Электрические и магнитные свойства вещества. Учебно-методическое пособие
.pdf
Исследуемым веществом является железо, из которого изготовляют тороид. Первичная обмотка тороида питается через сопротивление R1, переменным током I1.
Напряженность магнитного поля внутри тороида равна = , где — число витков на единицу длины.
Тогда напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах будет:
|
= |
= / , |
(1) |
|
|
|
т. e. будет пропорционально Н.
Во вторичной обмотке тороида источником тока является ЭДС индукции, которая равна:
ε = − |
Φ |
(2) |
. |
|
где Φ — поток вектора магнитной индукции через поверхность, охватываемую всемивиткамивторичнойкатушки.ЕслиS —площадь,охватываемаяоднимвит- ком, а — число витков, то:
и |
Φ = |
(3) |
|
ε |
= − |
|
(4) |
. |
|
||
Напишем закон Ома для вторичной цепи, пренебрегая самоиндукцией вторичной обмотки:
ε = + , |
(5) |
где
= = |
|
= |
|
|
(6) |
|
|
. |
|
||
|
|
71 |
|
|
|
Здесь — напряжение на конденсаторе, q — заряд конденсатора. Если, велико (R2 = 105 Oм), то первым членом в правой части равенства (5) можно пренебречь, тогда:
ε= = ,
откуда
= − |
|
|
|
|
|
. |
|
(7)
(8)
Подставляя значение I в выражение (6), получим, что напряжение, подаваемое на вертикально отклоняющие пластины осциллографа, равно:
|
= − |
|
|
= − |
|
= − |
|
, |
(9) |
|
|
|
|
|
т. е. пропорционально В.
В результате на одни пластины осциллографа подается напряжение, пропорциональное Н, а на другие — пропорциональное В. Hа экране осциллографа при этом наблюдается петля гистерезиса, В= f (H).
Увеличивая напряжение , мы будем увеличивать амплитуду колебаний напряженности Н и получать на экране последовательно ряд различных по своей площади петель гистерезиса. Верхняя точка петли гистерезиса находится на основной кривой намагничивания, следовательно, для построения кривой намагничивания необходимо снять с осциллографа (осциллограмы) координаты и вершин петель гистерезисы.
Для построения кривой намагничивания необходимо вычислить значения Н и В по формулам:
= |
|
|
(10), |
= |
|
|
. |
(11) |
|
|
|
Величины и можно определить, зная величину напряжения и , вызывающихотклонениеэлектронноголучанаодноделениев направлении осей
72
«Х» и «У» при данном усилении. Тогда |
= , где |
и координаты вер- |
||||||||
шин петель гистерезиса. |
|
|
||||||||
Подставляя последние в выражения для Н и В, получаем в системе СИ: |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
= |
|
, |
|
= |
|
|
, |
|
|
|
= |
565 |
; тора = 0,172 м. |
|
|||||
|
|
πтора |
|
|||||||
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
||
= |
4 |
; = 0,04 м; |
= 1 мкФ; |
= 10 витков/м. |
||||||
Ход работы.
1)Собрать электрическую цепь (рис. 2.11), включить осциллограф и вывести электронный луч в центр координатной сетки. Подключить цепь к сети.
2)С помощью рукоятки — «усиление по вертикали», «усиление по горизонтали» добиться того, чтобы петля гистерезиса имела участок насыщения и занимала большую часть экрана. Сопротивление R1 = 10 ом.
3)Определить координаты и вершины петли. Затем, уменьшая подаваемое напряжение с помощью ЛАТР, получить на экране осциллографасемействопетельгистерезиса.Снятьдлянихкоординатывершин. Измерения производить до тех пор, пока петля не станет стянутой в точку. По результатам измерений заполнить таблицу 1.
Таблица 1
№ |
|
|
, В |
, В |
, А/м |
,мТл |
|
|
|
|
|
|
1
2
….
10
73
4)Вычислить Н и В по формулам (10) и (11) для координат всех полученных петель гистерезиса. и , определить при данном усилении по
величине контрольного сигнала осциллографа. Результаты занести
в таблицу 1.
5)По данным таблицы 1 построить график зависимости В = f (H), откладывая по оси «Y» значения B (мТл), а по оси «Х» значения Н (А/м).
6)По петле гистерезиса определить коэрцитивное поле, остаточное намагничивание,спонтанноенамагничивание,индуцированноенамагничивание.
7) Определить максимальную величину магнитной проницаемости
и напряженность магнитного поля, при которой она достигается.
8)Построить график μ = ( )Эти. же параметры определить для феррита на частоте 500 Гц. Предварительно проследить характер изменения формы петли от частоты во всем интервале частот звукового генератора.
5.Для получения зачета необходимо.
1)Продемонстрировать преподавателю умение:
а)Производитьнаблюдениепетлигистерезисаферромагнетикаспомощью осциллографа.
б) Производить количественные измерения В и Н с использованием осциллографа и применяемой схемы.
2)Представить оформленный отчет по лабораторной работе.
3)Уметь отвечать на контрольные вопросы типа:
а) Объяснить физическую природу диа-, пара-, ферромагнетизма.
б) Объяснить причины нелинейного характера зависимости В(Н) для ферромагнетиков.
в) Объяснить явление гистерезиса в зависимости В(Н) для ферромагнети-
ков.
г) Раскрыть физический смысл и объяснить, от каких факторов зависят такие параметры, как величина спонтанного намагничивания и коэрцитивное поле .
74
д) Обосновать возможность наблюдения В(Н) для ферромагнетиков с помощью предлагаемой схемы.
е) Раскрыть физический смысл понятия «температура Кюри».
ж) Объяснить зависимость для ферромагнетика от температуры.
Литература к главе 2
1.Вонсовский С. В. Магнетизм. Магнитные свойства диа-, пара-, ферро, антиферро- и ферримагнетиков. М.: Науку всем, 2022. — 1032 с.
2.Иванов С. В., Мартышко П. С. Избранные главы физики. Магнетизм. Магнитный резонанс. Фазовые переходы. Курс лекций / Editorial URSS, 2018. — 208 с.
3.Киттель Ч. Введение в физику твердого тела: учебное пособие по физике / Ч. Киттель. — М.: Книга по Требованию, 2012. — 789 с.
Учебное издание
Дмитрий Эдуардович Темнов Елена Анатольевна Карулина
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
Учебно-методическое пособие
Под общей редакцией Ю. А. Гороховатского
Оформление обложки С. В. Лебединского
Корректура Л. Г. Савельевой
Подписано в печать 25.12.2023. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Объем 4,75. печ. л.
Тираж 300 экз. (1-й завод — 55 экз.). Заказ № 471к
Издательство РГПУ им. А. И. Герцена 191186, Санкт-Петербург. наб. р. Мойки, 48
Отпечатано в РГПУ им. А. И. Герцена 191186, Санкт-Петербург. наб. р. Мойки, 48