− 4 −
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 − 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ФЕРРИТА
ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), электропечь − соленоид, вольтметр МПЩПр-54М с термопарой хромель − копель (ХК), цилиндрический образец феррита с измерительной обмоткой, милливольтметр.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Экспериментальная проверка характера температурной зависимости магнитной проницаемости феррита.
ТЕОРИЯ МЕТОДА.
Если магнетик поместить во внешнее, зависящее от времени t магнитное поле, то в нем возникает с такой же частотой изменяющееся поле. Напряженность Н и индукция B поля в образце цилиндрической формы сложным образом связана с напряженностью внешнего поля, поэтому все рассуждения проведем лишь качественно.
Поскольку поле в образце изменяется, то в намотанной на нем катушке с числом витков N и площадью поперечного сечения S возникает ЭДС электромагнитной индукции:
ε(t) = − |
dΦ |
= −NS |
dB |
|
= −NS |
dB |
|
dH |
. |
(1) |
||||||
dt |
dt |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
dH dt |
|
|||||||
По определению |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
dB |
= μ0 μ(H), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2) |
|||
|
dH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
μ = 4π × 10−7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где |
Гн/м, |
а μ (Н) − дифференциальная магнитная прони- |
||||||||||||||
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
следует, что |
цаемость магнетика, зависящая от поля. Из (1) и (2) |
||||||||||||||||
|
μ(H) = − |
|
ε(t) |
|
|
. |
|
|
|
|
(3) |
|||||
|
NSμ0 (dH / dt) |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Поскольку электроизмерительные приборы регистрируют усредненные по периоду переменного тока величины, то для практического использования
(3) необходимо в ней зависящие от времени величины заменить эффективными.
μ = |
|
ε |
. |
(4) |
|
|
|
||||
NSμ0 |
(dH / dt) |
||||
|
|
|
|
|
− 5 − |
~ 220 B |
|
|
|
|
2 |
B |
|
|
R1 |
L1 |
1 |
3 
Tемперат., 0C
МПЩПр-54м
L2 мВ
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема установки для исследования температурной зависимости магнитной проницаемости феррита: 1 - объем печи, остальное см. в тексте, 2 - ЛАТР, 3 - феррит
Таким образом, для получения температурной зависимости магнитной проницаемости феррит надо поместить в магнитное поле, для которого
(dH/dt)эф = const, и нагревать его, непрерывно регистрируя εэф. Вблизи
комнатной температуры, где μферрит ~ 10 3, μэф, очевидно, будет иметь такой же порядок величины. Соответственно, велика будет и регистрируемая в изме-
рительной обмотке εэф. |
μэф ~ εэф = f (T) будет иметь |
|
Ниже температуры Кюри, TK зависимость |
||
практически горизонтальный участок, который вблизи TK перейдет в кривую, |
||
быстро спадающую до очень малой величины. |
Произойдет это потому, что |
|
вблизи TK |
феррит переходит в парамагнитное состояние, в котором μ ≈ 1. |
|
Поскольку |
в парамагнитном состоянии магнитная проницаемость феррита не |
|
зависит от Н, то μэф = μ.. Следовательно, εэф ~ μэф = 1 уменьшится во много раз по сравнению с величиной ниже TK .
Поскольку переход феррита из сильномагнитного состояния в слабомагнитное происходит в некотором температурном интервале, то за TK принимается точка пересечения касательных к горизонтальному и наиболее быстро спадающему участкам графика температурной зависимости μэф ~ εэф(T).
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ.
Электрическая схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Установка состоит из трубчатой керамической электропечи (1), питаемой сете-
− 6 −
вым напряжением частотой 50 Гц от ЛАТРа, снабженного вольтметром (2). Обмотка печи, кроме активного сопротивления R1, обеспечивающего выделение джоулева тепла, обладает индуктивностью L1, поскольку намотана в виде соленоида. Поэтому идущий через обмотку печи синусоидальный ток создает в ее объеме переменное магнитное поле, которое намагничивает коаксиально вставленный в печь ферритовый стержень. ЭДС электромагнитной индукции εэф, возникающая в намотанной на этом стержне измерительной обмотке L2, измеряется милливольтметром (мВ).
Исследуемый сердечник вставляется в печь с правой стороны с помощью пластмассовой пробки. С левой стороны печи с помощью такой же пробки вставляется термопара хромель-копель (ХК). ЭДС термопары измеряется вольтметром МПЩПр-54м с цилиндрическим циферблатом, проградуированным в градусах Цельсия.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ.
Если ЛАТР включен в сеть, то нельзя дотрагиваться до его выходных клемм и входных клемм печи. Кроме того, печь в течение эксперимента нагревается до ≈250oС, поэтому, несмотря на теплоизоляцию, не рекомендуется касаться ее без необходимости.
Таблица 1
Температура, 0С
εэф., мВ
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО МЕТОДИКЕ РАБОТЫ
1.Чему равна ЭДС электромагнитной индукции, возникающая в измерительной обмотке ?
1)− S dB |
2)− N dB |
3)− N dB |
4)NS dH |
5)NS dB dH . |
dt |
dt |
dt |
dt |
dH dt |
2.Чему равна индукция поля BФB в объеме бесконечного ферритового стержня, находящегося во внешнем поле с индукцией BсB ?
1) BB |
≤ BB |
2) BB = BB |
3) BB |
= μ BB |
4) BB |
= BB |
5) BB |
= μ BB . |
|
ф |
с |
ф |
с |
ф |
ф с |
ф |
с |
с |
ф ф |
3. Чему равна напряженность поля в объеме бесконечно длинного соленоида ? 1) N I 2) n I 3) I / n 4) I / N 5) n N I
4.Чему равна напряженность поля в объеме бесконечного ферритового стержня, находящегося внутри бесконечного соленоида с полем Нс?
1) Hc 2) ф Нс |
3) μ0 μф Нc |
4) μф Нс 5) μ0 Нс + ф Нс |
5.Почему с помощью выше описанной установки нельзя исследовать магнитную проницаемость диа- и парамагнетиков ?
1)Потому что εэф ~ μэф для парамагнетиков и диамагнетиков лежит ниже порога чувствительности установки.
−7 −
2)Потому что у диамагнетиков < 0.
3)Потому что диамагнетики не имеют температурной зависимости μ.
4)Потому что у парамагнетиков μ слабо зависит от температуры.
5)Потому что у парамагнетиков > 0.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1.С помощью принципиальной электрической схемы на рис. 1 разобраться в назначении каждого блока экспериментальной установки и их взаимодействии. Выяснить класс точности и цену деления шкал приборов.
2.Вставить с левой стороны трубчатой печи термопару. Убедиться, что
МПЩПр-54м показывает температуру не ниже комнатной (~20оC).
3.Вставить с правой стороны печи цилиндрический образец феррита так, чтобы выступающая часть пробки упиралась в торец печи.
4.Убедиться, что регулятор ЛАТРа находится в крайнем левом положении, после чего включить его в сеть.
5.Установить на вольтметре ЛАТРа напряжение 100 В.
6.Занести в табл. 1 показания милливольтметра и МПЩПр-54м.
7.По мере повышения температуры в печи, регистрируемой МПЩПр-54м, повторять действия п. 6.
8. |
Замеры проводить не реже, чем через 10о |
или через |
0,5 |
мВ изменения |
|
εэф до тех пор, пока оно не упадет до нуля. |
После этого убавить напряже- |
||
|
ние на ЛАТРе до нуля и выключить его из сети. |
|
|
|
9. |
По результатам табл. 1 построить график зависимости |
εэф |
от температуры |
|
|
и определить по нему температуру Кюри феррита. |
|
|
|
10.Объяснить полученные результаты с точки зрения теории ферромагнетизма.