Контрольные вопросы

1. Объяснить в чем состоит явление электромагнитной индукции, самоиндукции и взаимной индукции.

2. Сформулируйте основной закон электромагнитной индукции, эдс самоиндукции.

3. Дайте определение индуктивности.

4. Сформулируйте правило Ленца.

5. Дайте определение действующих значений напряжения и силы переменного тока.

6. Напишите формулы импеданса, реактанса цепи.

7. Дайте определение диа-, пара- и ферромагнетиков.

8. Объясните, в какую сторону и почему изменятся показания амперметра, если при неизменном напряжении в катушку ввести сердечник из: а) диамагнетика; б)парамагнетика; в) ферромагнетика?

9. Изобразите векторную диаграмму и с ее помощью определите сдвиг по фазе между током RLC-цепи и напряжением на ее концах.

10. сформулируйте закон Ома для цепи переменного тока, содержащей RLC-участки. Рассмотрите частные случаи.

11. Получите формулу для определения абсолютной погрешности L.

Лабораторная работа № 9 «Построение петли гистерезиса»

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

Приборы и принадлежности

1. Тороидальный трансформатор;

2. Электронный осциллограф;

3. Понижающий трансформатор 220/42;

4. Источник питания (УИП-2, или делитель напряжения);

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. 1 показана зависимость и .

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 кривой1-2.

Р ис. 1.

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).

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.