лаборатор электр магнетизм для студентов / Э13

Лабораторная работа № Э13

Исследование намагничивания ферромагнетика с помощью осциллографа

Цель работы: изучить природу ферромагнетизма и свойства ферромагнетиков.

Задача работы: исследовать петлю гистерезиса ферромагнитного образца тороидальной формы.

I. Указания к самостоятельной работе. (взять из работы № 45) II.Описание установки и метода измерений. Для исследования прямых гистерезиса, определения коэрцитивной силы и остаточной индукции в работе применяется осциллографический метод. Позволяющий наблюдать петли гистерезиса на экране осциллографа.

Для получения петли необходимо подать на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа напряжение, пропорционально напряженности Н магнитного поля в образце, а на вертикально отключающие пластинынапряжение, пропорциональное магнитной индукции В

Рис.1 Электрическая схема рабочей установки: 1-потенциометр; 2-тороид; 3-низкоомный резистор; 4-конденсатор; 5-высокоомный резистор;6-осциллограф; 7-ключ

Исследуемым веществом является железо, из которого изготовлен сердечник тороида (2) рис.1

Первичная обмотка тороида с числом витков N1 питается от сети переменного тока 50Гц. Величину напряжения на первичной обмотке

можно изменять потенциометром I. На горизонтально отклоняющие пластины осциллографа (вход Х ) подается напряжение Ux с низкоомного

регистра 3. Это напряжение пропорционально напряженности поля H в образце. Если сила тока в привычной цепи равна I1 , то

где R1 - сопротивление низкоомного резистора.

Напряженность магнитного поля H в тороиде прямо пропорционально числу ампервитков первичной обмотки [I,c.141-145]:

где l- длина образца; n1 -число витков на единицу длины тороида. Из выражения 7 и 8 следует:

Значение электродвижущей силы, индуцируемой во вторичной обмотке,

Так как, по определению потокосцепления, ψ = BSN2 , где B- индукция магнитного потока тороида; N 2 -число витков вторичной обмотки; S- площадь поперечного значения тороида.

Из выражения (10)следует, что напряжение, возникающие на второй обмотке, пропорционально не индукции В, а изменению индукции dB dt .

Поэтому во вторичную цепь включается интегрирующая цепочка, состоящая из конденсатора 4 и высокоомного резистора 5. Напряжение, подаваемое на вертикально отклоняющие пластины осциллографа (вход У) с конденсатора емкостью С, определится по формуле

где Q-заряд конденсатора; I2-сила тока во вторичной цепи. Величину силы тока I2- можно выразить исходя из II правила Кирхгофа:

Где R 2 -сопротивление высокоомного резистора; RC-сопротивление

конденсатора; Rобм -сопротивление вторичной обмотки; R-общее сопротивление вторичной цепи.

Подставив выражения (12) и (10) в формулу (11), окончательно получим

Следовательно, напряжение, подаваемое с конденсатора 4 на вход У осциллографа, пропорционально индукции И в образце. Из приведенных рассуждений ясно, что если подать напряжение Uc на вход У осциллографа, то след электронного луча за один период синусоидального

напряжения на экране кривую В=9f(Н), т.е. полную петлю гистерезиса, а в

каждый следующий период точно ее повторит. Поэтому на экране будет видна неподвижная петля гистерезиса. Изменяя потенциометр I силу тока в первичной цепи, получим на экране осциллографа последовательный ряд (семейство) различных петель гистерезиса. Значения напряженности

Н и индукции В, соответствующие координатам ax и ay вершины петли

гистерезиса, можно получить из соотношений (9)и (13) представленных в следующем виде:

Где ax и ay - координаты осей X иY .

С учетом формулы(15) выражения (14) для определения напряженности магнитного поля Н и индукции В будут иметь вид

III.Программа работы.

1.Получить на экране осциллографа петлю магнитного гистерезиса.

2.Определить основные характеристики ферромагнетика (Нс, Вr, μпред

)

3.Построить график зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля μ = μ (Н)

IV. Порядок выполнения работы.

1.Собрать схему установки (рис.4) и представить ее для проверки лаборанту или преподавателю.

2.Включить осциллограф и прогрев его 0,5 мин., вывести луч в центр координатной сетки.

3.Включить установку в сеть.

4.Получить с помощью потенциометра I(рис.4) и ручек регулировки осциллографа «усиление по вертикали» и «усиление по горизонтали» предельную максимальную петлю гистерезиса. Петля должна занимать большую часть экрана. После регулировки осциллографа изменять усиления по обеим осям в течении всех измерений нельзя.

5.Перенести полученную петлю с экрана на миллиметровую бумагу.

6.Определить и записать в таблицу координаты точек, соответствующих значениям коэрцитивной силы и остаточной индукции.

7.Определить и записать в таблицу координаты ax и ay вершины предельной петли гистерезиса.

8.Получить на экране осциллографа 6-7 петель, уменьшая каждый раз значение напряженности магнитного поля в тороиде потенциометром, пока петля не стянется в точку. Особенно тщательно необходимо определять координаты вершин всех петель гистерезиса и записывать их в таблицу.

9.Вычислить по формулам (16) значение коэрцитивной силы, остаточной индукции и их абсолютные ошибки.

10.Вычислить по формулам (16) напряженность Н магнитного поля и индукции В по координатам вершин ax и ay для всех полученных

петель. Результаты занести в таблицу.

11.Построить на миллиметровой бумаге по данным таблицы основную кривую намагничивания В=В(Н).

12.Рассчитать по данным таблицы относительную магнитную проницаемость для всех значений напряженностей магнитного поля по

13.Построить график зависимости μ = μ(H ) 14.Оценить погрешности измерений Н, В и μ .

V.Вопросы для самоконтроля.

1.Какова природа магнетизма?

2.Что такое ферромагнетики, парамагнетики, диамагнетики?

3.Чем обусловлен полный магнитный момент атома?

4.Что такое домен?

5.Объяснить, как происходит намагничивание ферромагнетиков?

6.Какими единицами измеряется индукция и напряженность магнитного поля. Дайте определение этих физических величин.

7.Что называется намагниченностью магнетика? В каких единицах она измеряется?

8.Каков физический смысл магнитной индукции в магнетике?

9.Что называется магнитной восприимчивостью?

10.Что называется относительной магнитной восприимчивостью?

11.Как связана относительная магнитная проницаемость с магнитной восприимчивостью?

12.Почему значение магнитной проницаемости для ферромагнетиков велико?

13.В чем заключается явление гистерезиса? Что такое петля гистерезиса?

14.Какими причинами обусловлена петля гистерезиса?

15.В чем заключается осциллографический метод исследования ферромагнетиков?

16.Какие характеристики ферромагнетиков относятся к основным?

17.Что называется остаточной индукцией?

18.Как можно объяснить остаточную индукцию?

19.Что такое коэрцитивная сила?

20.Какими способами можно размагнитить образец?

21.Вывести расчетную формулу для нахождения напряженности магнитного поля Н.

22.Вывести расчетную формулу для нахождения индукции магнитного поля.

23.Как определяются величины напряженности и индукции магнитного поля при осциллографическом методе исследования?

24.Записать формулу зависимости В от Н.

25.Как выглядит график зависимости В=В(Н)для ферромагнетика?

26.Как выглядит график зависимости μ = μ (Н) для ферромагнетика? Проанализируйте его.

27.Что такое точка Кюри?