Описание метода и экспериментальной установки Генераторный метод

Частота колебаний - одна из наиболее просто и точно измеряемых величин в физике и технике. Поэтому удобно сводить измерение различных физических величин к измерению частоты колебаний.

Построим генератор электрических колебаний согласно рис.6.2: L – соленоид, С1 и С2 - конденсаторы по 1М, 10 нФ, 100 нФ, DA1  операционный усилитель из платы модуля «Поле в веществе», R1 и R2 - резисторы, расположенные на той же плате. При подаче питания на микросхему на выводах соленоида появляется гармонический сигнал, а на выходе усилителя (точка А на рис.6.1) - сигнал, близкий к прямоугольному. Убедившись в наличии этих сигналов с помощью осциллографа, будем измерять частоту сигнала на выходе усилителя.

Измерение с помощью ГСФ-2: тумблер таймера «ГЕН/ВНЕШ» поставить в положение "ВНЕШ" и подать сигнал на гнезда "ВХ1" и "ОБЩ".

Частота колебаний:

; (6.2)

Если в соленоид вставить исследуемый образец, то индуктивность колебательного контура изменится. По соответствующему изменению частоты определяется магнитная проницаемость образца.

Индуктивность длинного соленоида без магнетика:

где - линейная плотность числа витков,V - объем, занятый магнитным полем соленоида при условии, что это поле можно считать однородным, а объемом обмотки можно пренебречь. Длина соленоида l =160 мм, число витков N = 1689, объем V = 30 см³ определяется по измерению индуктивности соленоида.

Если в соленоиде поместить образец с магнитной проницаемостью  в форме длинного стержня объемом V₁ , индуктивность станет равной

Измерив частоту колебаний  без магнетика и частоту ₁ с магнетиком, найдём магнитную проницаемость:

(6.3)

Примечание: стержень считается длинным, если отношение его длины к диаметру больше . Если это соотношение не выполняется, то можно лишь утверждать, что магнитная проницаемость образца больше полученного в опыте значения. Вытеснение переменного магнитного поля из проводника за счет скин-эффекта приводит к ослаблению поля внутри проводника, т.е. проводник (неферромагнитный) по отношению к переменному магнитному полю ведет себя также как диамагнетик по отношению к постоянному магнитному полю. Это означает, что наблюдаемая магнитная проницаемость проводника, определяемая по формуле (6.3) должна быть меньше единицы. У ферромагнитных материалов (сталь) эффективная магнитная проницаемость в высокочастотном поле оказывается существенно меньше, чем в постоянном поле.

Частоты колебаний генератора (рис.6.1 и формула (6.2)), без стержня и со стержнем соответственно равны:

; .

В опыте V₁ << V, при этом

Отсюда находим объём вытесненного поля:

Сравнивая этот объем с объемом V₁ помещенного в поле участка проводника (часть длиной l = 120 мм стержня диаметром d = 8,0 мм), делаем вывод о проявлении скин-эффекта. Одновременно сравниваем глубину скин-слоя с диаметром стержня (удельное сопротивление алюминия равно 28, латуни - 63, стали - 110 нОмм).

Обратите внимание, что стальной сердечник не увеличивает, а уменьшает частоту колебаний: влияние высокой магнитной проницаемости на частоту колебаний оказывается сильнее влияния скин-эффекта.