Фізика(готові лабораторні роботи) / Лєва фигня / Лабораторна робота №30

Міністерство освіти та науки України

Житомирський державний технологічний університет

Кафедра фізики

група БМ-6

Лабораторна робота №30

“ПОБУДОВА КРИВОЇ НАМАГНІЧУВАННЯ І СПОСТЕРЕЖЕННЯ ПЕТЛІ ГІСТЕРЕЗІСУ ФЕРОМАГНЕТИКІВ У ЗМІННИХ МАГНІТНИХ ПОЛЯХ”

Виконав : Фадєєв Дмитро Миколайович

Перевірив : Салогуб Віктор Анатолійович

м. Житомир

2004 рік

Мета роботи : вивчити магнітні властивості феромагнетиків з допомогою осцилографа.

Прилади і обладнання: осцилограф, конденсатор, магазин опорів, реостат, тороїд з осердям з феромагнетика, провідники.

Теоретичні відомості

Феромагнетикам властиве явище гістерезісу, яке пов'язане з нелінійною залежністю магнітної індукції В від напруженості магнітного поля Н. Магнітна індукція в середовищі В залежить не тільки від магнітної індукції у вакуумі В₀ у даний момент, а й від того, яке було В₀ раніше, тобто є функцією В₀. Якщо ненамагнічений феромагнетик розмістити в магнітному полі, індукція якого поступово буде збільшуватися, починаючи від нуля, залежність В від В₀ (крива намагнічування) виразиться ділянкою Оа на рис. 1. При подальшому підвищенні індукції В₀ крива намагнічування залишається практично постійною (насичення) і росте тільки за рахунок збільшення В₀.

Оскільки феромагнетику властиве явище залишкового намагнічування, то при зменшенні індукції до 0, крива намагнічування не збігається з Оа, а йде по ab. Величина В = Ob називається залишковим намагнічуванням і є характеристикою феромагнетика.

Для того щоб знищити залишкове намагнічування, потрібно змінити напрям і значення індукції В₀. Величина B₀ = Ос називається коерцитивною силою і також є характеристикою феромагнетика. При подальшому збільшенні магнітної індукції поля знову досягається насичення. Якщо значення індукції зменшити від В₀ = 0d' до нуля, а потім, змінивши напрям, збільшити, здобудемо криву defa. Замкнута крива abcdefa називається петлею гістерезісу. Явище гістерезісу пояснюється доменною структурою феромагнетика.

Якщо намагнічування зразка не доводити до насичення, а потім зменшити індукцію В0, то, діючи за описаним методом, можна одержати ряд часткових петель гістерезісу.

Опис установки

Петлю гістерезісу можна отримати на екрані осцилографа. Якщо на горизонтально відхиляючі пластини подати напругу Ux, пропорційну B₀(t), а на вертикально відхиляючі - Uy пропорційну В(t), то на екрані осцилографа одержимо петлю гістерезісу.

На рис. 2 показана схема установки.

Матеріал, який досліджується, є залізо, з якого виготовлено тороїд (осердя трансформатора И-54), первинна обмотка якого живиться через опір R1, змінним струмом I1. Індукція магнітного поля всередині порожнистого тороїда:

де число витків на 1 м.

У зв'язку з цим напруга на горизонтальних відхиляючих пластинах

тобто пропорційна В0.

Розрахунок показує, що Uy пов'язана з В виразом:

тобто пропорційна В. Тут n2 - число витків на одиницю довжини вторинної обмотки тороїда; S - площа одного витка.

Цей вираз є наслідком закону електромагнітної індукції Фарадея, записаного для випадку електромагнітної взаємодії в тороїді.

У результаті на одні пластини подається напруга, пропорційна В₀, а на інші - пропорційна В, тому на екрані одержуємо петлю гістерезісу B=f(B₀)

За один період синусоїдної зміни струму слід електронного променя на екрані опише повну петлю гістерезісу, а на кожний наступний період - точно її повторить. Змінюючи потенціометром R напругу Ux, одержимо на екрані ряд петель гістерезісу різної площі. Верхня точка петлі гістеризісу перебуває на кривій намагнічування. Для побудови кривої намагнічування потрібно зняти з осцилографа координати nх і nу вершин часткових петель гістерезісу. Після цього обчислюють значення В₀ і В із (30. 1) і (30.2), переписаних у вигляді

Величини Ux і Uy можна визначити, якщо знати значення напруг і , які спричиняють відхилення електричного променя на одну поділку в напрямі осей 0х і 0у при даному підсиленні. Тоді

,

де і - координати вершин петель гістерезісу. Підставляючи останні вирази в значення для В0 і В, матимемо

Порядок виконання роботи

Завдання 1. Зняття кривої намагнічування.

1. Зібрати схему згідно з рисунком.

2. Ввімкнути осцилограф і вивести електронний промінь у центр координатної сітки.

3. Підключити схему до мережі.

4. З допомогою потенціометра досягти, щоб петля гістерезісу мала ділянку насичення.

5. Визначити координати і вершин петлі (рис. 1).

6. Зменшуючи напругу з допомогою потенціометра, одержати на екрані осцилографа сімейство петель гістерезісу. Зняти для кожної з них координати вершин. Вимірювання повторювати доти, поки петля не стане точкою.

7. Визначити чутливість осцилографа і за таким методом:

a) відключити схему від мережі і входів осцилографа;

b) гніздо "Контр. сигнал" на задній панелі осцилографа з'єднати із входом "X";

c) не чіпаючи ручок управління на боковій панелі осцилографа, по масштабній сітці визначити довжини сліду електронного променя;

d) визначити чутливість за формулою :

,

де U_k = 0.7 B – контрольна напруга.

e) аналогічно визначити чутливість .

Вирахувати значення kx і ky за формулами (30.5) і (30.6).

8. Обчислити значення B0 = kxnx і B = kyny для координат вершин усіх одержаних петель гістерезісу.

9. За здобутими даними побудувати графік залежності В = f(B0).

Завдання 2. Зняття петлі гістерезісу і визначення затрат на перемагнічування.

При перемагнічуванні зразка частина енергії магнітного поля витрачається на переорієнтацію доменів. Величина цієї енергії, яка приходиться на одиницю об'єму за одиницю часу, пропорційна площі S₁ петлі гістерезісу:

де – частота змінного струму. Ця частина енергії переходить у теплову.

Площу петлі гістерезісу можна знайти так. Ціна однієї міліметрової поділки в напрямі осі B0, як видно з виразу (30.3), рівна kx, в напрямі В – ky [див. формулу (30.4)]. Тоді площа однієї клітини буде kxky. Якщо петля гістерезіса має N кліток, то площа її

S₁ = kxkyN. (30.8)

Кількість теплоти, що виділяється в одиниці об'єму за 1 с.,

(30.9)

1. Зняти координати 10-12 точок петлі в поділках координатної сітки екрана осцилографа.

2. Нарисувати на міліметровці петлю, добираючи по осях X і У такий самий масштаб, як і на координатній сітці.

3. Підрахувати число n міліметрових клітинок, які охоплюють верхню половину петлі. Обчислюють N = 2n .

4. Обчислюють значення kx і ky за формулами (30.5) і (30.6), а за формулою (30.9) - теплові витрати на перемагнічення.

n	n1 – n2	n1 – 1 – n2	n1 – 2 – n2	n1 – 5 – n2	n1 – 10 – n2	n1 – 20 – n2	n1 – 50 – n2
первинна обмотка	1200	600	300	120	60	30	12
вторинна обмотка	n2 = 1200 витків

Поперечний переріз осердя И-54 - 346 мм2.

Діаметр середнього круга осердя И-54 - 84,5 мм.

nx, мм	24	21	18	16	15	14	12	10	8	6	4
ny, мм	22	21	20	19	18	17	16	15	12	8	4

Чутливість осцилографа:

U_k = 0,7 B

Обчислення значення і

C = 30 мкФ

I = 5 A

kx	nx, м	B0, 10-6		ky	ny, м	B, 10-7
	0.024	3.38			0.022	9.33
	0.021	2.96			0.021	8.90
	0.018	2.54			0.020	8.48
	0.016	2.26			0.019	8.06
	0.015	2.12			0.018	7.63
	0.014	1.97			0.017	7.21
	0.012	1.69			0.016	6.78
	0.010	1.41			0.015	6.36
	0.008	1.13			0.012	5.09
	0.006	0.85			0.008	3.39
	0.004	0.56			0.004	1.70

Завдання 2.

N = 44

Висновок :

Я вивчив магнітні властивості феромагнетиків на основі притаманного їм явища гістерезісу з допомогою осцилографа, застосовуючи при цьому конденсатор, магазин опорів, реостат, тороїд з осердям з феромагнетика, провідники.

Спосіб має переваги в тому, що при його проведенні застосовується не дефіцитне обладнання, прилади та матеріали.

Контрольні запитання

1. Як класифікуються магнетики?

2. Що таке явище магнітного гістерезісу?

3. Якими величинами характеризується магнітні властивості феромагнетика?

4. Чому значення для феромагнетиків велике?

5. Що таке доменна структура феромагнетика?

Відповіді

1). По реакції на зовнішнє магнітне поле всі речовини класифікують на три основні групи: парамагнетики, діамагнетики, феромагнетики. До діамагнетиків відносяться речовини, в яких величина відносної магнітної проникності декілька менше одиниці. Діамагнетизм властивий всім матеріалам.

До парамагнетиків відносяться речовини, в яких магнітна сприйнятливість позитивна і відповідно відносна магнітна проникність незначно більше одиниці.

Феромагнетики – це матеріали, які мають значний власний магнітний момент атомів, їхня магнітна проникність набагато більша одиниці і досягає сотень і тисяч відносних одиниць.

2). Для феромагнітних матеріалів характерний магнітний гістерезіс. Під явищем гістерезісу в загальному фізичному змісті варто розуміти процеси запізнювання зміни однієї фізичної величини при варіації іншої. Стосовно до феромагнетиків мається на увазі запізнювання зміни магнітного поля в речовині при зміні напруженості зовнішнього магнітного поля.

3). Феромагнетики, крім можливості сильно намагнічуватися, мають й інші властиіості. По мірі зростання й намагнічування спочатку зросте швидко, потім повільно й накінець доходить до так названого магнітного насичення. Головна особливість феромагнетика – не тільки велике значення , але й залешність від . Характерна особливість є також в тім, що для них залежність от визначає передісторієй намагнічування феромагнетика. Це явище отримало назву магнітного гістерезису.

При дії на феромагнетик перемінного магнітного поля намагніченність зміниться в співвідношенні з кривою, яка позначається петлею гістерезиса.

Різні феромагнетики дають різні гістерезісні петлі. Феромагнетики з малою коерцитивною силою позначається м’якшими, з великою коерцитивною силою – жорсткими. Величини , , і визначають прилежність феромагнетиків для тих чи інших практичних цілей. Жорсткі феромагнетики використовуються для виготовлення постйних магнитів, а деякі – для виготовлення сердечників та трансформаторів.

Для кожного феромагнетика мається своя температура, позначається точкою Кюрі, при якій він губить свої магнітні властивості.

Процес намагнічування супроводжується зміною його лінійних розмірів і об’єму. Ці явища отримали назву магнітострикції.

4). Відносна магнітна проникність феромагнетика спочатку швидко зростає із збільшенням , досягає максимуму і потім спадає, прямуючи до одиниці при сильних намагнічуючих полях. Це пов’язано з тим, що . Тому при із зростанням і відношення , а .

5). З вивченних механічних явищ випливає, що відповідальним за магнітні властивості феромагнетиків є власні магнітні моменти електронів. За визначених умов у кристалах можуть виникати сили, які примушують магнітні моменти електронів вишукуватись паралельно один одному. В результаті вони виписують області спонтанного намагнічення, якіе також позначається доменами. В межах кожного домена феромагнетик спонтанно намагнічений до насичення і має визначений магнітний момент. Напрямок цих моментів для різних доменів різний. Домени мають розміри порядку мкм.