МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени В.С. Черномырдина»

Губкинский институт (филиал)

Физика

Электричество

«Определение магнитной восприимчивости и

Проницаемости различных веществ»

Методические указания к лабораторной работе №14 для направления подготовки

специалистов:	130400.65	- Горное дело
	190109.65	- Наземные транспортно-технологические средства
бакалавров:	080200.62	- Менеджмент
	140400.62	- Электроэнергетика и электротехника
	220400.62	- Управление в технических системах
	270800.62	- Строительство
	190600.62	- Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов

Губкин, 2011

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени В.С. Черномырдина»

Губкинский институт (филиал)

УТВЕРЖДЕНО

Директором Губкинского

института (филиала) МГОУ

Физика

Электричество

«Определение магнитной восприимчивости и

Проницаемости различных веществ»

Методические указания к лабораторной работе №14 для направления подготовки

специалистов:	130400.65	- Горное дело
	190109.65	- Наземные транспортно-технологические средства
бакалавров:	080200.62	- Менеджмент
	140400.62	- Электроэнергетика и электротехника
	220400.62	- Управление в технических системах
	270800.62	- Строительство
	190600.62	- Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов

Губкин, 2011

УДК 53

Ф 50

Физика. Часть II. Определение магнитной восприимчивости и проницаемости различных веществ: Методические указания к лабораторной работе

№ 14/ Сост. Н.Н.Жданов; Рец. к.т.н. доцент кафедры прикладной механики СМИ (МИСИС) А.М. Сигаев; к. ф-м. н. доцент , зав. кафедры механико-технологических дисциплин ГИ (филиала) МГОУ Погорельский К.С.-

Губкин.: ГИ МГОУ, 2011.- 8с.

Методические указания включают рекомендации и указания по выполнению лабораторной работы, в которой определяется магнитная восприимчивость различных веществ.

Указания содержат краткую теоретическую часть; описание экспериментальной установки, порядок выполнения работы, контрольные вопросы и указана литература по теории.

Предназначены для студентов технических специальностей вузов.

© Губкинский институт (филиал) Московского государственного открытого

университета, 2011.

© Н.Н. Жданов, 2011.

Лабораторная работа № 14

Определение магнитной восприимчивости и

проницаемости различных веществ

Цель работы: индукционным методом измерить магнитную восприимчивость и проницаемость нескольких образцов.

Приборы и принадлежности: генератор Г3-33, вольтметр В7-22А, мультиметр, соленоид с датчиком, образцы материала, соединительные провода.

Теоретическое введение

Любое вещество, помещенное в магнитное поле (оно называется магнетиком), изменяет свои свойства. Магнитные свойства веществ связаны с орбитальным движением электронов в атоме, с заполнением электронных оболочек в атоме, с магнитными свойствами самих электронов и других частиц. У подавляющего большинства веществ магнитные свойства очень слабы. К ним относятся диамагнетики и парамагнетики, которые в отсутствие внешнего магнитного поля не намагничены. Намагниченность количественно характеризуется магнитным моментом единицы объема.

(1)

где J - намагниченность;

P_m - магнитный момент молекулы;

ΔV – физически бесконечно малый объем.

В слабых магнитных полях в пара- и диамагнетиках намагниченность зависит линейно от напряженности внешнего магнитного поля

(2)

где κ – магнитная восприимчивость вещества, характерная для данного магнетика величина, не зависящая от Н.

Ферромагнетики – это вещества, которые в макроскопических объемах имеют магнитоупорядоченное состояние. Магнитоупорядоченное состояние вещества возникает в результате того, что магнитные моменты атомных носителей магнетизма (спиновых магнитных моментов) параллельны в пределах некоторой области вещества (домена). Ферромагнитная атомная структура кубической решетки показана на рис. 1. Такая ориентация магнитных моментов атомов приводит к самопроизвольной (спонтанной) намагниченности вещества, которая характеризуется вектором намагниченности . Спонтанной намагниченность зависит от температуры и уменьшается с ее ростом. Характер этой зависимости иллюстрирует рис.2. где - температура, при которой спонтанная намагниченность обращается в нуль. Эта температура называется точкой Кюри. При Т > ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком.

J_c

_Т

Рис.1 Рис.2

Таким образом, ферромагнетики – это вещества, в которых устанавливается ферромагнитный порядок атомных магнитных моментов. К ним относятся железо, никель, кобальт, гадолиний, их сплавы и соединения, а также некоторые сплавы других элементов. Для ферромагнетиков зависимость J от Н (или В от Н) носит сложный характер. На рис. 3 показан вид этой зависимости для первоначально не намагниченного ферромагнетика (основная или нулевая кривая намагничивания). Из этой зависимости видно, что магнитная восприимчивость κ не может служить характеристикой магнитного состояния ферромагнетика. В этом случае, как магнитная восприимчивость κ, так и магнитная проницаемость вещества

являются функциями напряженности магнитного поля Н.

J μ

J_s

1

О Н Н

Рис.3 Рис.4

Зависимость μ от Н для ферромагнетика приведена на рис.4 В связи со сложной зависимостью μ (Н) вводится понятие дифференциальной магнитной проницаемости

Для ферромагнетиков характерно явление насыщения намагниченности при достаточно высоких полях (рис. 3). Магнитная индуция зависит от магнитного поля не линейно, но при достижении насыщения зависимость переходит в линейную рис.5.

В

Н

Рис.5

Описание лабораторной установки

Для определения восприимчивости различных веществ используется установка, принципиальная схема которой приведена на рис.6

Главной составной частью установки является соленоид L, который имеет длину l= 160 мм; число витков N=1740 и среднее сечение <S> =200 мм² и встроенный в него датчик D₁, представляющий собой катушку длиной l_о=30 мм; с числом витков N_о=1000 и средним сечением <S_о> =102,6 мм².

Соленоид L включен последовательно с генератором Г3-33 синусоидальных сигналов и амперметром, который позволяет контролировать ток через соленоид, изменяя выходное напряжение генератора. Рекомендуемая частота сигнала с генератора должна быть в диапазоне от ν = 200 Гц до ν = 500 Гц.

При протекании через обмотку соленоида переменного тока с амплитудой Ι_m, на оси соленоида создается переменное магнитное поле, амплитуда напряженности которого равна

(3)

Наличие переменного магнитного поля, согласно закона электромагнитной индукции Фарадея, наводит Э.Д.С. в катушке датчика D₁, величина которой регистрируется вольтметром.

При отсутствии образца амплитуда напряжения на датчике равна

(4)

где магнитная постоянная.

Если в соленоид вставить образец в форме длинного стержня и при этом ток через соленоид будем поддерживать неизменным, то магнитный поток в датчике изменится на величину

, (5)

где S – площадь поперечного сечения стержня;

Ј_m – амплитудное значение намагниченности образца.

Напряжение на вольтметре от датчика будет показывать U_m, отличное от U_mо без образца.

При этом ΔU_m на датчике равно

, (6)

где U_m и U_mо – амплитуды, измеренные вольтметром действующих значений напряжений на датчике с образцом и без образца, при неизменной амплитуде тока в соленоиде.

Расчетные формулы для магнитных восприимчивости и проницаемости имеют вид:

(7)

и (8)

Порядок выполнения работы

1. Получить у преподавателя штангенциркуль и исследуемые образцы. Измерить диаметры цилиндрических образцов d, рассчитать площадь поперечных сечений S и занести в таблицу .

2. Собрать схему, приведенную на рис.6, и показать ее для проверки преподавателю. Дать прогреться генератору в течении 5 минут.

3. Выбрать частоту κ в диапазоне указанном выше и зафиксировать амплитуду тока Ι_m через соленоид. Измерить вольтметром напряжение на датчике U_mо без образца. Занести данные в таблицу.

4. Вставить образец в соленоид ручкой выходной мощности генератора установить тот же ток Ι_m, что был без образца и измерить напряжение U_m на датчике. Используя соотношение (1) и (2) рассчитать κ и μ и внести в таблицу.

5. Пункт 4 повторить в соответствии с числом образцов.

Таблица 1

Измеряемая величина	Ферритовый стержень	Алюминиевый стержень	Латунный стержень	Стальной стержень	Спица из мягкой стали	Спица из закаленной стали
d, мм
Ѕ, мм2
ν, Гц
Ιm, mA
Umo
Um
Κ
μ

Контрольные вопросы

1. На какие виды разделяются магнетики?

2. Что такое вектор намагниченности и каков его физический смысл?

3. Что представляет собой магнитная восприимчивость?

4. Что понимается под ферромагнетиками?

5. Охарактеризовать температуру Кюри.

6. Нарисовать кривые намагничивания для диа-, пара- и ферромагнетиков.

7. Что показывает магнитная проницаемость и каков ее физический смысл?

8. Нарисовать схему лабораторной установки и объяснить принцип ее работы.

9. Объяснить принцип работы индукционного датчика.

Литература

1. Трофимова, Т.И. Курс физики [Текст]: учеб.пособ./Т.И.Трофимова.- М: Академия, 2004.- 560с.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики [Текст]: в 5-ти кн.: учеб.пособ. / И.В. Савельев.- М.: Астрель: АСМ, 2005. кн. 2 Электричество и магнетизм, -336 с.