5. Контрольные вопросы

1. Что такое индуктивность? От чего она зависит?

2. Что такое индуктивное и емкостное сопротивление? Обладает ли им цепь постоянного тока? Почему?

3. В каких единицах измеряют индуктивное и емкостное сопротивления в системе СИ? Докажите свой ответ на основе формул.

4. Может ли ток в цепи переменного тока, содержащий индуктивность и емкость, совпадать по фазе с приложенным к концам этой цепи напряжением? Обоснуйте свой ответ.

5. Как влияет наличие железного сердечника на величину сопротивления катушки? Почему?

6. Какую величину называют импеданс?

Лабораторная работа №2. 0 Изучение магнитных свойств ферромагнетиков.

1. Цель работы: ознакомление с магнитными свойствами вещества. Построение петли гистерезиса и определение потерь на перемагничивание ферромагнетика.

2. Приборы и принадлежности: лабораторный стенд для изучения магнитных свойств ферромагнетиков, электронный осциллограф С1-68.

3. Метод измерений: подавая на входы «Х» и «Y» электронного осциллографа переменные напряжения известной величины, определяют «цену» делений сетки экрана по осям координат «Х» и «Y» и находят потери энергии в ферромагнетике при изменении направления намагничивания.

4. Введение

Магнитное поле, создаваемое электрическими токами, характеризуется индукцией или напряженностью . Индукция поля токов зависит от среды, окружающие эти токи. Это объясняется тем, что все вещества являются магнетиками, то есть под действием магнитного поля намагничиваются. Намагниченное вещество создает поле с индукцией , которое накладывается на поле с индукцией ', создаваемое токами. Оба поля в сумме дают результирующее поле с индукцией = + '.

Д ля объяснения намагничивания вещества Ампер предположил, что в веществе имеется множество элементарных круговых токов. Каждый ток обладает магнитным моментом и создает в окружающем пространстве магнитное поле. При отсутствии внешнего поля такие элементарные токи ориентированы беспорядочно, поэтому создаваемая ими индукция поля равна нулю. Так как магнитные моменты отдельных токов ориентированы при этом хаотически, то суммарный магнитный момент тела также равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты элементарных токов приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении. В результате этого магнетик намагничивается, его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля. Магнитные поля отдельных элементарных токов в этом случае уже не компенсируют друг друга и возникает поле с индукцией ' .

Намагничивание магнетика характеризуется вектором I, определяемым по условию , где - векторная сумма магнитных моментов отдельных молекул в объеме . В системе СИ намагничивание измеряется в А/м. Как показывают опыты вектор намагничивания связан с напряженностью поля в той же точке магнетика соотношением = , где - магнитная восприимчивость вещества – безразмерная величина.

Напряженность поля в магнетиках определяется соотношением:

Для вакуума =0 и . Учитывая выражение для , получаем:

.

Безразмерная величина (1+)=  называется относительной магнитной проницаемостью вещества.

В зависимости от знака и величины  и значения  все магнетики подразделяются на группы:

1. диамагнетики; для них 0 и 1

2. парамагнетики; для них  и 

3. ферромагнетики; для них  и достигает больших значений,  очень велико.

Кроме того, для ферромагнетика магнитная восприимчивость – функция напряженности или индукции внешнего магнитного поля. Поэтому для ферромагнетика индукция результирующего поля В является функцией напряженности или индукции внешнего магнитного поля. Графическое изображение этой функции В= f(В₀) называют кривой индукции. Такая кривая строится опытным путем и для ферромагнетика имеет вид, изображенный на рисунке 1. Видно, что в начале при малых индукциях намагничивающего поля В₀ (участок ОА) В В₀, а затем пропорциональность нарушается и наступает явление насыщения. Так как В=В₀ , то ход кривой показывает, что и = f(В₀). Графическая зависимость = f(В₀) представлена на рисунке 2. Видно, что сначала  сильно возрастает с увеличением В₀, а затем, достигнув максимума, уменьшается и при больших значениях В₀ .

Рисунок 11. 1 Рисунок 11. 2

Примером ферромагнитных веществ, обладающих указанными свойствами, являются железо, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения, а также соединения марганца и хрома с неферромагнитными веществами. Ферромагнетизм присущ всем этим веществам только в кристаллическом состоянии. Кроме нелинейной зависимости В от В₀ для ферромагнетиков характерно также явление гистерезиса. Если довести намагничивание ферромагнетика до насыщения, а затем уменьшать магнитную индукцию внешнего магнитного поля, то намагничивание не следует первоначальной кривой намагничивания оа (рис. 3), а заменяется в соответствии с кривой аb. В результате, когда индукция внешнего магнитного поля В₀ станет равной 0 ( точкаb), намагничивание не исчезает, а характеризуется величиной оb, которая называется остаточной индукцией В_ост.

Рисунок 11. 3

Намагничивание при этом называется остаточным намагничиванием. Намагничивание обращается в ноль лишь под действием поля с индукцией В_к, имеющего направление противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Напряженность Н_к = называется коэрцитивной силой.

Существование у ферромагнетика остаточной намагниченности позволяет изготавливать из них постоянные магниты, то есть тела, которые без затрат энергии на поддержание токов создают в окружающем пространстве магнитное поле.

При действии на ферромагнетик переменного магнитного поля индукция поля в ферромагнетике изменяется в соответствии с кривой аboda. Если максимальное значение В₀ таково, что намагничивание достигает насыщения, получается так называемая максимальная петля гистерезиса (рис.3).

Если же при амплитудном значении В₀ насыщение не достигает, то получается петля , называемая частным циклом. Частных циклов может существовать бесконечное множество, все они лежат внутри максимальной петли гистерезиса.

Гистерезис приводит к тому, что намагничивание ферромагнетика не является однозначной функцией В₀ , а зависит от предшествующего намагничивания ферромагнетика. Так, например, при поле с индукцией В₀ , равной of (рис.3) индукция внутри образца ферромагнетика может иметь любое значение в пределах от f₁ до f₂.

Петлю гистерезиса легко получить на экране осциллографа.