- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Задание 1. Определение входной емкости осциллографа с0
- •Задание 2. Определение диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Перепишем соотношение (1.7) в виде
- •Так как объемная плотность энергии электрического поля
- •Экспериментальная часть
- •Лабораторная работа 2-03 Определение емкости конденсаторов при помощи мостиковой схемы
- •Теоретическое введение
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Определение удельного сопротивления проводника
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников
- •Фрагмент 2
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная установка
- •Контрольные вопросы
- •Изучение зависимости мощности и кпд источника тока от величины нагрузки
- •Теоретическое введение
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Экспериментальная часть Приборы и оборудование
- •Методика измерений
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическое введение
- •Принципиальная электрическая схема
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Изучение работы осциллографа
- •Введение
- •Контрольные вопросы.
- •1. Савельев и.В. Курс обшей физики: Электричество и магнетизм.Волны. Оптика: Учебное пособие. T.2.- 2-е изд.- м.:Наука. 1982.-§ 73. -с.210-212.
- •Проверка закона Био-Савара-Лапласа и определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли
- •Теоретическое введение
- •Лабораторная работа 2-15 Изучение эффекта Холла в полупроводнике
- •Измерительная установка и методика измерений
- •Задание
- •Порядок действий.
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическое введение
- •Приборы и оборудование
- •Методика измерений
- •По закону Фарадея эдс индукции по вторичной обмотке
- •Из выражения (5.15) и (5.16) получаем
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Метод измерения
- •Индукция магнитного поля соленоида, длина l которого соизмерима с диаметром d:
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Определение удельного заряда электрона с помощью индикатора 6е5с
- •Введение.
- •Описание метода и установки.
- •5. Зисман г.А. Тодес о.М. Курс общей физики. Электричество.-4-е изд. -м.: Наука. 1972. - § 36,37. С.226-238.
- •Теоретическое введение
- •Функциональная схема представлена на рисунке 7.7 где:
- •Контрольные вопросы
- •Изучение явления резонанса в колебательном контуре
- •Теоретическое введение
- •Электрическая схема установки
- •Экспериментальная часть
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическое введение
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Контрольные вопросы
Порядок действий.
-
Ознакомиться с методическим пособием и получить у преподавателя направление и величины токов через электромагнит и преобразователь.
-
Диапазоны изменения токов разделить на 6…8 приблизительно равных интервалов. Снять соответствующие зависимости ЭДС Холла от силы тока. Iэм и Iп (по указанию преподавателя).
-
По графику В=f(Iэм) рис.4 связать ток электромагнита и индукции в его зазоре.
-
По формулам (3) и (4) рассчитать постоянную Холла R и подвижность носителей заряда.
-
Результаты занести в табл.2
Таблица 2
Ток эл.магнита Iэм,мА |
Индукция в зазоре, Тл |
Ток преобразователя Iп, мА |
ЭДС Холла, Иx, мВ |
Постоянная Холла,R |
Подвижность,μ |
|
|
|
|
|
|
Контрольные вопросы
-
В чем заключается эффект Холла?
-
Чем объясняется эффект Холла?
-
Для каких целей практически используется эффект Холла?
-
Выведите формулу для холловской разности потенциалов.
-
Каков знак носителей тока в изучаемом образце?
В,Тл
4,00
3,00
2,00
1,00
0,1 0,2
0,3 Iэм,
mA
Рис.4.
График зависимости индукции магнитного
поля В от тока, проходящего через
электромагнит
Литература
-
Калашников, Н.П. Основы физики: Учеб. для вузов: В 2 т. / Н.П.Калашников, М.А.Смондырев. - 2-е изд., перераб. – М.: Дрофа, 2003. Т.1. – 400 с., § 14.5.
-
Детлаф, А.А. Курс физики: Учеб. пособие для вузов/ А.А. Детлаф, В.М. Яворский. - М.: Высш.шк., 1989.- 608 с., § 23.2.
-
Савельев, И.В. Курс общей физики/ И. В. Савельев. - М.: Наука, 1978. Т.2. - 480 с., § 79.
-
Трофимова, Т.И. Курс физики/ Т.И. Трофимова.-М.: Высш. шк., 1999.-542 с., § 117.
Лабораторная работа 2-16
Изучение гистерезиса ферромагнитных материалов (ФПЭ-07)
Цель работы – изучение гистерезиса ферромагнитных материалов, расчет и графическое построение основной кривой намагничивания, расчет работы перемагничивания и коэрцитивной силы.
Теоретическое введение
Все вещества обладают магнитными свойствами, т.е. являются магнетиками. Магнитные свойства веществ определяются величиной и ориентацией магнитных моментов молекул, ионов или атомов. Магнитный момент плоского контура площадью S, по которому течет ток I, определяется по формуле:
(5.1)
где - единичный вектор нормали, направление которого определяется по правилу правого винта. В магнитном поле с индукцией В на замкнутый контур с током действует механический момент сил:
, (5.2)
к оторый стремиться повернуть контур так, чтобы направления и совпадали. Контур с током создает также собственное магнитное поле с индукцией , совпадающее по направлению с магнитным моментом контура. В устойчивом состоянии контура, когда , вектор индукции в любой точке плоскости внутри контура всегда больше вектора индукции внешнего магнитного поля. Увеличение индукции внутри контура с током в магнитном поле качественно объясняет увеличение индукции в ферромагнетике, помещенном во внешнее магнитное поле.
Намагничивание вещества объясняется наличием у составляющих его атомов, молекул, ионов микроскопических магнитных моментов: электронного орбитального , электронного собственного (спинового) , ядерного . Электронным орбитальным магнитным моментом обладает электрон, движущийся вокруг ядра атома (рис. 5.1). Такой электрон подобен плоской круговой рамке с током , имеющей магнитный момент , где е – заряд электрона, ν – частота вращения, r – радиус круговой орбиты. Направление магнитного момента противоположно направлению механического момента импульса (рис. 5.2). и связаны соотношением , где mе – масса электрона.
Спиновой магнитный момент (рис. 5.1) является неотъемлемым свойством электрона. Единицей магнитного момента является магнетон Бора:
Ам2,
где ħ – постоянная Планка.
Ядерный магнитный момент либо равен нулю, либо на три-четыре порядка меньше в и его влиянием можно пренебречь. При отсутствии поля приближенно можно считать, что магнитный момент атома
, (5.3)
где Z – число электронов в атоме.
Магнитный момент молекулы , где N – число атомов в молекуле.
Во внешнем магнитном поле на электрон атома, как на замкнутый контур с током, действует момент сил (рис. 7.2). Под действием этого момента сил электрон, подобно механическому волчку, будет совершать прецессию, при которой векторы и описывают с постоянной угловой скоростью конус вокруг направления поля. Это дополнительное движение электрона приводит к появлению у него магнитного момента прецессии , направленного против магнитного поля . Это явление носит название диамагнитного эффекта. При наличии внешнего магнитного поля магнитный момент атома
(5.4)
Намагниченность равна магнитному моменту единицы объема магнетика:
(5.5)
где ∆V – малый объем магнетика; – сумма магнитных моментов всех молекул в объеме ∆V. Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля:
(5.6)
где χ – коэффициент пропорциональности, называемый магнитной восприимчивостью вещества. Магнитные свойства вещества характеризуются также магнитной проницаемостью μ. χ и μ связаны соотношением
(5.7)
В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все вещества делятся на три группы:
-
Диамагнетики – вещества (например, инертные газы), у которых при отсутствии внешнего магнитного поля орбитальные и спиновые моменты атомов или молекул скомпенсированы. Во внешнем магнитном поле в результате прецессии появляются индуцированные магнитные моменты , направленные против поля, а магнитная восприимчивость отрицательна χ=-(10-6…10-8).
-
Парамагнетики – вещества, у которых при отсутствии внешнего поля или , а вследствие хаотической ориентации магнитных моментов или . Во внешнем магнитном поле под действием вращающего момента сил магнитные моменты ( и ) вещества стремятся сориентироваться в направлении поля, в результате чего J>0 и χ>0 (χ=10-4…10-6).
-
Ферромагнетики – это кристаллические вещества, у которых магнитные моменты отдельных ионов . У ферритов элементарную ячейку кристалла образуют ионы различного типа, у ферромагнетиков – одного типа. Как показали опыты Эйнштейна и де Гааза, а также опыты Н.Ф. Иоффе и П.Л. Капицы, магнитный момент иона ферромагнетика обусловлен упорядоченной ориентацией спиновых магнитных моментов.
Ч асть ферромагнетика, в которой все магнитные моменты при отсутствии внешнего поля устанавливаются в одном направлении за счет обменного взаимодействия, называется доменом (рис. 5.3,а). Домен обладает магнитным моментом . Размеры доменов составляют l=10-8…10-6 (м3). При отсутствии внешнего магнитного поля магнитный момент ферромагнетика .
Между доменами А и В имеются переходные слои С (рис. 5.3, б) шириной l1=10-9…10-8 м. Внутри переходного слоя магнитные спиновые моменты ионов поворачиваются до тех пор, пока не примут нужного направления. Во внешнем магнитном поле переходные слои разрушаются. Магнитные моменты отдельных доменов поворачиваются в направлении магнитного поля (рис. 5.3, в).
Зависимость намагниченности J магнетиков от напряженности Н внешнего магнитного поля изображена на рис. 5.4. Нелинейная область I отражает процесс ориентации доменов в ферромагнетиках в направлении внешнего поля при возрастании напряженности Н. В сильных полях (область II) наступает магнитное насыщение и намагниченность практически не зависит от напряженности поля Н. Кривая носит название основной кривой намагничивания. Для пара- и диамагнетиков зависимость линейная.
Рис.5.4 Рис.5.5
У ферромагнетиков и ферритов имеет место магнитный гистерезис, в котором проявляется зависимость намагниченности от предшествующего состояния. При циклических изменениях величины и направления напряженности внешнего поля Н эта зависимость характеризуется кривой, называемой петлей гистерезиса (рис. 5.5, кривые 1, 2, 3). Если ферромагнетик был первоначально размагничен (В=0, Н=0), то его намагничивание происходит по основной кривой намагничивания ОА. В точке А напряженность НН и индукция ВН соответствует состоянию магнитного насыщения. Его размагничивание происходит по кривой 1 (A-Bост-HC-A). При Н=0 намагниченность ферромагнетика не исчезает: В=Вост. Это состояние называется остаточным магнетизмом. Напряженность (-НС), при которой исчезает остаточная намагниченность (В=0, Н=-НС), принято называть коэрцитивной силой. Если при циклическом намагничивании , то мы получаем максимальную петлю гистерезиса I. Кривые 2 и 3 – это частные циклы, когда . Максимумы В и Н частных циклов лежат на основной кривой намагничивания ОА. Условно принято считать ферромагнетики жесткими, если А/м. Если А/м, ферромагнетики считаются мягкими. Магнитная проницаемость μ ферромагнетика зависит от напряженности магнитного поля Н (рис. 5.6). Магнитная проницаемость достигает максимума, когда напряженность Н внешнего поля становится равной напряженности Нн, при которой домены максимально ориентируются по направлению поля (рис. 5.3, в) и при этом достигается магнитное насыщение образца. В табл. 5.1 приведены характеристики некоторых ферромагнетиков и ферритов.
Таблица 5.1
Вещество |
макс |
Hс ,А/м |
Bост,Тл |
Железо техническое Супермаллой Сталь кобальтовая Феррит никель-цинковый |
5000 1000000 - 7500 |
80 0.16 2000 4 |
0,06 - 0,9 - |
Экспериментальная часть