Контрольные вопросы

1. Что такое магнитное поле? Как изобразить магнитное поле графически?

2. Физический смысл напряженности и индукции магнитного поля, единицы их измерения.

3. Как определить направление линий индукции магнитного поля?

4. Сформулировать и записать закон Био-Савара-Лапласа.

5. Используя закон Био-Савара-Лапласа, рассчитать напряженность и индукцию магнитного поля в центре кругового тока.

6. Какова цель работы и порядок выполнения.

7. Назначение составных частей установки и их работа:

а) как устанавливается магнитометр перед работой, почему?

б) как устанавливается магнитная стрелка до включения тока, после включения тока, почему?

в) зачем направление тока в магнитометре изменяют на противоположное?

г) как определить направление вектора индукции магнитного поля магнитометра?

д) что изменится, если магнитометр повернуть на 90, как изменится положение магнитной стрелки при наличии тока, без тока?

е) какие поля и силы действуют на магнитную стрелку, если нет тока и при наличии тока в магнитометре?

8. Как вычислить горизонтальную составляющую индукции магнитного поля Земли.

9. Почему магнитная стрелка магнитометра должна быть малых размеров?

10. Как выполняется работа: что надо измерить и что вычислить?

Лабораторная работа № 7 «Построение петли гистерезиса методом Столетова »

Цель работы: исследовать зависимость магнитной индукции в ферромагнетике от напряженности магнитного поля.

Приборы и принадлежности

Основная схема:

1. Тороидальный трансформатор.

2. Баллистический гальванометр.

3. Ламповый реостат.

4. Амперметр.

5. Двухполюсный переключатель.

6. Соединительные провода.

Схема размагничивания тороида:

1. Автотрансформатор.

2. Реостат.

3. Источник ЭДС.

4. Соединительные провода.

Краткая теория

Всякое вещество является магнетиком, то есть способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Намагниченное вещество создает магнитное поле с индукцией , которое накладывается на обусловленное токами поле с индукцией . Оба поля в сумме дают результирующее поле (принцип суперпозиции):

. (1)

Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые токи (молекулярные токи). Каждый такой ток обладает магнитным моментом и создает в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствии внешнего поля молекулярные токи ориентированы беспорядочным образом, вследствие чего обусловленное ими результирующее поле равно нулю. В силу хаотической ориентации магнитных моментов отдельных молекул суммарный магнитный момент тела также равен нулю. Под действием поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего магнетик намагничивается – его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля. Магнитные поля отдельных молекулярных токов в этом случае уже не компенсируют друг друга и возникает поле с магнитной индукцией .

Для характеристики магнетиков используется вектор намагниченности , магнитная проницаемость , магнитная восприимчивость .

В зависимости от направления и величины собственного магнитного момента вещества различают: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики характеризуются магнитной проницаемостью , т.е. эти тела, внесённые в магнитное поле, ослабляют его. К диамагнетикам относятся медь, золото, серебро, цинк, свинец, висмут, т.е. тела, атомы и молекулы которых характеризуются близким к нулю магнитным моментом в отсутствии внешнего магнитного поля.

Парамагнетики характеризуются . Они несколько усиливают магнитное поле, обычно на сотые доли процента, если их внести в это поле. Собственный магнитный момент парамагнетиков направлен в ту же сторону, что и внешнее магнитное поле. К парамагнетикам относятся щелочные металлы, алюминий, кислород, азот.

Ферромагнетики – вещества, которые могут обладать магнитным моментом (быть намагниченными) даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Для них . При внесении ферромагнетиков во внешнее магнитное поле они усиливают его во много раз. К ферромагнетикам относятся железо и его сплавы, в том числе широко используемые в постоянных магнитах алюминиево-никелевые стали, никель, кобальт, полупроводниковые соединения типа , называемые ферритами.

Описательная теория ферромагнетизма была разработана французским физиком П. Вейсом. Согласно представлениям Вейса в ферромагнетиках при температурах, не превышающих критических значений, характерных для каждого типа ферромагнетика и называемых точкой Кюри, существуют небольшие области с размерами м, самопроизвольно намагниченные до насыщения, это – магнитные домены. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированны хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю и ферромагнетик не намагничен.

Намагничивание слабомагнитных веществ (диамагнетиков и парамагнетиков) изменяется с изменением напряженности внешнего магнитного поля линейно.

Зависимость вектора намагниченности ферромагнетика и магнитной индукции от напряжённости внешнего магнитного поля определяется выражением:

, (2)

, (3)

где - магнитная восприимчивость ферромагнетика;

– магнитная постоянная.

Магнитная индукция в слабых полях растет быстро с ростом , вследствие увеличения намагниченности ферромагнетика , а в сильных полях, поскольку слагаемое , растет с увеличением по линейному закону. На рис. 10.1 показана зависимость и .

Рис. 1.

Характерная особенность ферромагнетиков состоит в том, что для них размагничивание отстает от намагничивания. Это явление получило название магнитного гистерезиса (рис. 1). Если довести намагничивание до насыщения (т.1 рис.1), а затем уменьшать напряженность внешнего магнитного поля, то уменьшение индукции следует не по первоначальной кривой 0-1, а изменяется в соответствии с кривой 1-2. В результате, когда напряженность внешнего поля станет равной нулю (т.2) намагничивание не исчезает и характеризуется величиной , которая называется остаточной индукцией.

Чтобы исчезла остаточная индукция в ферромагнетике, нужно создать внешнее магнитное поле, по направлению противоположное первоначальному.

Величина напряженности внешнего магнитного поля, при которой исчезает остаточная индукция, называется коэрцитивной силой (отрезок 0-3 рис. 1).

Если увеличивать напряженность отрицательного внешнего поля, то образец снова намагничивается; при этом намагничивание будет происходить по кривой 3-4 и ферромагнетик намагнитится в направлении противоположном первоначальному.

Уменьшая напряженность можно получить участок кривой 4-5 (см. рис. 1). Изменив направления намагничивающего поля и увеличивая его напряженность можно получить участок кривой 5-6-1.

Так получается замкнутая кривая, которая носит название петли гистерезиса.

Зависимость была впервые получена и подробно исследована русским ученым А.Г.Столетовым. Разработанный им баллистический метод измерения магнитной индукции будет использоваться в данной лабораторной работе.