суммарная энергия доменов начнет увеличиваться. Вначале это перемещение оказывается обратимым, так как при уменьшении поля до нуля граница возвращается в положение Х а - Если внешнее поле столь велико, что граница дойдет до положения хв, то ее дальнейшее движение в точку хс происходит самопроиз­ вольно. Эти быстрые самопроизвольные переходы носят название «скачков Баркгаузена». Изменение магнитного момента, проис­ ходящее при скачках Баркгаузена, необратимо, поскольку

328 IV. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

уменьшение поля приведет границу в точку с координатой xD, соответствующую новому минимуму энергии.

Скачки Баркгаузена можно наблюдать следующим образом. Ферромагнитный образец помещается в однородное поле. На обра­ зец наматывается измерительная катушка, напряжение с которой после предварительного усиления подается на вертикальный уси­ литель электронного осциллографа. Включается пилообразная раз­ вертка луча осциллографа. Магнитное поле в образце медленно изменяется. Скачки Баркгаузена вызывают быстрое изменение маг­ нитного потока в образце и наводят импульсы э. д. с. в индика­ торной катушке. В настоящей работе предлагается оценить сред­ нюю величину объема, в котором возникает скачкообразное из­ менение намагниченности.

Приближенно можно считать, что изменение магнитного момента образца осуществляется только благодаря скачкам Баркгаузена. Число скачков N связано со средним объемом ѵ области, в которой

Пусть при перемагничивании области ѵ магнитный поток в ин­

дикаторной катушке изменяется на величину Ф. Тогда можно считать, что сумма изменений потока от всех скачков есть полное

витков индикаторной катушки, намотанной на образец. Из равенств 3, 4 и 5 легко найти

В этой формуле все величины, кроме Ф, известны. Ф измеряется по сигналу, снимаемому с индикаторной катушки. Э. д. с., наво­ димая в катушке при скачке, равна

Опуская несущественный для дальнейших формул знак «минус», найдем

Интегрирование в формуле (8) производится за время одного скачка.

Правая часть (8) пропорциональна площади осциллограммы под кривой скачка. Чтобы найти Ф, правую часть (8) необходимо усред­ нить по всем скачкам.

Окончательно

при скачке Баркгаузена, необходимо из достаточно большого числа измерений определить среднюю площадь импульсов э. д. с., воз­ никающих на экране осциллографа при перемагничивании образца.

Описание установки. Наблюдение отдельных, не накладываю­ щихся друг на друга скачков Баркгаузена на экране осциллографа

при помощи потенциометра R можно отрегулировать таким образом, чтобы ток, проходящий через лампу Л2, был равен нулю (напря­ жение отсечки). Поскольку ток лампы </72 протекает через намагни­ чивающую катушку образца, магнитное поле в образце током не возбуждается и Н = 0.

б) При размыкании ключа Кі конденсатор С начинает заряжаться через лампу Л± (диод 2Д2С). Диод работает в режиме насыщения, следовательно, конденсатор С заряжается постоянным током и напряжение на нем растет линейно. Скорость нарастания напря­ жения регулируется путем изменения зарядного тока, величина которого зависит от накала лампы Лѵ Линейное нарастание напряжения на С вызывает линейное увеличение напряжения на сетке лампы Л2, которая, работает в режиме катодного повтори­ теля. При этом ток в намагничивающей катушке также возрастает линейно. Величина тока в катушке измеряется миллиамперметром.

в) Когда ток достигает максимальной величины, ключ Кі за­ мыкается, конденсатор С разряжается, лампа Лг запирается и ток в намагничивающей катушке падает до нуля.