- •Глава II. Электрические свойства
- •2.1. Построение эквипотенциальных и силовых линий электростатического поля.
- •I. Теоретическое введение.
- •II. Приборы и принадлежности.
- •III. Выполнение работы
- •IV. Содержание отчета.
- •V. Контрольные вопросы.
- •2.2 Измерение электрических сопротивлений мостиком Уитстона.
- •I. Теоретическое введение.
- •II. Приборы и принадлежности.
- •III. Выполнение работы.
- •IV. Содержание отчета.
- •V. Контрольные вопросы.
- •2.3 Изучение явления термоэлектронной эмиссии и определение работы выхода электрона.
- •I. Теоретическое введение.
- •II. Приборы и принадлежности.
- •III. Выполнение работы.
- •IV. Содержание отчета.
- •V. Контрольные вопросы:
- •2.4 Определение электроемкости конденсатора при помощи милликулонметра.
- •I. Теоретическое введение.
- •II. Приборы и принадлежности.
- •III. Выполнение работы
- •IV. Содержание отчета.
- •V. Контрольные вопросы.
- •2.5 Определение электроемкости конденсатора мостом Сотти.
- •I. Теоретическое введение.
- •II. Приборы и принадлежности.
- •III. Выполнение работы.
- •IV. Содержание отчета.
- •V. Контрольные вопросы.
- •2.6. Резонанс напряжения.
- •I. Теоретическое введение.
- •II. Приборы и принадлежности.
- •III. Выполнение работы
- •IV. Содержание отчета.
- •V. Контрольные вопросы.
- •2.7 Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли при помощи тангенс-буссоли.
- •I. Теоретическое введение.
- •II. Приборы и принадлежности.
- •III. Выполнение работы
- •IV. Содержание отчета.
- •V. Контрольные вопросы:
- •2.8. Снятие кривой намагничивания ферромагнетика.
- •I. Теоретическое введение.
- •II. Приборы и принадлежности.
- •III. Выполнение работы
- •IV. Содержание отчета.
- •V. Контрольные вопросы.
- •2.9 Определение удельного заряда электрона.
- •I. Теоретическое введение.
- •II. Приборы и принадлежности.
- •III. Выполнение работы.
- •IV. Содержание отчета.
- •V. Контрольные вопросы:
- •2.10 Изучение вакуумного диода и определение удельного заряда электрона.
- •I. Теоретическое введение.
- •II. Приборы и принадлежности.
- •III. Выполнение работы.
- •IV. Содержание отчета.
- •V. Контрольные вопросы:
- •2.11 Снятие кривой намагничивания и петли гистерезиса с помощью осциллографа.
- •I. Теоретическое введение.
- •II. Приборы и принадлежности.
- •III. Выполнение работы.
- •Упражнение 1 Снятие кривой намагничивания
- •Упражнение 2. Снятие петли гистерезиса и определение потерь на перемагничивание
- •IV. Содержание отчета.
- •V. Контрольные вопросы.
- •2.12. Градуировка амперметра и вольтметра.
- •I. Теоретическое введение.
- •II. Приборы и принадлежности.
- •III. Выполнение работы.
- •I часть.
- •II часть
- •III часть
- •IV часть
- •IV. Содержание отчета.
- •V. Контрольные вопросы.
- •2.13. Измерение мощности переменного тока и сдвига фаз между током и напряжением.
- •I. Теоретическое введение.
- •II. Приборы и принадлежности.
- •III. Выполнение работы.
- •I часть.
- •II часть
- •IV. Содержание отчета.
- •V. Контрольные вопросы.
- •2.14. Изучение работы электронно-лучевого осциллографа.
- •I. Теоретическое введение.
- •Сложение взаимно перпендикулярных гармонических колебаний. Фигуры Лиссажу.
- •I I. Приборы и принадлежности.
- •III. Выполнение работы.
- •Часть I. Определение амплитудного и действующего переменного напряжения.
- •Часть II Измерение частоты периодического сигнала.
- •Часть III Измерение сдвига фаз сигналов по осциллограмме.
- •Часть IV Измерение сдвига фаз сигналов с помощью фигур Лиссажу.
- •IV. Содержание отчета.
- •V. Контрольные вопросы.
IV. Содержание отчета.
Отчет по работе составляется в произвольной форме и должен содержать:
Краткое описание работы.
Расчетные формулы.
Электрические схемы.
Экспериментальные данные.
Графики i=f(U) и I=f(U3/2).
Результаты расчета.
Выводы.
V. Контрольные вопросы:
В чем заключается условие возникновения электрического тока в вакууме?
Что называется эмиссией электронов? Перечислите виды эмиссии.
Опишите устройство и работу вакуумного диода.
Зарисуйте вольтамперную характеристику вакуумного диода и опишите закономерности, происходящие в диоде при изменении анодного напряжения.
Что называется током насыщения?
Сформулируйте закон Богусловского-Ленгмюра.
Что называется удельным зарядом электрона?
Определите силу тока насыщения в электронной лампе с вольфрамовым катодом для следующих данных: длина нити накала 3 см, диаметр нити накала 3 см, диаметр нити 0,1 мм, абсолютная температура нити накала 2700 К. Эмиссионная постоянная для вольфрама равна 60 .
На рисунке 4, а показана вольтамперная характеристика двухэлектродной лампы, а на рисунке 4, б - зависимость силы тока между пластинами плоского конденсатора от напряжения при несамостоятельном газовом разряде.
С равните эти графики. В чем причина различий? Как изменится график (см. рис. 4, а), если увеличить температуру катода?
10. Отношение работ выхода электронов из платины и цезия равно 1,58. Определите отношение минимальных скоростей теплового движения электронов, вылетающих из этих металлов.
11. Работа выхода электрона из металла 2,5 эВ. Определите скорость вылетающего из металла электрона, если он обладает энергией 10-18 Дж.
12. Определите работу выхода электронов из металла, если плотность тока насыщения двухэлектродной лампы при температуре Т1 , равна j1 , а при температуре Т2 равна j2.
2.11 Снятие кривой намагничивания и петли гистерезиса с помощью осциллографа.
Цель работы: снятие кривой намагничивания и построение петли гистерезиса. Расчеты потерь энергии на перемагничивание.
I. Теоретическое введение.
Магнитное поле в веществе существенным образом отличается от магнитного поля в вакууме.
Опыт и теория показывают, что все вещества, помещенные в магнитное поле, приобретают магнитные свойства, то есть намагничиваются, и поэтому изменяют внешнее (первоначальное) поле. При этом оказывается, что одни вещества ослабляют внешнее поле, их называют диамагнитными веществами (диамагнетиками), другие вещества усиливают внешнее поле - это парамагнитные вещества (парамагнетики). Среди парамагнетиков резко выделяется группа, веществ, вызывающих очень большое усиление внешнего поля. Эти вещества называются ферромагнетиками.
Подавляющее большинство веществ относятся к диамагнетикам. Диамагнетиками являются такие элементы, как фосфор, сера, сурьма, углерод, многие металлы (висмут, ртуть, золото, серебро, медь, и др.), большинство химических соединений (в том числе вода и почти все органические соединения).
К парамагнетикам относятся некоторые газы (кислород, азот) и металлы (алюминий, вольфрам, платина, щелочные и щелочноземельные металлы).
В довольно малочисленную группу ферромагнетиков входят железо, никель, кобальт, палладий, гадолиний и диспрозий, а также некоторые сплавы и окислы этих металлов и некоторые сплавы марганца и хрома. Выясним физические причины диа-, пара- и ферромагнетизма. В атомах и молекулах любого вещества имеются круговые токи, образованные движением электронов по орбитам вокруг ядер - орбитальные токи. Каждому орбитальному току соответствует определенный магнитный момент, называемый орбитальным магнитным моментом,
(1)
где S- площадь орбиты электрона
- число оборотов электрона в секунду
е - абсолютная величина заряда электрона
- скорость электрона
r - радиус его орбиты
Кроме того, электроны обладают собственным, или спиновым, магнитным моментом
(2)
Величина называется магнетоном Бора. Таким образом, спиновый магнитный момент электрона равен одному магнетону Бора Рms=μБ. Оказывается, что орбитальные магнитные моменты электронов в атомах также имеют величину порядка магнетона Бора. Собственным магнитным моментом обладает также ядро атома. Геометрическая сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов и собственного магнитного момента ядра образует магнитный момент атома (молекулы) вещества.
У диамагнитных веществ суммарный магнитный момент атома (молекулы) равен нулю, так как, имеющиеся в атоме орбитальные, спиновые и ядерные магнитные моменты взаимно компенсируются (на рис.1,а атомы изображены точками).
Однако под влиянием внешнего магнитного поля у этих атомов возникает (индуцируется) магнитный момент, направленный всегда противоположно внешнему полю (рис.1, б); индуцированные магнитные моменты изображены стрелками; Н-напряженность внешнего магнитного поля. В результате диамагнитная среда намагничивается и создает собственное магнитное поле, направленное противоположно внешнему полю и поэтому ослабляет его. Индуцированные магнитные моменты атомов диамагнетика сохраняются до тех пор, пока существует внешнее поле. При ликвидации внешнего поля, индуцированные магнитные моменты атомов исчезают, и диамагнетик размагничивается.
У атома (молекулы) парамагнитных веществ орбитальные, спиновые и ядерные магнитные моменты не компенсируют друг друга. Поэтому атомы парамагнетика всегда обладают магнитным моментом, являясь как бы элементарными магнитами. Однако атомные магнитные моменты расположены беспорядочно и поэтому парамагнитная среда в целом не обнаруживает магнитных свойств (рис.1, в).
Внешнее поле поворачивает атомы парамагнетика так, что их магнитные моменты устанавливаются преимущественно в направлении поля, (рис.1, г); полной ориентации препятствует тепловое движение атомов. В результате парамагнетик намагничивается и создает собственное магнитное поле, всегда совпадающее по направлению с внешним полем и потому усиливающее его. При ликвидации внешнего поля тепловое движение сразу же разрушает ориентацию атомных магнитных моментов, парамагнетик размагничивается.
Таким образом, если в пустом пространстве существует магнитное поле, имеющее напряженность , то при заполнении этого пространства однородной средой появляется добавочное магнитное поле . Тогда
(3)
Напряженность связана с вектором намагничивания формулой:
,
Подставив (4) в (3) получим:
(4)
В изотропных магнетиках можно положить, что
(5)
где χ – скалярная величина, зависящая от рода магнетика и его состояния, Она называется магнитной восприимчивостью.
Таким образом из (4) и (5) получим:
(6)
С другой стороны
(7)
Из выражений (6) и (7) следует связь между величинами χ и μ:
(8)
Для диамагнетиков , для парамагнетиков , для ферромагнетика χ>>0.
μ- безразмерный коэффициент пропорциональности, называемый магнитной проницаемостью среды. Коэффициент μ характеризует магнитные свойства среды, ее способность намагничиваться под влиянием внешнего поля. Очевидно, что в вакууме μ=1, у диамагнетиков μ<1, у парамагнетиков μ>1, у ферромагнетика μ>>1. Вообще говоря, у диамагнитных и парамагнитных (исключая ферромагнетики) веществ магнитная проницаемость мало отличается от единицы, как это видно из таблицы, в которой приведены значения магнитной проницаемости некоторых веществ.
Диамагне-тики |
μ |
Парамагне-тики |
μ |
Ферромагнетики |
μ |
Водород |
0,999937 |
Азот |
1,000013 |
Кобальт |
100-180 |
Вода |
0,999991 |
Кислород: |
1,000017 |
Никель |
200-300 |
Медь |
0,999912 |
Алюминий: |
1,000023 |
Железо |
5000-10000 |
Висмут |
.0,999824 |
Вольфрам |
1,000175 |
Сталь |
10000-20000 |
Рисунок 2
У ферромагнетиков магнитная проницаемость не только очень велика, но и непостоянна; она зависит от напряженности намагничивающего поля . С ростом магнитная проницаемость ферромагнетика μ сначала быстро возрастает, достигая максимума, а затем уменьшается, приближаясь (при очень сильных полях) к значению μ=1 (рис.2а). Поэтому, хотя формула (8) остается справедливой и для ферромагнитных веществ, магнитная индукция, в этих веществах уже не будет пропорциональна напряженности намагничивающего поля; при сравнительно небольшой напряженности Нm индукция достигает большого значения Вт (насыщения), после чего она изменяется уже медленно - пропорционально изменению Н (рис2,б), т.е. примерно так, как в парамагнитном веществе. Зависимость магнитной проницаемости μ и индукции магнитного поля ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля была исследована впервые А.Т. Столетовым.
Е сли в ферромагнетике намагниченном, например, до состояния насыщения Вт начнет уменьшаться напряженность Н, то индукция В тоже будет уменьшаться; однако ее уменьшение происходит, не по линии 1-0, а по линии 1-2 (рис.3). При Н=0 ферромагнетик не размагничивается полностью: в нем сохраняется: остаточная намагниченность, характеризуемая магнитной индукцией В0. Для полного размагничивания ферромагнетика, необходимо создать противоположное внешнее поле напряженностью Н= - Нк; эта напряженность называется коэрцитивной силой ( от латинского coercitio - удерживание). При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик начинает перемагничиваться (линия 3-4) и при Н= - Нm намагничивается до насыщения в противоположном направлении (В= - Вт).Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (линия 4-5-6) и вновь перемагнитить до насыщения Вm (линия 6-1). Рассмотренное явление отставания изменений магнитной индукции от изменений напряженности намагничивающего поля называется магнитным гистерезисом, а замкнутая кривая (1-2-4-5-6-1) - петлей гистерезиса (от греческого слова гистерезис-запаздывание).
Коэрцитивная сила характеризует свойство ферромагнетика сохранять намагниченность и наряду с магнитной проницаемостью определяет его применяемость для тех или иных практических целей. Большой коэрцитивной силой обладают углеродистые (4,5) , вольфрамовые и хромовые (5,6 ), алюминево-никелевые (56 ) и другие стали. Эти материалы дают широкую петлю гистерезиса и называются "твердыми" магнитными материалами. Из них изготавливаются постоянные магниты. К "мягким" магнитным материалам, обладающим малой коэрцитивной силой и дающим узкую петлю гистерезиса, относятся: мягкое железо, сплавы железа с никелем, например, Мо - пермаллой (Ре - 16%, Ni - 78,5%, Мо - 3,8%, Нк=3 ), супермаллой (Ре - 15%, Ni - 79%, Мо -5%, Нк=0,3 ) и др. Эти материалы используются для изготовления сердечников трансформаторов.
Площадь, ограниченная петлей гистерезиса, характеризует работу, затрачиваемую внешним полем на однократное перемагничивание ферромагнетика. Перемагничивание ферромагнетика связано с поворотом областей спонтанной намагниченности. Эта работа выделяется в виде теплоты.
Ферромагнетики обладают еще одной существенной особенностью: при определенной (для каждого ферромагнетика) температуре Tк, называемой точкой Кюри, они теряют свои магнитные свойства (у железа Tк =1043К, у никеля Tк=633К, для пермаллоя Tк=823К). При температуре выше точки Кюри ферромагнетик превращается в парамагнетик. При этом он не только теряет свои ферромагнитные свойства, но у него изменяются также теплоемкость, электропроводность и другие физические параметры. Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное не сопровождается выделением или поглощением теплоты, поэтому он является примером фазового перехода второго рода.
Рассмотренные особенности ферромагнетика обусловлены тем, что в нем имеется множество сравнительно крупных самопроизвольно намагниченных до насыщения областей, называемых доменами. Линейные размеры доменов достигают порядка 10-2- 10-4 см.
Д
Рисунок 4
С появлением внешнего поля напряженностью домены, ориентированные своим магнитным моментом в направлении этого поля, начинают увеличиваться в объеме за счет соседних доменов, имеющих иные ориентации магнитного момента; ферромагнетик намагничивается (рис.4,б).
При достаточно сильном поле Нm все домены целиком поворачиваются в направлении поля и ферромагнетик быстро намагничивается до насыщения (рис.4, в).
При ликвидации внешнего поля ферромагнетики полностью не размагничиваются, а сохраняют остаточную магнитную индукцию, так как тепловое движение не в состоянии быстро дезориентировать столь крупные совокупности атомов, какими являются домены. Этим объясняется магнитный гистерезис. Для размагничивания ферромагнетика необходимо приложить коэрцитивную силу. Размагничиванию способствуют также нагревание и встряхивание ферромагнетика. При температуре, равной точке Кюри, тепловое движение оказывается способным дезориентировать атомы в самих доменах, вследствие чего ферромагнетик превращается в парамагнетик.