Изучение зависимости магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности магнитного поля

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я   Р А Б О Т А  17

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Построение графика зависимости магнитной проницаемости ферромагне­тика от напряженности магнитного поля  и основной кривой намагничивания .

 

2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики -М.: Высшая школа, 1989. -§§ 24.3, 24.5, 25.2.

2. Калашников С.Г. Электричество. -М.: Наука, 1977.-§§ 93, 109-110, 119.

 

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Среды, изменяющие внешнее магнитное поле, называются магнетиками.

По магнитным свойствам все вещества в природе делятся на 5 видов: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (фериты).

Магнитную активность проявляют все вещества без исключения, следовательно, магнитные свойства их определяются элементарными частицами, входящими в состав каждого атома: электроны, протоны, нейтроны.

Ферромагнетики — это вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т.е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам кроме основного их представителя — железа (от него и идет название «ферромагнетизм») — относятся, например, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения.

Ферромагнетики помимо способности сильно намагничиваться обладают еще и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагнетиков. Если для слабомагнитных веществ зависимость  (намагниченности) от   (напряженности магнитного поля) линейна, то для ферромагнетиков эта зависимость, впервые изученная в 1878 г. методом баллистического гальванометра для железа русским физиком А.Г.Столетовым (1839—1896), является довольно сложной (см. рис. 1). По мере возрастания  намагниченность  сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается так называемое магнитное насыщение , уже не зависящее от напряженности поля.

Подобный характер зависимости  от  можно объяснить тем, что по мере увеличения намагничивающего поля возрастает степень ориентации молекулярных магнитных моментов по полю. Однако этот процесс начнет замедляться, когда остается все меньше и меньше неориентированных моментов, и, наконец, когда все моменты будут ориентированы по полю, дальнейшее уве

личение  прекращается и наступает магнитное насыщение.

 

 

                         Рис. 1                                                            Рис. 2

 

Магнитная индукция  в слабых полях растет быстро с увеличением  вследствие возрастания , а в сильных полях, поскольку второе слагаемое постоянно ,  возрастает с увеличением  но линейному закону (рис. 2).

Существенная особенность ферромагнетиков — не только большие значения  (например, для железа — 5000, для сплава супермаллоя — 800 000!), но и зависимость  от  (рис. 3). Вначале  растет с увеличением , затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 (, поэтому при  с ростом , отношение , а ).

 

                                                   Рис. 3

(1)

Ферромагнетики — это сильные магнетики, обладающие особыми магнит^­ными свойствами. Магнитная проницаемость ферромагнетиков  зависит от напряженности  магнитного поля. По этой причине от величины  зависят и те характеристики контура, которые связаны с магнитной проницаемостью среды, например, индуктивность соленоида :

(2)

и его индуктивное сопротивление переменному току :

где — магнитная постоянная; N —число витков соленоида, S — площадь попе­речного сечения сердечника соленоида;  — длина средней осевой линии сердеч­ника;  — циклическая частота переменного тока ().

(3)

В данной работе измерение магнитной проницаемости сердечника  ос­новано, согласно формуле (1), на измерениях индуктивности L катушки и ее геометрических параметров ,   и S. Для определения индуктивности достаточ­но измерить индуктивное сопротивление катушки переменному току известной частоты . Полное сопротивление катушки переменному току

так как обычно , то величиной активного сопротивления катушки  мож­но пренебречь по сравнению с индуктивным сопротивлением переменному то­ку частоты 200 Гц.

(4)

Закон Ома позволяет определить величину  путем измерений тока  и напряжения  на участке цепи, содержащем соленоид:

(5)

Расчетная формула для определения магнитной проницаемости, получен­ная с использованием выражений (1) - (4), имеет следующий вид:

где  — постоянная установки.

(6)

Напряженность магнитного поля, которое создается в кольцевом сердеч­нике при протекании по обмотке тока , можно рассчитать по формуле

(7)

Таким образом, каждому значению тока  соответствуют определенная напряженность магнитного поля , магнитная проницаемость сердечника
и индукция магнитного поля :

Определяя величины ,  и  при различных токах, можно экспериментально установить следующие зависимости:

а)  — зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля (основная кривая намагничивания ферромагнетика);

б)  — зависимость магнитной проницаемости сердечника от напря­женности магнитного поля.

4. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1. Миниблок «Ферромагнетик».

2. Миниблок «Сопротивление».

3. Генератор сигналов специальной формы.

4. Мультиметры.

5. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Электрическая схема установки показана на рис. 4, монтажная — на рис. 5.

 

 

Рис. 4. Электрическая схема:

1 — генератор сигналов специальной формы; 2 — мультиметр (режим A~200 мА, входы COM, А); 3 — блок «Сопротивление»,  Ом; 4 — мультиметр (режим V~2 В, входы COM, VΩ); 5 — кольцевой сердечник с обмотками и ; 6 — блок «Ферромагнетик»

На кольцевой сердечник 5, изготовленный из исследуемого ферромаг­нитного материала, намотаны  проволочных витков. Эта обмотка, по которой пропускают переменный ток частоты 200 Гц, служит для намагничивания маг­нетика, и по ее параметрам определяют напряженность  намагничивающего поля. Генератор сигналов специальной формы 1 позволяет изменять напряже­ние , а следовательно, и ток  в обмотке тороида. Эти величины измеряют со­ответственно вольтметром 4 и миллиамперметром 2.

 

Рис. 5. Монтажная схема
2, 3, 4, 6 — см. рис. 4

6. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Запишите в таблицу параметры установки и исследуемого образца:

Таблица 1.

Условия эксперимента

Число витков обмотки тороида	Длина средней осевой линии сердечника	Площадь сечения сердечника	Циклическая частота.	Постоянная установки
=100	= 37,7 мм	=25 мм2	= 400 πc-1

 

2. Соберите электрическую цепь по монтажной схеме, приведенной на рис.5.

3. Перед включение показать собранную схему преподавателю или инженеру.

4. Включите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжений и блока мультиметров. Нажмите кнопку «Исходная установка».

5. Кнопками установки частоты «0.2-20 кГц» установите 200 Гц.

Таблица 2.

, В	, мА	, А/м		, мТл
.	5	.	.	.
.	.	.	.	.
.	.	.	.	.
.	. . .	. . .	. . .	. . .
.	55	.	.	.

6. Кнопками установки уровня «0 - 15 В» генератора сигналов специальной формы установите в обмотке тороида ток  5 мА. Запишите в таблицу показания тока и напряжения.

7. Изменяя ток в обмотке тороида с шагом 5 мА до 55 мА, измерьте напряжения. Запишите в таблицу показания тока и напряжения.

8. Выключите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжений и блока мультиметров.

9. По требованию преподавателя повторить пункты 1-8, но для 200 витков в обмотке тороида.

7. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Вычислите постоянную установки  в соответствии с формулой (5):

Результат расчетов запишите в таблицу 1.

2. Для каждого значения тока рассчитайте величины ,  и  по формулам (6), (5) и (7). Результаты расчетов запишите в таблицу.

3. По данным таблицы постройте основную кривую намагничивания       и график зависимости   

4. В выводе по работе отразите особенности формы опытных кривых:

а) сопоставьте ход кривой намагничивания с положением максимума на графике ;

б) сравните полученные кривые с известными теоретическими и экспериментальными зависимостями.

8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое магнитная проницаемость?

2. Классификация магнетиков по магнитной проницаемости.

3. Как ведут себя диа- пара- и ферромагнетики во внешнем магнитном поле?

4. Покажите вид основной кривой намагничивания  и графика зависимости относительной магнитной проницаемости от напряженности

  магнитного поля для ферромагнетиков:

а) при ;   б) при ; (  — температура Кюри).

5. Чем отличается основная кривая намагничивания ферромагнетика от ана­логичной зависимости  для неразмагниченного образца?

6. Назовите характерные свойства ферромагнетиков и особенности их на­магничивания.

7. Опишите изменения доменной структуры ферромагнетика в процессе его намагничивания (по мере роста напряженности поля ).

8. От каких величин зависят:

а) напряженность  магнитного поля тороида;

б) индукция  магнитного поля тороида с ферромагнитным сердечником;

в) магнитная проницаемость  сердечника тороида?

9. Какая зависимость составляет основу метода определения магнитной проницаемости сердечника?

10. Какой закон используется в работе для определения полного сопротивле­ния катушки в цепи переменного тока?

11. Какие измеряемые величины входят в расчетную формулу для магнитной проницаемости сердечника?

12. Какие экспериментальные зависимости можно получить, определяя ,  и  при различных токах?

13. Какой элемент электрической цепи служит для изменения напряжения ?

14. Какие формулы используют для определения следующих величин:

а) напряженности  магнитного поля в сердечнике;

б) магнитной индукции ;

в) магнитной проницаемости  материала сердечника?

15. Какие измеренные величины используются для построения основной кривой намагничивания?