Содержание отчета

1. Формулировка цели работы.

2. Электрическая схема, назначение и характеристики электроизмерительных приборов.

3. Расчетные формулы.

4. Таблицы результатов измерений и вычислений.

5. Графики зависимостей коэффициента взаимной индукции М_ от cos; коэффициента взаимной индукции М_ от частоты f и силы тока I₀ в первом контуре.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление взаимной индукции?

2. Каков физический смысл коэффициента взаимной индукции? Назовите единицы измерения этой величины.

3. Что такое магнитный поток, потокосцепление?

4. Как формулируется закон электромагнитной индукции?

5. В чем состоит суть метода измерения коэффициента взаимной индукции?

6. Какой вид имеет зависимость коэффициента взаимной индукции двух соленоидов от величины угла  между их осями?

Работа 11. Изучение свойств ферромагнетика с помощью осциллографа

Цель работы – получение основной кривой намагничивания В = f(Н) и зависимости  = f(H)ферромагнитного образца путем исследования гистерезисной петли на экране осциллографа.

Общие сведения

Ферромагнетиками называют вещества, обладающие следующими особенностями:

 сильное намагничивание в магнитном поле;

 сохранение намагниченного состояния при отсутствии внешнего магнитного поля;

 нелинейная зависимость магнитной проницаемости  и магнитной индукции от напряженности магнитного поля :

,

где ₀ – магнитная постоянная;  – магнитная проницаемость среды.

Свойствами ферромагнетиков обладают металлы переходной группы: Fe, Ni, Со, Мn.

Кроме нелинейной зависимости B = f(H) для ферромагнетиков характерно также явление гистерезиса – отставание изменения магнитной индукции (и намагниченности ) в ферромагнетиках от изменения напряженности переменного по величине и направлению внешнего намагничивающего поля.

Если размагниченный ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле, напряженность которого непрерывно увеличивается, то магнитная индукция будет возрастать в нем по кривой ОА (рис.1), называемой основной кривой намагничивания.

Е

Рис.1

сли затем, начиная с некоторой точки А, произвести полный цикл перемагничивания, т.е. изменять напряженность магнитного поля от Н_A до –Н_A и от –Н_A до Н_A, то значения магнитной индукции будут изменяться по замкнутой симметричной относительно осей координат В-Н кривой, называемой петлей гистерезиса. Г истерезисная кривая дает значительную информацию о свойствах изучаемого ферромагнетика. Отрезки ОD и ОD, отсекаемые петлей на оси ординат (Н = О), соответствуют остаточной индукции образца. Отрезки ОС и ОС указывают значение напряженности Н_к внешнего магнитного поля, при котором остаточная индукция падает до нуля. Напряженность Н_к называется коэрцитивной силой или коэрцитивным полем. Можно показать, что площадь, охватываемая гистерезисной кривой, пропорциональна энергии перемагничивания ферромагнетика.

Электрическая схема (рис.2) включает источник переменного напряжения (автотрансформатор) и сопротивление R₁ в цепи намагничивающей катушки L₁; вторичную измерительную катушку L₂; ферромагнитный образец О, на который намотаны катушки L₁ и L₂; сопротивление R₂ и конденсатор С в цепи катушки L₂.

Д

Рис.2

ля получения петли гистерезиса на экране осциллографа необходимо подать на горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (вход Х осциллографа) напряжение U_х, пропорциональное напряженности Н намагничивающего поля, а на вертикально отклоняющие пластины – напряжение U_y, пропорциональное индукции В в исследуемом образце. Тогда за один п ериод изменения синусоидального тока в катушке L₁ электронный луч на экране опишет полную гистерезисную петлю и в каждый последующий период повторит ее. Устройство осциллографа см. в работе 2.

При изменении силы переменного тока через катушку L₁ будет изменяться и гистерезисная петля, причем вершины всех петель будут лежать на основной кривой намагничивания (рис.3).

Н

Рис.3

апряжение U_х снимается с сопротивления R₁, соединенного последовательно с намагничивающей катушкой L₁. Ток в намагничивающей цепи I₁ = U_x/R₁, а напряженность намагничивающего поля H = N₁I₁/ , где N₁ и  – соответственно число витков и длина катушки L₁. Таким образом,

.

Следовательно, напряженность намагничивающего поля пропорциональна падению напряжения на сопротивлении R₁.

Напряжение U_у, снимаемое с конденсатора С в цепи катушки L₂, пропорционально индукции В в образце. Известно, что падение напряжения на конденсаторе

, (1)

где q – заряд конденсатора; С – емкость конденсатора; I₂ – ток через конденсатор.

Мгновенное значение тока I₂ в цепи L₂ определяется ЭДС индукции _i, возникающей в катушке L₂, ее индуктивностью и омическим сопротивлением, а также сопротивлением R₂ и емкостью конденсатора С. Омическое сопротивление катушки ничтожно мало по сравнению с R₂. Реактивные сопротивления катушки L₂ и конденсатора С также значительно меньше R₂ вследствие малой индуктивности и большой емкости конденсатора. Поэтому ток I₂ зависит практически только от сопротивления R₂:

. (2)

По закону электромагнитной индукции

, (3)

где – потокосцепление; N₂ – число витков катушки L₂; S – сечение образца; Ф – магнитный поток, пронизывающий образец; В – индукция в образце.

Из выражений (1)-(3) следует пропорциональность U_у и В:

. (4)

Так как напряжение на конденсаторе С в цепи катушки L₂ определяется интегралом тока I₂, то такая цепь в электротехнике называется интегрирующей цепью.

Напряжения U_х и U_у, соответствующие вершине петли гистерезиса, определим, измерив на экране осциллографа координаты вершины петли гистерезиса х_mах и y_mах. Тогда U_x = hх_mах и U_y = by_mах, где h и b – цена деления по осям Ох и Оy соответственно.

Напряженность магнитного поля

. (5)

Аналогично из формулы (4) получим индукцию

. (6)