Лр4,5 / Лр5 / pdf-формат / ЛР5-4р

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Одесская национальная морская академия Кафедра физики и химии

Лабораторная работа №5-4

Исследование петли гистерезиса ферромагнетика

с помощью электронного осциллографа

УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ

Составили: В.И. Михайленко,

А.А.Горюк,

Ф.А.Птащенко

Утверждено на заседании кафедры, протокол № 2 от 29 сентября 2011 г.

Одесса – 2011

Лабораторная работа №5 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСА ФЕРРОМАГНЕТИКА С ПОМОЩЬЮ

2

многоэлектронного атома равняется векторной сумме спиновых и орбитальных моментов всех электронов этого атома:

общий магнитный момент атома. В зависимости от величины этих моментов все вещества можно разбить на два класса – слабо и сильномагнитные. К слабомагнитным веществам относят диамагнетики и парамагнетики. Сильномагнитными являются ферромагнетики.

У атомов слабомагнитных веществ спиновые магнитные моменты электронов скомпенсированы (электроны „вращаются” в противоположных направлениях), то

орбитального магнитного момента атомов, причем для диамагнетиков pmao 0 , а для парамагнетиков pmao 0 .

Магнитные свойства ферромагнетиков определяются, прежде всего, спиновым магнитным моментом атомов ( pmas 0 ), орбитальные магнитные моменты атомов хотя и не равны нулю, однако существенным образом не влияют на магнитные свойства этих веществ.

Подробно свойства диамагнетиков, парамагнетиков и ферромагнетиков будет рассмотрено ниже.

1.2. Характеристики магнетиков

Введем некоторые характеристики магнитных веществ, которые описывают их состояние и свойства.

Магнитная проницаемость вещества равняется отношению индукции магнитного поля внутри магнетика к индукции магнитного поля в вакууме (индукция магнитного поля B – это его силовая характеристика)

Чтобы охарактеризовать степень намагниченности вещества, вводят понятие вектора намагниченности. Он равняется векторной сумме магнитных моментов всех частиц, содержащихся в единице объема вещества

3

где сумма берется для всех частиц (атомов, молекул), находящихся в объеме V . На основании (4) можно установить, что намагниченность измеряется в амперах на метр (А/м).

В таких же единицах измеряется напряженность магнитного поля H . Напряженность магнитного поля H связана с индукцией магнитного поля B соотношением

где 0 4 10 7 Гнм – магнитная постоянная в СИ. Из выражения (5) видно, что напряженность магнитного поля не зависит от среды (если в магнетике индукция B увеличилась в раз, то величина H , пропорциональная отношению B не изменится).

внешнему магнитному полю – ослабляет его, рис. 3). Таким образом, при внесении диамагнетика во внешнее магнитное поле в него атомах возникают „индукционные микротоки” электронов, магнитные поля которых противоположны внешнему полю. Поэтому суммарное поле в диамагнетиках немного слабее, чем внешнее. Это означает, что диамагнетики немного уменьшают внешнее магнитное поле. Поэтому магнитная проницаемость диамагнетиков немного меньше единицы

Магнитная проницаемость для диамагнетиков не зависит от напряженности магнитного поля H (является константой), причем вектор намагниченности направлен противоположно внешнему магнитному полю ( H J ). Поскольку

4

const , зависимость J (H ) – линейная (чем больше поле – тем больше намагниченность); без внешнего поля намагниченность диамагнетиков исчезает. Диамагнетизм присущий всем веществам, но он проявляется слабее, чем пара и ферромагнетизм, поэтому в таких веществах диамагнетизм компенсируется более сильными эффектами. Примером диамагнетиков является цинк Zn, золото Au, ртуть

Hg.

существуют круговые орбитальные токи. Эти токи атомов (как и рамка) поворачиваются в магнитном поле так, что их собственное магнитное поле становится сонаправленным внешнему. Поэтому парамагнетики усиливают магнитное поле. Для них

Как и у диамагнетиков, магнитная проницаемость парамагнетиков является константой, не зависит от напряженности магнитного поля H . Посколькупарамагн 1, у парамагнетиков вектор намагниченности направлен в ту же сторону, что и магнитное поле ( H J ). Зависимость J (H ) у парамагнетиков также линейная (чем больше поле – тем более намагниченность); без внешнего поля намагниченность парамагнетиков исчезает. Примером парамагнетиков является кислород O2, алюминий Al, платина Pt.

1.5.Ферромагнетики. Гистерезис намагниченности

Уатомов ферромагнетиков спиновый магнитный момент не равняется нулю

6

кривую).

Таким образом, ферромагнетики значительно усиливают магнитное поле, их магнитная проницаемость очень большая, может достигать значений ~103 ...106,

Отметим также, что при росте температуры выше H некоторого значения (точки Кюри), домены разрушаются и ферромагнетики превращаются в

парамагнетики (например, для железа ТК=768 0С). Но, как только они охлаждаются ниже температуры Кюри (Т<ТК), доменная структура восстанавливается.

При перемагничивании ферромагнетика наблюдается явление отставания J от H , которое называют гистерезисом (рис. 8). Пунктиром (кривая 0–1) показано, как возрастает, а потом насыщается намагниченность при первичном намагничивании. Если уменьшать напряженность поля Н, то будет уменьшаться и J, но по кривой 1–2, что лежит выше кривой первичного намагничивания. Это происходит потому, что

магнит с противоположным расположением полюсов. Участок 4 5 6 снова соответствует размагничиванию. Повторное намагничивание в первичном направлении осуществляется уже не по кривой 0 1, а по кривой 6 1. Итак, полный цикл намагничивания и размагничивания ферромагнетика идет по замкнутой кривой, которую называют петлей гистерезиса.

1.6. Применение ферромагнетиков

Магнитные свойства ферромагнетиков предопределяют их широкое

7

применение в электротехнике, автоматике, телемеханике, приборостроении (постоянные магниты, статоры и роторы электрических генераторов, датчики, магнитные запоминающие устройства). По способности к намагничиванию и перемагничиванию ферромагнетики разделяют на магнитотвёрдые и магнитомягкие.

Магнитотвёрдые ферромагнетики намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях ( H ~ 103 104 Aм). Эти материалы характеризуются большой коэрцитивной силой (рис. 9а) и

катушек и трансформаторов.

При намагничивании и размагничивании ферромагнитные тела меняют свои размеры – это явление называется магнитострикцией и применяется для изготовления магнитострикционных преобразователей электромагнитной энергии в механическую и наоборот (излучатели акустических и ультразвуковых колебаний, датчики давления, фильтры, резонаторы, стабилизаторы частоты).

2. Экспериментальная часть

2.1.Цель работы

Исследование зависимости μ(Н). Построение кривой Столетова.

2.2.Приборы и оборудование

Катушка с исследуемым ферромагнитным сердечником, трансформатор, реостат, амперметр, осциллограф.

2.3.Описание экспериментальной установки

Электрическая схема установки для получения петли гистерезиса и измерений

8

В и Н показана на рис. 9.

A

R2

T

~220 В

L

R1

Т – трансформатор, в зазоре которого помещена катушка L с исследуемым ферромагнитным сердечником.

R2 – реостат, который применяют для изменения силы тока в первичной обмотке трансформатора.

А – амперметр, с помощью которого измеряют силу тока в первичной обмотке.

Клеммы U1 и U2 подключены к горизонтальному и вертикальному входам осциллографа.

Объясним принцип действия экспериментальной установки. Задача состоит в том, чтобы наблюдать петлю гистерезиса ферромагнетика, то есть измерять переменные во времени величины J и H. Поскольку намагниченность J пропорциональна индукции магнитного поля B внутри ферромагнетика, то задача сводится к измерению величин B и H.

Напряженность магнитного поля Н в зазоре трансформатора Т пропорциональна силе тока I в его обмотке. С другой стороны, по закону Ома сила тока I пропорциональна падению напряжения U1 на сопротивлении R1 (рис. 9). Поэтому

Можно показать (см. приложение), что индукция магнитного поля В внутри ферромагнетика будет пропорциональной напряжению U2 ,

Электронный осциллограф позволяет одновременно измерять два переменных во времени значения напряжений: величины отклонения электронного луча в горизонтальном и вертикальном направлениях пропорциональные двум падениям напряжения на „вертикальный” и „горизонтальный” входах осциллографа.

Если подать на „горизонтальный” вход осциллографа напряжение U1 , а на „вертикальный” – напряжение U2 , то величина отклонения луча в горизонтальном направлении (х) будет пропорциональной напряженности магнитного поля Н,

а величина отклонения луча в вертикальном направлении (у) будет пропорциональной индукции магнитного поля В

10). Длины этих линий х и у пропорциональны соответственно Н и В, (см. выражения

(11) – (12)).

2.4.Порядок проведения измерений

1. Реостатом R2 устанавливают ток I 0 . Тогда величины напряжений U1 и U2 также будут равняться нулю и на экране осциллографа будет наблюдаться точка (луч не будет отклоняться ни в горизонтальном, ни в вертикальном направлениях). Эту точку с помощью ручек “смещение х” и “смещение у” нужно перевести в центр экрана.