2018-02-13
302
1. Изучите электрическую схему лабораторной установки.
2. Включите лабораторную установку в сеть. При помощи ЛАТРа подавайте напряжение в пределах 50–150 В и снимите показания вольтметра и амперметра при трех различных величинах напряжений. Результаты измерений запишите в табл. 12. В эту же таблицу запишите значение омического сопротивления соленоида (указано на панели лабораторной установки).
3. По формуле (7.7) вычислите общее сопротивление Z для каждого из трех измерений.
4. По формуле (7.8) вычислите индуктивность соленоида для каждого из трех измерений и найдите ее среднее значение.
5. Отключите лабораторную установку. В соленоид вставьте железный сердечник, включите установку и повторите измерения и вычисления, указанные в п. 2 – 4.
Результаты измерений и вычислений запишите в табл. 12.
Т а б л и ц а 12. Результаты измерений и вычислений
| Соленоид | Номер опыта | R, Ом | I, А | U, В | Z, Ом | L, Гн | L ср, Гн |
| Без сердечника | 1 |
|
| ||||
| 2 | |||||||
| 3 | |||||||
| С железным сердечником | 1 |
| |||||
| 2 | |||||||
| 3 |
Контрольные вопросы
1. В чем заключается явление электромагнитной индукции? Сформулируйте закон электромагнитной индукции и напишите его математическое выражение.
2. Сформулируйте правило Ленца для определения направления индукционного тока.
3. В чем заключается явление самоиндукции? Напишите выражение для ЭДС самоиндукции. Какие факторы влияют на величину ЭДС самоиндукции?
4. Что такое индуктивность? От чего она зависит? В каких единицах измеряется? Каков физический смысл индуктивности L?
5. Что такое омическое, индуктивное сопротивления? Напишите формулы для их вычисления.
6. Объясните возникновение индуктивного сопротивления переменному току.
7. Как определяется общее сопротивление соленоида?
8. Какие физические величины необходимо знать для вычисления индуктивности соленоида?
Лабораторная работа 8. ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ
ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
Цель работы: получить зависимость индукции магнитного поля в ферромагнетике и магнитной проницаемости ферромагнетика от величины напряженности намагничивающего поля, определить коэрцитивную силу и остаточную индукцию исследуемого материала.
Приборы и принадлежности: осциллограф, миллиамперметр, вольтметр, ЛАТР, трансформатор, железный сердечник с двумя обмотками, резисторы, конденсатор, переключатель.
Изучите теоретический материал по одному из учебных пособий: [1, гл. VII § 51, 53, 55, 59; 2, гл. ХХ § 20.1, 20.5–20.7; 3, гл. Х § 46–48; 4, гл.III § 29].
При изучении теоретического материала обратите внимание на то, что на любой контур с током, помещенный в магнитное поле, со стороны поля действует вращающий механический момент (рис. 8.1)
,
где 
– магнитный момент контура;
– индукция магнитного поля.
Величина магнитного момента контура определяется выражением
pm=IS,
где I – сила тока в контуре;
S – площадь, охватываемая контуром.
Направление вектора магнитного момента связано с направлением тока правилом правого винта.
Рис. 8.1.
Величина вращающего момента контура
,
где α – угол между векторами 
и 
.
Отсюда, в частности, следует, что вращающий момент сил стремится повернуть вектор магнитного момента в направлении индукции магнитного поля.
Уясните, что магнитные свойства веществ обусловлены наличием в атомах и молекулах элементарных токов, представляющих собой вращающиеся по орбитам электроны. Вращающийся по орбите электрон эквивалентен круговому витку с током.
Магнитный момент электрона, обусловленный вращением его по орбите, получил название орбитального. Вместе с тем электрон обладает еще и собственным магнитным моментом, не зависящим от орбитального и называемым спиновым.
Полный магнитный момент атома складывается из векторов орбитальных и спиновых моментов входящих в его состав электронов.
Обратите внимание, что в ненамагниченном веществе элементарные магнитные моменты атомов расположены хаотично, так что результирующий магнитный момент для вещества в целом равен нулю. При помещении вещества в магнитное поле элементарные магнитные моменты атомов начинают ориентироваться по полю. При этом результирующий магнитный момент вещества уже отличен от нуля, т.е. тело намагнитится.
Таким образом, описанный выше процесс называется намагничиванием вещества.
Следует помнить, что степень намагничивания вещества характеризуется величиной, называемой вектором намагниченности 
. Намагниченность равна суммарному магнитному моменту атомов (молекул), содержащихся в единице объема вещества:
,
где 
– суммарный магнитный момент атомов вещества, содер-
жащихся в объеме V.
Намагниченность вещества зависит от напряженности Н магнитного поля, в которое помещено вещество:
, (8.1)
где 
– магнитная восприимчивость вещества.
Для вакуума напряженность Н и индукция магнитного поля В 0 связаны соотношением
, (8.2)
где 
– магнитная постоянная, равная 
Гн/м.
В намагниченном состоянии вещество само создает некоторое добавочное поле В доб, поэтому суммарное магнитное поле в веществе будет характеризоваться индукцией
В=В 0+ В доб. (8.3)
Здесь В 0 – индукция внешнего магнитного поля, в которое помещено вещество.
Индукция поля, вызванного намагничиванием вещества, пропорциональна намагниченности:
В доб= m 0 J (8.4)
или с учетом формулы (8.1)
В доб= m 0 cН. (8.5)
После подстановки соотношений (8.2) и (8.5) в выражение (8.3) последнее примет следующий вид:
,
или
, (8.6)
где 
– величина, называемая магнитной проницаемостью
вещества.
Запомните, что магнитная проницаемость, как следует из формулы (8.6), показывает, во сколько раз индукция магнитного поля в веществе больше индукции в вакууме при одном и том же значении Н.
Необходимо также обратить внимание на деление всех веществ на три группы: диа-, пара- и ферромагнетики в зависимости от значения магнитной проницаемости. Для диамагнетиков m <1, а для парамагнетиков m >1, хотя отличие m от единицы в том и другом случае незначительно.
Твердо уясните себе причину различия в намагничивании диа- и парамагнетиков, а именно: у диамагнетиков атомы не имеют магнитного момента благодаря полной компенсации орбитальных и спиновых моментов электронов, входящих в их состав. Во внешнем магнитном поле в атоме наводится магнитный момент (электроны атома приобретают движение, дополнительное к орбитальному, вокруг направления внешнего магнитного поля). Эквивалентный этому движению электрона ток создает магнитный момент, направление которого противоположно, по закону Ленца, внешнему полю. Суммарное поле в парамагнетике будет меньше внешнего поля (m <1).
У парамагнетиков суммарный магнитный момент атома отличен от нуля. Внешнее магнитное поле стремится ориентировать магнитные моменты атомов по полю, что приводит к тому, что суммарное поле в парамагнетике будет больше внешнего поля (m >1).
У атомов парамагнетика появляется также наведенный магнитный момент (вспомните диамагнетизм). Однако диамагнитный эффект перекрывается более сильным эффектом ориентации магнитных моментов по направлению внешнего поля.
Намагниченность диа- и парамагнетиков по-разному зависит от теплового движения атомов (температуры). Тепловое движение атомов не может повлиять на наведенный магнитный момент, поэтому намагниченность диамагнетиков не зависит от температуры. Напротив, ориентации магнитных моментов оно мешает, что приводит к уменьшению намагниченности парамагнетиков с ростом температуры.
Необходимо твердо уяснить, что ферромагнетики отличаются от других типов магнетиков тем, что магнитная проницаемость у них значительно больше единицы (m >> 1). Кроме того, m является сложной функцией напряженности внешнего магнитного поля (рис. 8.2).
Особое внимание обратите на то, что ответственными за магнитные свойства ферромагнетиков являются нескомпенсированные спиновые моменты атомов ферромагнетика. При определенных условиях в кристаллах могут возникать силы, выстраивающие спиновые магнитные моменты электронов строго параллельно друг другу, что приводит к возникновению намагниченных отдельных областей вещества, называемых доменами. Размер доменов порядка 10–3 – 10–2 см. В пределах каждого домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и обладает некоторым значением магнитного момента. Для различных доменов направление магнитных моментов разное, вследствие чего суммарный момент в отсутствие внешнего магнитного поля равен нулю, т.е. ферромагнетик в целом не намагничен.
При внесении ферромагнетика в магнитное поле происходит ориентация магнитных моментов не отдельных атомов, а целых доменов. Поэтому уже в небольших полях намагниченность достигает больших значений (рис. 8.3).
При некотором значении напряженности поля все домены будут ориентированы по полю и намагниченность достигнет насыщения.
Рис. 8.2.
Процесс намагничивания-размагничивания ферромагнетика показан на рис. 8.4.
Кривую ОА, отражающую зависимость В (Н), называют основной кривой намагничивания. Обратите внимание, что если, начиная с точки А, соответствующей магнитному насыщению, начать уменьшать напряженность поля, то изменение индукции В пойдет по кривой АВост. Произойдет отставание, т.е. гистерезис, изменения индукции В от изменения напряженности намагничивающего поля. Вследствие этого ферромагнетик при Н =0 будет иметь индукцию Вост, называемую остаточной.
Рис. 8.3.
Для полного размагничивания ферромагнетика необходимо изменить напряженность поля по направлению (изменить направление тока в катушке, в которой находится ферромагнетик) и увеличить ее до значения Нк. Напряженность Нк называется коэрцитивной (задерживающей) силой. Дальнейшее увеличение Н обратного направления вновь приведет к магнитному насыщению (точка А /). При дальнейшем соответствующем изменении Н получится замкнутая кривая, которая названа петлей гистерезиса. Если ферромагнетик не доводить до насыщения, то, действуя по принципу, описанному выше, можно получить семейство петель гистерезиса, как бы вписанных в максимальную петлю гистерезиса. Вершины всех петель гистерезиса лежат на основной кривой намагничивания.
Рис. 8.4.
Следует также уяснить, что с увеличением температуры намагниченность ферромагнетиков уменьшается. При температуре, называемой точкой Кюри, домены разрушаются, ферромагнетик теряет свои свойства и в дальнейшем ведет себя как обычный парамагнетик. При температуре ниже точки Кюри домены возникают вновь.
