Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физпрактикум. Часть 2. Электричество и магнетизм. Учебное пособие
.pdf
2. Область списка сохраненных значений. Любая точка измерения мо-
жет быть сохранена в списке для последующего просмотра, анализа
и обработки.
3. Область панели инструментов. "Всплывающие" подсказки, появля-
ющиеся при помещении курсора "мыши" в область соответствующей пиктограммы, вкратце объясняют то, что произойдет при нажатии на пиктограмму.
После того как Вы закроете информационное окно, вам будет предложено
провести калибровку схемы измерения перемещения штока, по окончании которой Вы можете приступить к выполнению работы.
Окно списка сохраненных значений: в любой момент времени все те-
кущие параметры измерения могут быть сохранены в списке для последующего
просмотра, анализа, обработки и печати.
Где:
C(х) — положение датчиков Холла (в миллиметрах) относительно начала
катушки соленоида (увеличение — справа налево);
d(y) — положение датчиков Холла (в миллиметрах) по вертикали относи-
тельно оси катушки соленоида;
W — количество витков той части катушки соленоида, которая подклю-
чена в данный момент;
L(l) — длина той части катушки соленоида, которая подключена в дан-
ный момент;
I — ток (в амперах), протекающий через катушку соленоида;
U(x,y) — напряжения (в милливольтах), снимаемые с горизонтального и
вертикального датчиков Холла соответственно.
Витки соленоида, по которому в данный момент протекает ток I, подкра-
шиваются красным цветом. Точки, в которых производятся измерения соответ-
31
ствующих параметров, отображены на условном изображении окна измерений.
Единицы измерений приведены в заголовках столбцов вместе с самими параметрами. Контрастным цветом на рисунке выделена строка, соответствующая
измерению, которое в данный момент анализируется. Выбор анализируемой
строки осуществляется путем подведения курсора и нажатием левой кнопки
"мыши" на нужной строке таблицы. Добавление строки в список можно осуществить только при наличии исправной аппаратуры. Удаление анализируемой
строки из списка можно осуществить в любое время.
Окно измерений:
Область отображения измеренных значений представлена на рисунке в
виде условного графического изображения установки.
Все параметры измерений, их названия, местоположение датчиков и единицы
измерения очевидны из рисунка.
Панель инструментов:
Вся работа с программой ФПЭ-04М осуществляется с помощью панели
инструментов, находящейся в нижней части окна программы, нажатием левой
кнопки "мыши" в области соответствующей пиктограммы. При движении кур-
32
сора "мыши" внутри областей пиктограмм появляется короткая подсказка о выполняемом действии.
Калибровка
Обязательным условием правильной работы программы является калибровка датчика перемещения. Цель ее — привести в соответствие сигнал от датчика перемещения штока, на котором находятся датчики Холла, к правильным
значениям расстояния от начала соленоида. Как минимум, эта процедура один
раз выполняется в начале работы и состоит в следующем:
необходимо выключатель "Сеть" перевести в положение "Вкл.", а выклю-
чатель "Ток" — в "Выкл.";
Исходное положение штока — задвинут в соленоид до упора. Вам будет
предложено выдвинуть шток до упора. Сделайте это и нажмите "ОК" в
появившемся диалоговом окне;
плавно, без рывков и резких движений задвиньте шток до упора. После
этого шага условное изображение датчиков Холла в окне измерений бу-
дет находиться в крайнем правом положении.
. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ! Все перемещения штока должны выполняться
плавно без рывков. Категорически запрещается оставлять подпружиненный
шток без удержания для самостоятельного возврата в исходное положение, а
тем более резко толкать его, задвигая внутрь соленоида. Это может нарушить
работу датчика перемещения штока.
Методика измерения
Для экспериментального исследования напряженности магнитного поля
на оси соленоида в настоящей работе используется метод, основанный на эффекте Холла. Для определения горизонтальной составляющей магнитного поля
(силовые линии направлены вдоль оси соленоида) используется датчик Холла
33
типа SS49, расположенный на торце специального штока, вставленного в соленоид, вертикально.
Для определения вертикальной составляющей поля используется датчик
Холла повышенной чувствительности типа SS94a1f. Для измерения положения
датчика внутри соленоида на боковой грани штока нанесена миллиметровая
шкала, а также используется специальный датчик положения. При отсутствии
магнитного поля оба датчика имеют значительную постоянную составляющую
выходного сигнала. Для снижения этой составляющей используется компенсация с использованием мостовой схемы выхода.
Состав аппаратного и программного обеспечения позволяют изучать
структуру магнитного поля соленоида при различных значениях напряженности магнитного поля в двух координатах Х и Y, а также проводить указанные
исследования для соленоидов различной длины. Для проведения работы могут
быть использованы пять соленоидов, имеющих следующие геометрические
размеры и намоточные данные:
L1 W = 45 вит.; D внутр. = 50 мм; l1 длина = 10 мм.
L2 W = 70 вит.; D внутр. = 50 мм; l2 длина = 15 мм.
L3 W = 147 вит.; D внутр. = 50 мм; l3 длина = 23 мм.
L4 W = 305 вит.; D внутр. = 50 мм; l4 длина = 46 мм.
L5 W = 490 вит.; D внутр. = 50 мм; l5 длина = 76 мм.
Выбор заданного соленоида осуществляется с помощью переключателя,
расположенного на передней панели модуля ФПЭ-04м.
34
Порядок выполнения работы
N
n/n
C(x)
mm
D(y)
Mm
W
Витков
L(l)
mm I A
U
x
mB
U
y
mB
B
x
Гс
В
у
Гс
Задание 1. Исследование зависимости индукции магнитного поля от
координаты С(х), отсчитываемой от начала катушки соленоида, Вх = f(C) и
By=f(C).
1. Включите переключатель «Ток» на передней панели модуля. Выберите
с помощью переключателя соленоид максимальной длины L5. Установите величину тока в катушке соленоида по указанию преподавателя.
2. Переместите шток в крайнее левое положение до упора и запишите в
протокол результаты, щелкнув левой клавишей мыши по иконке «Внести в
список». Далее, перемещая шток вправо с интервалом 1см, записывайте данные
в протокол эксперимента.
3. После выхода датчика за пределы соленоида продолжайте запись про-
токола до прекращения существенных изменений Ux и Uy.
4. Выполнить пункты 1.2.3. последовательно для соленоидов L4, L3, L2, L1.
5. Сохранить протокол эксперимента в памяти компьютера на любом до-
ступном носителе (FDD, HDD, CD) в файле с произвольным названием и расширением .e04 или распечатайте данные на принтере. Данные будут доступны
всегда для анализа, обработки или продолжения эксперимента.
6. С учетом различной чувствительности датчиков Холла для горизонтальной и вертикальной составляющих магнитного поля, определите значения
индукций в сохра- ненных данных ( Вх = Ux/0,8 Gauss; By=Uy/25 Gauss).
7. Построить графики зависимости Вх=f(C) и By=f(C).
8. Проанализировать характер изменения структуры магнитного поля в
зависимости от соотношения l/D.
35
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа. Пользуясь этим законом, дайте вывод
формулы для индукции магнитного поля на оси кругового витка с током.
2. Сформулируйте теорему о циркуляции вектора В по контуру L. Пользуясь этой
теоремой, дайте вывод формулы для индукции магнитного поля бесконечного соленоида.
3. Пользуясь принципом суперпозиции, дайте вывод формулы для индукции магнитного поля бесконечного соленоида.
4. Нарисуйте схему для измерения зависимости В=f(C).
36
Лабораторная работа № 3 (ФПЭ-07)
ИЗУЧЕНИЕ ГИСТЕРЕЗИСА ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Цели работы: изучение гистерезиса ферромагнитных материалов, расчет
и графическое построение основной кривой намагничивания, расчет работы перемагничивания и коэрцитивной силы.
Содержание: Общие сведения. Аппаратное и программное обеспечение.
Метод измерения. Порядок выполнения работы. Контрольные вопросы.
Общие сведения.
Все вещества обладают магнитными свойствами, т. е. являются магнетиками. Магнитные свойства веществ определяются величиной и ориентацией
магнитных моментов молекул, ионов или атомов.
Как известно магнитный момент плоского контура площадью S, по которому течет ток I, определяется соотношением
, (1)
где n — единичная нормаль, направление которой определяется по правилу правого винта. В магнитном поле с индукцией В0 на замкнутый контур с
током действует момент сил
, (2)
который стремится повернуть контур так, чтобы направление векторов р и В0
совпадали. В свою очередь контур с током создает собственное магнитное поле
с индукцией B/, совпадающее по направлению с магнитным моментом p контура. Оба поля, накладываясь, образуют результирующее поле с индукцией
В = В0 + В/. (3)
Намагничивание вещества объясняется наличием у составляющих его
молекул, атомов и ионов микроскопических магнитных моментов: электронноорбитального ре, спинового и ядерного. Электронным орбитальным магнитным
моментом обладает электрон, движущийся вокруг ядра атома (рис. 1). Такой
37
электрон подобен плоской круговой рамке с током I = e, имеющей магнитный
момент:
,
где е — заряд электрона, — частота вращения, r — радиус круговой орбиты. Направление магнитного момента ре противоположно направлению момента импульса электрона:
.
Моменты p и L связаны соотношением
.
Спиновый магнитный момент рs (см. рис. 1) является неотъемлемым
свойством электрона. Единицей магнитного момента является магнетон Бора:
где h — постоянная Планка.
Ядерный магнитный момент либо равен нулю, либо на три-четыре поряд-
ка меньше Б и его влиянием можно пренебречь. При отсутствии поля приближенно можно считать, что магнитный момент атома
,
где Z — число электронов в атоме.
Магнитный момент молекулы соответственно равен
,
38
где N — число атомов в молекуле.
Во внешнем магнитном поле на электрон атома, как на замкнутый контур
с током, действует момент сил М (см. рис. 2). Под действием этого момента сил
электрон, подобно механическому волчку, будет совершать прецессию, при которой векторы p и L описывают с постоянной угловой скоростью конус вокруг
направления поля. Это дополнительное движение электрона приводит к появлению у него магнитного момента прецессии pп, направленного против магнитного поля. Это явление носит название диамагнитного эффекта. При наличии
внешнего магнитного поля магнитный момент атома
Намагниченность вещества — J равна магнитному моменту единицы
объема магнетика:
, (4)
где V — малый объем магнетика; р
— сумма магнитных моментов
мол
всех молекул в объеме V. Намагниченность J связана с напряженностью магнитного поля:
, (5)
где — коэффициент пропорциональности, называемый магнитной вос-
приимчивостью вещества. Магнитные свойства вещества характеризуются также магнитной проницаемостью , связанной с соотношением
. (6)
В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все ве-
щества делятся на три группы:
диамагнетики — вещества (например, инертные газы), у которых при от-
сутствии внешнего магнитного поля орбитальные и спиновые моменты атомов
или молекул скомпенсированы. Во внешнем магнитном поле в результате пре-
цессии появляются индуцированные магнитные моменты рат = рп, направленные против поля, а магнитная восприимчивость отрицательна = –(10-6…10-8).
39
парамагнетики — вещества, у которых при отсутствии внешнего поля В
0
моменты рат и р
не равны нулю, а J = 0 вследствие хаотической ориентации
мол
магнитных моментов. Во внешнем магнитном поле под действием вращающего
момента сил М магнитные моменты молекул вещества стремятся повернуться в
направлении поля, в результате чего J становится отличным от нуля. Их магнитная восприимчивость невелика и составляет по порядку 10-4 …10-6.
ферромагнетики — это кристаллические вещества, у которых магнитные
моменты отдельных ионов отличны от нуля. У ферритов элементарную ячейку
кристалла образуют ионы различного типа, у ферромагнетиков — одного типа.
Как показывает опыт, магнитный момент иона ферромагнетика обусловлен
упорядоченной ориентацией спиновых магнитных моментов. Часть ферромагнетика, в которой все магнитные моменты при отсутствии внешнего поля устанавливаются в одном направлении за счет обменного взаимодействия, называется доменом (рис. 3,а), домен обладает магнитным моментом рд. Размеры доменов составляют по порядку величины 10-6…10-8м.
Рис. 3.
При отсутствии внешнего магнитного поля магнитный момент ферромаг-
нетика
.
Между доменами А и В имеются переходные слои С шириной 10-8…10
9
м. Внутри переходного слоя магнитные спиновые моменты ионов поворачиваются до тех пор, пока не примут нужного направления. Во внешнем магнитном поле переходные слои разрушаются. Магнитные моменты отдельных до-
-
менов поворачиваются в направлении магнитного поля (рис. 3,в). Зависимость
намагниченности J магнетиков от напряженности Н внешнего магнитного поля
изображена на рис.4.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]