pdf_labs / may05013

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я И Н А У К И РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т

ЛА БО РА Т О РН Ы Й ПРА К Т И К У М ПО ЭЛЕ К Т РИ ЧЕ СТ В У И М А ГН Е Т И ЗМ У

Часть4 У чебно-методическоепособие

Специальности: 010701 (010400) – ф из ика, 010801 (013800) – р адиоф изика и электр оника, 010803 (014100) – микр оэлектр оника и полупр оводниковы епр и- бор ы

ВО РО Н Е Ж

2005

2

У твер ж дено научно-методическим советом ф изическогоф акультета В ГУ (27.02.05 г., пр отокол№ 2)

Составители: А лейников Н . ., А лейников А .Н .

У чебно-методическоепособиепо электр ичеству и магнетизму (часть 4) подготовленона каф едр еобщ ей ф изикиф изическогоф акультета В ор онеж ского государ ственного универ ситета. Рекомендуется для аудитор ной и самостоя - тельной подготовки студентов 2 кур са дневного и вечер него отделений ф и- зическогоф акультета.

3

Лабор атор ная р абота № 5

И С С Л Е ДО В А Н И Е П Е Т Л И ГИ С Т Е РЕ ЗИ С А Ф Е РРО М А ГН Е Т И К А

Ц ель работы: ознакомиться сметодикой осциллогр аф ир ования петли гистер е- зиса ф ер р омагнетика иопр еделитьосновны епар аметр ы ф ер р омагнетика.

В севещ ества я вля ю тся магнетиками, т.е. магнитноеполев них отличается

пр оницаемость μ магнетика показы вает, во сколько р аз магнитная индукция в магнетикеотличается от магнитной индукции внеш него магнитного поля . О т- личительной особенностью ф ер р омагнетиков я вля ется нелинейная зависимость магнитной индукции от напр я ж енностивнеш негонамагничиваю щ егополя Н . К р ометого, зависимость В =В (Н ) неоднозначна. Д ля ф ер р омагнетиков х ар актер ны м я вля ется гистер езис, котор ы й пр оя вля ется в остаточном намагничении.

Н а р ис.1 пр иведена типичная зависимостьВ =В (Н ) для ф ер р омагнетика. В исх одном состоя нии в отсутствиевнеш него поля (Н =0) ф ер р омагнетик ненамагничен иегоиндукция р авна нулю (точка О ). С увеличением напр я ж енности

кр ивая намагничения пойдет непопр еж нему пути, а покр ивой АС , т.е. пр иН =0 обр азецостается намагниченны м ииндукция пр инимает некотор оезначение 0, назы ваемоеостаточной индукцией.

Чтобы р азмагнитить обр азец, необх одимо магнитноеполе, напр авленное пр отивополож нопер воначальному. С увеличением этогополя (участокС К ) индукция уменьш ается , и пр и некотор ом значении Н =Н С обр азец полностью р аз - магнитится (В =0). В еличина Н С назы вается коэр цитивной силой. Ф ер р омагнетики, у котор ы х Н С>100 А /м, назы ваю тся магнитож есткими. Ф ер р омагнетики, у котор ы х Н С <100 А /м – магнитомя гкие.

Пр и дальнейш ем увеличении Н обр азец пер емагничивается и в некотор ой точкеD, такж екакив точкеА, наступает насы щ ение. С уменьш ением Н донуля , обр азец остается намагниченны м (точка Е), но в напр авлении пр отивополож ном намагничению в точкеС . Чтобы р азмагнититьобр азец, снова необх о- димоувеличиватьполепер воначальногонапр авления довеличины Н С (участок EF). С увеличением напр я ж енности магнитного поля снова наступает насы щ е- ние(точка А).

Замкнутая кр ивая ACKDEFA получила названиепетли гистер езиса. Е сли внеш нееполеизменя ется , недостигая насы щ ения , то сущ ествует бесконечное множ ество петельгистер езиса, назы ваемы х частны ми или внутр енними циклами. В ер ш ины частны х циклов р асполагаю тся на основной кр ивой намагничения О А. Располагая семейством частны х циклов, по полож ению их вер ш ин мож но постр оить основную кр ивую намагничения (р ис.2а). У читы вая , что В =μ0μН ,

4

или μ= /μ0Н , по основной кр ивой намагничения опр еделя ется зависимость μ=μ (Н ) (р ис.2б). Пр оведя касательную из начала коор динат ккр ивой μ (Н ), как показано на р ис.2а, мож но опр еделить коор динаты В м и Н м точки М , соответствую щ иемаксимальному значению μmax=В м /μ0Н м.

К оличествотеплоты , вы деля ю щ ееся в единицеобъема ф ер р омагнетика з а один циклназы вается удельной теплотой гистер езиса Q

осциллогр аф ир ования петлигистер ез иса ф ер р омагнетика пр иведена на р ис.3.

тр ансф ор матор а идет пер еменны й ток I1, создаю щ ий в сер дечникемагнитное

гдеω1 – числовитков в пер вичной обмотке, l – ср едня я длина магнитопр овода или ср едня я длина окр уж ности сер дечника свнутр енним и внеш ним диаметр а-

6

Д ля интегр ир ования электр ических сигналов в больш инствепр актических случаев использ ую тся конденсатор ы . В качествеинтегр ир ую щ его элемента в сх емер ис.3 пр именя ется конденсатор емкостью С споследовательносоединенны м р езистор ом, сопр отивлениекотор ого R2.

И нтегр ир ованиеоснованона свя з и меж ду током конденсатор а I2 и напр я -

гдеq – зар я д на обкладках конденсатор а.

экр анеосциллогр аф а вдоль гор из онтальной оси “Х ” опр еделя ется величиной напр я ж енности Н , а вдольвер тикальной оси “Y” – величиной индукции , т.е. осциллогр амма отр аж ает зависимостьВ (Н ) ф ер р омагнетика.

Д ля получения количественной зависимости В (Н ) необх одимо пр окалиб- р оватьосиэкр ана осциллогр аф а в единицах В иН илиопр еделитьцену деления сеткиэкр ана погор изонталиΔ X иповер тикалиΔ Y.

Пустьодна из вер ш ин петлигистер езиса, напр имер точка Ана р ис.1, имеет вы р аж енны ев деления х коор динатной сеткикоор динаты NxA [дел] иNyA [дел],

гдеNxН с – коор дината Н С, NyВ о – коор дината В 0, Nxм иNyм – коор динаты точкиМ

пр опор ции.

9.У меньш ая токдоминимальновозмож ного, получитьизар исоватьсемейство из 5 – 7 внутр енних петельгистер езиса (частны х циклов).

10.Рез ультаты измер ений UxA, UyA, NxA иNyA занестив таблицу 1.

О бработкарезультатов измерений

1.Зар исоватьсх ему измер ений.

2.Зар исоватьсемействопетельгистер езиса (на одном р исунке), стр огособлю -

8

Т аблица 1. О сновны еизмер ения .

К онтрольные вопросы

1.Различиемеж ду диамагнетикамиипар амагнетиками.

2.О тличительны еособенностиф ер р омагнетиков.

3.В чем заклю чается я влениегистер езиса?

Ц ель работы: ознакомиться сэлементамиземногомагнетизма и методикой из - мер ения гор изонтальной составля ю щ ей магнитногополя ЗемлиUY.

Э лементы земногомагнетизма

Земля в целом пр едставля ет собой огр омны й ш ар овой магнит. В лю бой точкепр остр анства, окр уж аю щ егоЗемлю , обнар уж ивается действиемагнитны х сил. Следовательно, в пр остр анстве, окр уж аю щ ем Землю , сущ ествует магнитноеполе. М агнитноеполе– особы й вид матер ии. Пр оя вля ется магнитноеполев целом р я деф изических свойств, основны м из котор ы х я вля ется действиена пр оводникстоком. И наобор от – вокр уг пр оводника стоком всегда сущ ествует магнитноеполе. В еличиной, х ар актер из ую щ ей магнитноеполев вакуме(или в воздух е), я вля ется напр я ж енностьмагнитного поля Н . М агнитноеполегр аф и- чески изобр аж ается силовы ми линия ми. В отличиеот силовы х линий электр о- статическогополя , магнитны есиловы елиниивсегда замкнуты .

Н а р ис.1 показаны силовы елиниимагнитногополя Земли. Север ны й геогр аф ический полю сС соответствует Ю ж ному магнитному полю су S, а на Ю ж - ном геогр аф ическом полю сеЮ нах одится Север ны й магнитны й полю сN. Пр и этом наблю дается некотор оенесовпадениегеогр аф ических и магнитны х полю - сов. Сущ ествованиемагнитногополя в лю бой точкеЗемлимож ноустановитьс помощ ью магнитной стр елки. Е слиподвеситьмагнитную стр елку (р ис.2) на ни-

поля . В Север ном полуш ар ииЮ ж ны й конецстр елкинаклонен кЗемлеимеж ду

10

некотор ы м углом α кгеогр аф ическому мер идиану Ю С . У голα назы вается магнитны м склонением. В ектор полной напр я ж енности Н мож нор азлож итьна две составля ю щ ие– гор изонтальную Н 0 ивер тикальную Н В .

М агнитноенаклонениеθ, магнитноесклонениеα и гор изонтальная составля ю щ ая магнитной напр я ж енности Н 0 я вля ю тся элементами Земного магнетизма. Значения этих величин поз воля ю т опр еделитьвеличину инапр авление магнитногополя Земли. Элементы Земногомагнетизма изменя ю тся стечением вр емени. И звестно, что магнитноеполеЗемли в др евниевр емена значительно отличалось от совр еменного. Пер емещ ениемагнитны х полю сов относительно геогр аф ических полю сов пр оисх одит ив настоя щ еевр емя .

М етодикаработы

В р аботеизмер я ю т гор изонтальную составля ю щ ую напр я ж енности магнитногополя Земли пр и помощ и тангенс-гальванометр а. Т ангенс-гальванометр пр едставля ет кр уговой пр оводник, состоя щ ий из n витков пр овода р адиуса r, плотнопр илегаю щ их др уг кдр угу ир асполож енны х в вер тикальной плоскости. В центр евитков помещ ена магнитная стр елка, свободно вр ащ аю щ ая ся вокр уг вер тикальной оси(компас).

М етод основан на пр инципе супер позиции магнитны х полей. Е сли р асполож ить кр уговой пр оводник тангенс-гальванометр а в плоскости магнитного мер идиана и чер ез пр оводник пр опускатьэлектр ический ток I (р ис.3), то стр елка повер нется на уголβ (р ис.4), опр еделя емы й двумя составля ю щ имимаг-

Пр и опр еделении гор изонтальной составля ю щ ей Н 0 измер ения необх одимопр оводитьнесколькор аз сцелью уменьш ения случайной ош ибкиизмер ений. К р ометого, измер енноезначениеН 0 обя зательно содер ж ит неустр анимую сис-