V. Содержание отчета

Отчет по работе составляется в произвольной форме и должен содержать:

1. Краткое описание работы.

2. Расчетные формулы.

3. Электрические схемы.

4. Экспериментальные данные.

5. Графики i=f(U) и I=f(U^3/2).

6. Результаты расчета.

7. Выводы.

VI. Контрольные вопросы

1. В чем заключается условие возникновения электрического тока в вакууме?

2. Что называется эмиссией электронов? Перечислите виды эмиссии.

3. Опишите устройство и работу вакуумного диода.

4. Зарисуйте вольтамперную характеристику вакуумного диода и опишите закономерности, происходящие в диоде при изменении анодного напряжения.

5. Что называется током насыщения?

6. Сформулируйте закон Богусловского-Ленгмюра.

7. Что называется удельным зарядом электрона?

8. Определите силу тока насыщения в электронной лампе с вольфрамовым катодом для следующих данных: длина нити накала 3 см, диаметр нити накала 3 см, диаметр нити 0,1 мм, абсолютная температура нити накала 2700 К. Эмиссионная постоянная для вольфрама равна 60 .

9. На рисунке 4, а показана вольтамперная характеристика двухэлектродной лампы, а на рисунке 4, б - зависимость силы тока между пластинами плоского конденсатора от напряжения при несамо­стоятельном газовом разряде.

Сравните эти графики. В чем причина различий? Как изменится график (см. рис. 4, а), если увеличить температуру катода?

10. Отношение работ выхода электронов из платины и цезия равно 1,58. Определите отношение минимальных скоростей теплового движения электронов, вылетающих из этих металлов.

11. Работа выхода электрона из металла 2,5 эВ. Определите скорость вылетающего из металла электрона, если он обладает энергией 10^-18 Дж.

12. Определите работу выхода электронов из металла, если плотность тока насыщения двухэлектродной лампы при температуре Т₁ , равна j₁ , а при температуре Т₂ равна j₂.

2.11 Снятие кривой намагничивания и петли гистерезиса с помощью осциллографа

Цель работы: снятие кривой намагничивания и построение петли гистерезиса. Расчеты потерь энергии на перемагничивание.

I. Теоретическое введение

Магнитное поле в веществе существенным образом отличается от магнитного поля в вакууме.

Опыт и теория показывают, что все вещества, помещенные в магнитное поле, приобретают магнитные свойства, то есть намагничиваются, и поэтому изменяют внешнее (первоначальное) поле. При этом оказывается, что одни вещества ослабляют внешнее поле, их называют диамагнитными веществами (диамагнетиками), другие вещества усиливают внешнее поле - это парамагнитные вещества (парамагнетики). Среди парамагнетиков резко выделяется группа, веществ, вызывающих очень большое усиление внешнего поля. Эти вещества называются ферромагнетиками.

Подавляющее большинство веществ относятся к диамагнетикам. Диамагнетиками являются такие элементы, как фосфор, сера, сурьма, углерод, многие металлы (висмут, ртуть, золото, серебро, медь, и др.), большинство химических соединений (в том числе вода и почти все органические соединения).

К парамагнетикам относятся некоторые газы (кислород, азот) и металлы (алюминий, вольфрам, платина, щелочные и щелочноземельные металлы).

В довольно малочисленную группу ферромагнетиков входят железо, никель, кобальт, палладий, гадолиний и диспрозий, а также некоторые сплавы и окислы этих металлов и некоторые сплавы марганца и хрома. Выясним физические причины диа-, пара- и ферромагнетизма. В атомах и молекулах любого вещества имеются круговые токи, образованные движением электронов по орбитам вокруг ядер - орбитальные токи. Каждому орбитальному току соответствует определенный магнитный момент, называемый орбитальным магнитным моментом,

(1)

где S- площадь орбиты электрона

- число оборотов электрона в секунду

е - абсолютная величина заряда электрона

- скорость электрона

r - радиус его орбиты

Кроме того, электроны обладают собственным, или спиновым, магнитным моментом

(2)

Величина называется магнетоном Бора. Таким образом, спиновый магнитный момент электрона равен одному магнетону Бора Р_ms=μ_Б. Оказывается, что орбитальные магнитные моменты электронов в атомах также имеют величину порядка магнетона Бора. Собственным магнитным моментом обладает также ядро атома. Геометрическая сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов и собственного магнитного момента ядра образует магнитный момент атома (молекулы) вещества.

У диамагнитных веществ суммарный магнитный момент атома (молекулы) равен нулю, так как, имеющиеся в атоме орбитальные, спиновые и ядерные магнитные моменты взаимно компенсируются (на рис.1,а атомы изображены точками).

Однако под влиянием внешнего магнитного поля у этих атомов возникает (инду­цируется) магнитный момент, направленный всегда противоположно внешнему полю (рис.1,б); индуцированные магнитные моменты изображены стрелками; Н-напряженность внешнего магнитного поля. В результате диамагнитная среда на­магничивается и создает собственное магнитное поле, направленное противопо­ложно внешнему полю и поэтому ослабляет его. Индуцированные магнитные мо­менты атомов диамагнетика сохраняются до тех пор, пока существует внешнее поле. При ликвидации внешнего поля, индуцированные магнитные моменты ато­мов исчезают, и диамагнетик размагничивается.

У атома (молекулы) парамагнит­ных веществ орбитальные, спиновые и ядерные магнитные моменты не компен­сируют друг друга. Поэтому атомы парамагнетика всегда обладают магнитным моментом, являясь как бы элементарными магнитами. Однако атомные магнит­ные моменты расположены беспорядочно и поэтому парамагнитная среда в це­лом не обнаруживает магнитных свойств (рис.1, в).

Внешнее поле поворачивает атомы парамагнетика так, что их магнитные момен­ты устанавливаются преимущественно в направлении поля, (рис.1, г); полной ори­ентации препятствует тепловое движение атомов. В результате парамагнетик на­магничивается и создает собственное магнитное поле, всегда совпадающее по на­правлению с внешним полем и потому усиливающее его. При ликвидации внеш­него поля тепловое движение сразу же разрушает ориентацию атомных магнит­ных моментов, парамагнетик размагничивается.

Таким образом, если в пустом пространстве существует магнитное поле, имеющее напряженность , то при за­полнении этого пространства однородной средой появляется добавочное магнитное поле. Тогда

(3)

Напряженность связана с вектором намагничивания формулой:

,

Подставив (4) в (3) получим:

(4)

В изотропных магнетиках можно положить, что

(5)

где χ – скалярная величина, зависящая от рода магнетика и его состояния, Она называется магнитной восприимчивостью.

Таким образом из (4) и (5) получим:

(6)

С другой стороны

(7)

Из выражений (6) и (7) следует связь между величинами χ и μ:

(8)

Для диамагнетиков , для парамагнетиков, для ферромагнетикаχ>>0.

μ- безразмерный коэффициент пропорциональности, называемый магнитной проницаемостью среды. Коэффи­циент μ характеризует магнитные свойства среды, ее способность намагничиваться под влиянием внешнего поля. Очевидно, что в вакууме μ=1, у диамагнетиков μ<1, у парамагнетиков μ>1, у ферромагнетика μ>>1. Вообще говоря, у диамагнитных и парамаг­нитных (исключая ферромагнетики) веществ магнитная проницаемость мало отличает­ся от единицы, как это видно из таблицы, в которой приведены значения магнитной проницаемо­сти некоторых веществ.

Таблица 1

Диамагне-тики	μ	Парамагне-тики	μ	Ферромагнетики	μ
Водород	0,999937	Азот	1,000013	Кобальт	100-180
Вода	0,999991	Кислород:	1,000017	Никель	200-300
Медь	0,999912	Алюминий:	1,000023	Железо	5000-10000
Висмут	.0,999824	Вольфрам	1,000175	Сталь	10000-20000

Уферромагнетиков магнитная проницаемость не только очень велика, но и непосто­янна; она зависит от напряженности намагничивающего поля. С ростоммагнитная проницаемость ферромагнетикаμ сначала быстро возрастает, достигая максимума, а затем уменьшается, приближаясь (при очень сильных полях) к значению μ=1 (рис.2а). Поэтому, хотя формула (8) остается справедливой и для ферромагнитных веществ, магнитная индукция, в этих веществах уже не будет пропорциональна напряженности намагничивающего поля; при сравни­тельно небольшой напряженности Н_m индукция достигает большого значения В_т (насыщения), после чего она изменяется уже медленно - пропорционально изменению Н (рис2,б), т.е. примерно так, как в парамагнитном веществе. Зависимость магнитной проницаемости μ и индукции магнитного поля ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного полябыла исследована впервые А.Т. Столетовым.

Если в ферромагнетике намагниченном, например, до состояния насыщенияВ_т начнет уменьшаться напряженность Н, то индукция В тоже будет уменьшаться; однако ее уменьшение происходит, не по линии 1-0, а по линии 1-2 (рис.3). При Н=0 ферромагнетик не размагничи­вается полностью: в нем сохраняется: остаточная намагниченность, характеризуемая магнитной индукцией В₀. Для полного размагничивания ферромагнетика, необходимо создать противоположное внешнее поле напряженностью Н= - Нк; эта напряженность называется коэрци­тивной силой ( от латинского coercitio - удерживание). При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик начинает перемагничиваться (линия 3-4) и при Н= - Н_m намагничивается до насыщения в противоположном направлении (В= - Вт).Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (линия 4-5-6) и вновь перемагни­тить до насыщения В_m (линия 6-1). Рассмотренное явление отставания изменений маг­нитной индукции от изменений напряженности намагничивающего поля называется магнитным гистерезисом, а замкнутая кривая (1-2-4-5-6-1) - петлей гистерезиса (от греческого слова гистерезис-запаздывание).

Коэрцитивная сила характеризует свойство ферромагнетика сохранять намагниченность и наряду с магнитной проницаемостью определяет его применяемость для тех или иных практических целей. Большой коэрци­тивной силой обладают углеродистые (4,5), вольфрамовые и хромовые (5,6), алюминево-никелевые (56) и другие стали. Эти материалы дают широкую петлю гисте­резиса и называются "твердыми" магнитными материалами. Из них изготавливаются постоянные магниты. К "мягким" магнитным материалам, обладающим малой коэрцитивной силой и дающим узкую петлю гистерезиса, относятся: мягкое железо, сплавы железа с никелем, например, Мо - пермаллой (Ре - 16%, Ni - 78,5%, Мо - 3,8%, Нк=3), супермаллой (Ре - 15%,Ni - 79%, Мо -5%, Нк=0,3) и др. Эти материалы используются для изготовления сердечников трансформаторов.

Площадь, ограни­ченная петлей гистерезиса, характеризует работу, затрачиваемую внешним полем на однократное перемагничивание ферромагнетика. Перемагничивание ферромагнетика связано с поворотом областей спонтанной намагниченности. Эта работа выделяется в виде теплоты.

Ферромагнетики обладают еще одной существенной особенностью: при определенной (для каждого ферромагнетика) температуре T_к, называемой точкой Кю­ри, они теряют свои магнитные свойства (у железа T_к =1043К, у никеля T_к=633К, для пермаллоя T_к=823К). При температуре выше точки Кюри ферромагнетик превращается в парамагнетик. При этом он не только теряет свои ферромагнитные свойства, но у него изменяются также теплоемкость, электропроводность и другие физические пара­метры. Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное не со­провождается выделением или поглощением теплоты, поэтому он является примером фазового перехода второго рода.

Рассмотренные особенности ферромагнетика обу­словлены тем, что в нем имеется множество сравнительно крупных самопроизвольно намагниченных до насыщения областей, называемых доменами. Линейные размеры до­менов достигают порядка 10^-2- 10^-4 см.

Д

Рис. 4

омен объединяет многие миллиарды атомов, в пределах одного домена магнитные моменты всех атомов ориентированы одинаково. (Точнее говоря, одинаково ориентиро­ваны спиновые магнитные моменты электронов всех атомов). Однако ориентация самих доменов разнообразна (рис.4,а). Поэтому в отсутствие внешнего магнитного поля фер­ромагнетик в целом оказывается не намагниченным.

С появлением внешнего поля напряженностью домены, ориентированные своим маг­нитным моментом в направлении этого поля, начинают увеличиваться в объеме за счет соседних доменов, имеющих иные ориентации магнитного момента; ферромагнетик намагничивается (рис.4,б).

При достаточно сильном поле Н_m все домены целиком поворачиваются в направлении поля и ферромагнетик быстро намагничивается до насыщения (рис.4, в).

При ликвида­ции внешнего поля ферромагнетики полностью не размагничиваются, а сохраняют ос­таточную магнитную индукцию, так как тепловое движение не в состоянии быстро дез­ориентировать столь крупные совокупности атомов, какими являются домены. Этим объясняется магнитный гистерезис. Для размагничивания ферромагнетика необходимо приложить коэрцитивную силу. Размагничиванию способствуют также нагревание и встряхивание ферромагнетика. При температуре, равной точке Кюри, тепловое движе­ние оказывается способным дезориентировать атомы в самих доменах, вследствие чего ферромагнетик превращается в парамагнетик.