Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 21
Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 2 - Зависимость индукции магнитного поля в ферромагнетике от напряжённости магнитного поля (петля гистерезиса)
В
Вmax A
B
Br
C К
E
D HC HC
μ
μmax
1
0 H
АА
РА
TV2
PU
220 B TV1 C К входу «Y»
осциллографа
R1 R2
К входу «Х»
осциллографа
Лабораторная работа № 33
ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
1. Изучить процесс намагничивания ферромагнетика.
2. Исследовать зависимость индукции магнитного поля в ферромагнетике и магнитной проницаемости ферромагнетика от величины напряженности магнитного поля.
Силовой характеристикой магнитного поля, определяющей его воздействие на движущиеся заряды, является вектор магнитной индукции. В вакууме магнитная индукция обусловлена токами проводимости, создающими магнитное поле. В веществе индукция магнитного поля определяется не только токами проводимости, но и движением электронов в атомах вещества, а также наличием у электронов и атомных ядер собственных (спиновых) магнитных моментов. Поэтому для описания магнитного поля в веществе удобнее использовать наряду с вектором магнитной индукции вспомогательный вектор (напряженность магнитного поля), который вводится следующим образом:
(1)
где Гн/м – магнитная постоянная, - вектор намагниченности, равный магнитному моменту единицы объема вещества.
Вектор напряженности магнитного поля зависит только от токов проводимости. В вакууме величины и совпадают с точностью до постоянного множителя :
(2)
В веществе вектор определяет тот вклад в магнитную индукцию , который дают токи проводимости, то есть внешние источники поля.
Величина намагниченности связана с вектором соотношением:
(3)
где χ – магнитная восприимчивость вещества, которая в общем случае может быть сложной функцией температуры и напряженности магнитного поля.
Подставив выражения (2) – (3) в формулу (1), получим:
(4)
Отсюда:
(5)
где - магнитная проницаемость вещества.
Магнитная восприимчивость χ в зависимости от природы вещества может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Вещества, магнитная восприимчивость которых отрицательна, называются диамагнетиками. Они намагничиваются против внешнего поля. Вещества с положительной магнитной восприимчивостью намагничиваются по внешнему полю. Их можно разделить на два класса: парамагнетики и ферромагнетики. Магнитная восприимчивость диа- и парамагнетиков мала (порядка 10-4 – 10-6) и слабо зависит от величины внешнего магнитного поля и температуры. Следовательно, магнитная проницаемость диа- и парамагнетиков близка к единице.
Характерными особенностями ферромагнетиков являются:
Рисунок - Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от напряжённости магнитного поля (кривая Столетова)
Ферромагнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт, редкоземельные металлы, сплавы на их основе и их соединения.
Особые свойства ферромагнетиков обусловлены тем, что даже в состоянии полного размагничивания он состоит из большого числа областей самопроизвольного намагничивания – доменов. Обычно домены имеют размеры порядка 10-2 – 10-3см. Каждый домен намагничен до насыщения, но при этом их векторы намагничивания направлены так, что суммарный магнитный момент образца равен нулю.
Процесс намагничивания ферромагнетиков состоит в переориентации векторов намагниченности доменов в направлении приложенного магнитного поля. В результате образец в целом приобретает намагниченность, не равную нулю. В достаточно сильном магнитном поле ферромагнетик намагничивается до состояния насыщения, при котором весь образец представляет собой один домен с магнитным моментом, направленным вдоль внешнего поля (точка А на рис.2).
При уменьшении величины Н значение магнитной индукции в ферромагнетике В уменьшается за счет возникновения и роста доменов с магнитным моментом, направленным против поля. Рост доменов сопровождается движением доменных стенок. Этот процесс происходит скачками из-за наличия в образце различных дефектов и неоднородностей, на которых доменные стенки задерживаются. Для того, чтобы их сдвинуть требуется заметно изменить магнитное поле. В результате при Н = 0 у образца сохраняется остаточная намагниченность и, как следствие, остаточная индукция Вr (рис.2). Наличием остаточного намагничивания обусловлено существование постоянных магнитов.
Величина В обращается в нуль лишь под действием магнитного поля обратного направления, имеющего напряженность . Величина НС называется коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении магнитного поля обратного направления образец вновь намагничивается до насыщения (точка D). Последующее перемагничивание образца происходит по кривой DEKA (рис.2). Кривые ABCD и DEKA симметричны друг другу. Значения Вr и НС являются важными характеристиками ферромагнитного материала.
Установка, схема которой приведена на рис.3, включает в себя трансформатор TV1, сердечник которого является исследуемым образцом (материал – трансформаторная сталь) , регулируемый источник переменного тока (ЛАТР) TV2, осциллограф, амперметр PA и вольтметр PV.
Рисунок 3 - Схема установки
Первичная обмотка трансформатора TV1 подключена к источнику переменного тока TV2 и используется для циклического намагничивания образца (частота тока 50 Гц). В цепь намагничивания последовательно с первичной обмоткой включены постоянный резистор R1 и амперметр PA. Снимаемое с резистора R1 напряжение подается на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа. Это напряжение пропорционально силе тока в первичной обмотке трансформатора и, следовательно, оно является линейной функцией напряженности магнитного поля Н в сердечнике трансформатора.
Вторичная обмотка трансформатора соединена последовательно с резистором R2 и конденсатором С. Напряжение на обкладках конденсатора:
(6)
где q(t) – заряд конденсатора, С – емкость конденсатора.
Величина заряда в момент времени t равна:
(7)
где I(t) – сила тока во вторичной обмотке трансформатора.
Если величины R2 и С достаточно велики, то емкостное сопротивление 1/(ωС) << R2 и им можно пренебречь (ω – циклическая частота переменного тока). Для этого случая справедливо приближенное равенство:
(8)
где ε2(t) – ЭДС, индуцируемая во вторичной обмотке трансформатора.
В соответствии с законом электромагнитной индукции:
(9)
где Φ – поток магнитной индукции через вторичную обмотку трансформатора:
(10)
где N – число витков в обмотке, S – площадь каждого витка.
Используя выражения (6) – (10), получим окончательную формулу для напряжения на обкладках конденсатора:
(11)
Следовательно, напряжение на обкладках конденсатора является линейной функцией величины магнитной индукции В(t) в железном сердечнике. Это напряжение подается на вертикально отклоняющие пластины осциллографа.
Таким образом, смещение луча осциллографа по горизонтали пропорционально напряженности магнитного поля Н(t), а по вертикали – магнитной индукции в ферромагнитном сердечнике В(t). На экране осциллографа луч будет описывать линию, форма которой соответствует кривой намагничивания (петле гистерезиса).
Измеряемые эффективные значения тока намагничивания и напряжения на обкладках конденсатора прямо пропорциональны значениям Н и В в точке А петли гистерезиса (рис.2). Для данной измерительной схемы:
(12)
где I - сила тока в миллиамперах, UC - напряжение в вольтах.
Измерив значения I и UC и рассчитав по формулам (12) соответствующие значения Н и В, можно с помощью формулы (5) определить значение магнитной проницаемости материала сердечника:
(13)
|
№ п/п |
I, мА |
UС, В |
Н, А/м |
В, Тл |
μ |
|
1 … 15 |
Результаты данной работы могут быть обработаны на персональном компьютере. Для этого необходимо предварительно для одной из строк таблицы по формулам (12) – (13) рассчитать значения Н, В и μ. Остальные расчеты и построение графиков будут выполнены автоматически
При обработке результатов «вручную» следует произвести расчеты для всех строк таблицы и построить графики зависимости магнитной индукции и магнитной проницаемости железа от величины напряженности магнитного поля Н. Сделать выводы.
Список рекомендованной литературы