Измерение магнитной проницаемости
Изучение процесса создания электрического тока. Понятие петли гистерезиса ферромагнетика, ее свойства, явление гистерезиса (запаздывания). Характеристика методики измерения магнитной проницаемости вещества. Правила построения кривой намагничивания.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лабораторная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 16.09.2015 |
| Размер файла | 214,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Лабораторная работа
«Измерение магнитной проницаемости. Петля гистерезиса ферромагнетика»
Различные вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т.е. сами становятся источниками магнитного поля. Причиной этого является то, что каждый атом обладает определенным магнитным моментом, создаваемым движением электронов. Если представить электрон движущимся по орбите, то такое движение создает электрический ток, сила которого i= e/T, где e - заряд электрона, T - период обращения электрона по орбите. Как известно, замкнутый электрический ток i обладает магнитным моментом
,
где S - площадь, обтекаемая током, - единичный вектор нормали к этой плоскости. Таким образом, каждый электрон в атоме обладает определенным орбитальным магнитным моментом. Не следует забывать, что векторы и направлены в данном случае в противоположные стороны, т.к. заряд электрона отрицательный. Соответственно вектор механического и магнитного моментов имеют для электрона противоположные направления. При определении суммарного магнитного момента атома необходимо учитывать также сумму собственных магнитных моментов электронов.
Магнитный момент единицы объема вещества принято характеризовать вектором намагничения
,
где - вектор магнитного момента атома или молекулы, из которых состоит вещество, V - физически малый объем.
Необходимо иметь в виду, что в магнитном поле происходит прецессия электронных орбит, при котором вектор описывает конус вокруг направления с некоторой угловой скоростью. Магнитное поле, создаваемое прецессией, направлено противоположно внешнему магнитному полю. Поэтому, если магнитный момент атома или молекулы равен нулю, то суммарное поле в таком веществе будет меньше внешнего поля. В противном случае магнитный момент атома или молекулы ориентируется по полю, и поле в таком веществе усиливается. Соответственно принято делить подобные вещества на диамагнетики и парамагнетики.
Индукция магнитного поля в веществе складывается из индукции о создаваемой внешним полем, и индукции, создаваемой в веществе, которая характеризуется вектором намагничения
=о +
где - напряженность поля, о= 4 .10-7 Гн/м - магнитная постоянная.
Для некоторых магнитных кристаллов направления векторов и могут не совпадать друг с другом. Подобные вещества называют анизотропными магнетиками. В таких магнетиках величина намагничения зависит от направления поля относительно осей кристалла. Для большинства веществ направления и всегда совпадают. Намагничение таких веществ не зависит от направления внешнего поля, и поэтому они получили название изотропных магнетиков. электрический ток ферромагнетик намагничивание
Для изотропных магнетиков
=.о. ,
где - магнитная восприимчивость, зависящая от рода магнетика и его состояния (температура и т.д.).
Подставляя (4) в (3), находим
= .о ,
где 1+ - магнитная проницаемость вещества. Для диамагнетиков <1, для парамагнетиков >1 (соответственно <0 и >0). По абсолютному значению для этих типов магнетиков мало отличается от единицы. Например, для воды -9.10-6 (диамагнетик), для алюминия 21.10-6 (парамагнетик).
Особняком стоят вещества, получившие название ферромагнетиков, свойства которых сильно отличаются от других типов магнетиков.
Магнитная проницаемость ферромагнетиков во много раз больше, чем у парамагнетиков. Например, для чистого железа максимальное значение магнитной проницаемости достигает 5000.
Зависимость между индукцией В и напряженностью Н для ферромагнетиков существенно нелинейная. Соответственно магнитная проницаемость не линейно зависит от Н.
Ферромагнетикам свойственно явление гистерезиса (запаздывания). Сущность его заключается в том, что магнитная индукция в ферромагнетике является неоднозначной функцией напряженности, она зависит также и от того, какой была ранее. Рассмотрим график зависимости магнитной индукции в ферромагнетике от напряженности внешнего магнитного поля.
Ферромагнитные свойства исчезают при некоторой температуре (точка Кюри) и ферромагнетик переходит в парамагнетик.
Рассмотрим график зависимости магнитной индукции в ферромагнетике от напряженности внешнего магнитного поля. Положим, что первоначально ненамагниченый ферромагнетик помещен в катушку, создающую магнитное поле. Будем увеличивать напряженность магнитного поля от нуля до некоторого значения Н1. Соответственно индукция магнитного поля в ферромагнетике возрастает до значения В1 (точка 1).
Если теперь уменьшать напряженность до нуля, то уменьшение индукции будет происходить по кривой 1В', т.е. при отсутствии внешнего магнитного поля в ферромагнетике индукция будет равна В'. Чтобы размагнитить его, т.е. свести значение индукции к нулю, нужно внешнее магнитное поле напряженностью Н', направленное противоположно первоначальному. Циклически изменяя напряженность в пределах (Н'; - Н') мы получим изменение индукции по замкнутой кривой 1 - 2 - 1, называемой частной петлей гистерезиса.
Увеличивая предел изменения Н до некоторого значения Нм, можно получить максимальную петлю гистерезиса СНкВоАС. Значение Нк, при котором индукция магнитного поля в ферромагнетике становится равной нулю, называется коэрцитивной силой. Значение Во называется остаточной индукцией. Кривая 01А называется основной кривой намагничивания (сравните свойства магнетиков со свойствами диэлектриков в работе 2). Вершины всех частных петель гистерезиса лежат на этой кривой. Сказанное выше можно использовать как рецепт для размагничивания намагниченных ферромагнетиков.
В точках А и С значение модуля вектора намагничения достигает максимума, а дальнейший рост индукции происходит по линейному закону (3).
При намагничивании любого магнетика затрачивается определенная энергия, равная для единицы объема
.
Для магнетика, не обладающего гистерезисом, эта работа изображается заштрихованной площадью на графике зависимости B = f(H). При размагничивании магнетика эта энергия возвращается в цепь источника питания в виде работы экстратока самоиндукции. У ферромагнетиков энергия намагничивания расходуется на совершение работы против коэрцитивных сил и в конечном счете превращается в тепло. На графике она равна площади петли гистерезиса.
В зависимости от назначения ферромагнетиков к ним предъявляют разные требования. Так, например, для применения в качестве сердечников трансформаторов используются материалы с малой коэрцитивной силой, высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на перемагничивание (магнитомягкие материалы). Для постоянных магнитов главные требования - большая остаточная намагниченность и большая коэрцитивная сила (магнитотвердые материалы).
Существенное отличие свойств ферромагнетиков от других типов магнетиков можно объяснить следующим образом. Согласно современным представлениям в ферромагнетике существуют области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, которые называются доменами. В этих областях ферромагнетик намагничен до насыщения, отвечающего данной температуре, без всякого внешнего поля. Намагничивание в доменах обусловлено сильной взаимной ориентировкой собственных магнитных моментов электронов, возникающей в процессе их обменного взаимодействия.
Обычно в ферромагнетике существует большое число доменов, магнитные моменты которых ориентированы хаотически, так что суммарный магнитный момент некоторого объема ферромагнетика равен нулю. При внесении ферромагнетика в магнитное поле происходят следующие процессы:
изменение границ доменов, при котором возрастает размер доменов, ориентированных преимущественно по полю;
переориентация доменов по направлению поля;
в сильном поле магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно полю, наступает насыщение.
При уменьшении напряженности внешнего поля происходят обратные процессы, но с задержкой, что и объясняет явление гистерезиса.
Описание эксперимента
Экспериментальная часть работы состоит из двух опытов. Сначала измеряется магнитная проницаемость различных образцов индукционным методом.
Здесь L1 - соленоид длиной l=160мм, имеющий N=1700 витков; L2 - датчик Д1 площадью S0=1cм2, имеющий N0=1000 витков. При протекании через обмотку соленоида тока I1, соленоид создает магнитное поле Н:
.
Без образца напряжение U20 на датчике:
U20 = 8м0HнN0S0.
Если в соленоид вставить образец в форме длинного стержня, то, при неизменном токе соленоида, магнитный поток в датчике изменится на величину
ДЦ = м0JN0S,
где S - площадь поперечного сечения стержня, J - намагниченность образца. При этом напряжение U2 на датчике изменится на величину
U2 - U20 = 8м0JнN0S.
Измерив значения U2 с образцом U20 и без образца, можно найти магнитную восприимчивость ч образца и его магнитную проницаемость м:
,
м = ч + 1.
Вторая часть данной работы посвящена исследованию магнитного гистерезиса.
Соленоид L создает магнитное поле напряженностью Н:
В датчике Д1 возникает ЭДС электромагнитной индукции
е =
которая после интегрирующей цепочки с постоянной времени
ф = RC = 30мс
превращается в напряжение
где N0 = 1000 - число витков датчика Д1, S0 = 1см2 - средняя площадь витка датчика, В = м0Н - магнитная индукция внутри датчика, Ц = BS0 = м0HS0 - магнитный поток.
Сигнал с выхода "UH" пропорционален напряженности магнитного поля:
UH = R1I = R1lH/N.
Подав соответствующие напряжения на вертикальный и горизонтальный входы осциллографа, можно наблюдать линейную зависимость В(Н).
При размещении в соленоиде ферромагнитного образца сечением S, дополнительное к исходному напряжение UB' на выходе UB пропорционально намагниченности образца:
UB' = м0JN0S /ф.
Если напряжение UB стало существенно больше первоначального, то оно обусловлено в основном магнитным потоком в образце и пропорционально магнитной индукции В в образце:
UB = ВN0S /ф.
Порядок выполнения работы
Упражнение 2. Петля гистерезиса ферромагнетика
1. Собрать схему Рис.4. Усилитель У - встроенный в лабораторный комплекс. Напряжение UН подается на канал CH1 осциллографа, UВ, соответственно, на канал CH2. В качестве исследуемого ферромагнетика используется стальная спица длиной l=160мм и диаметром 2мм.
После проверки схемы, включить генератор и установить частоту выходного напряжения 70-80Гц. Переключив осциллограф в режим X-Y, наблюдать на экране петлю гистерезиса ферромагнетика.
2. Меняя амплитуду выходного сигнала генератора от минимальных значений (введен аттенюатор кнопкой ATT -20dB) до насыщения материала, записывать координаты вершин частных петель гистерезиса (UH и UВ), стараясь подбирать усиление по вертикали и по горизонтали так, чтобы петля занимала большую часть экрана.
3. Для максимальной петли гистерезиса записать значения напряжений, соответствующие остаточной индукции ВО и коэрцитивной силе НК.
4. По данным п.3, согласно (9) и (10), найти значения В и Н, рассчитать в каждой точке магнитную проницаемость м. Построить основную кривую намагничивания B=f(H) и график зависимости м=f(H).
5. По данным п.4 найти ВО и НК для исследуемого образца.
1. Исходные данные: °
l=160мм=16*10-2м
N=1700
D=2мм=2*10-3м
r=1*10-3м
N0=1000
ф=30мс=3*10-2с
R=1Ом
U(B0)=140мВ
U(Hк)138мВ
µ0=4р*10-7Гн/м
Используемые формулы:
S=рr2=3,14*10-6
UH=RlH/N
H=
UB=BN0S/ф
B=µµ0H
2. Результаты измерений и вычислений:
|
UH (сВ) |
UB(мВ) |
H(г(В/м)) |
B(сТл) |
µ |
|
|
4 |
9 |
4,25 |
9 |
170 |
|
|
6 |
36 |
6,4 |
34,4 |
430 |
|
|
100 |
100 |
10,6 |
100 |
750 |
|
|
200 |
162 |
21 |
155 |
264 |
|
|
300 |
200 |
32 |
200 |
49 |
|
|
400 |
210 |
43 |
201 |
37 |
|
|
500 |
225 |
53 |
215 |
32 |
3. Графики зависимости:
Выводы: Используя исходные значения и соответствующие формулы: значения В и Н, а так же магнитную проницаемость м, которые приведены в таблице, мы построили основную кривую намагничивания B=f(H) и график зависимости м=f(H).
По данным п.4 нашли ВО и НК для исследуемого образца.
U(B0)=140(мВ)
U(Hк)=138(мВ)
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Изучение электрических цепей, содержащих катушку индуктивности. Определение зависимости величины индуктивности от магнитной проницаемости сердечника. Измерение магнитной индуктивности катушки в электрической цепи с сопротивлением и источником тока.
лабораторная работа [24,1 K], добавлен 10.06.2019Намагниченность, напряженность магнитного поля. Факторы, характеризующие степень намагничивания магнетика. Понятие относительной магнитной проницаемости вещества. Ферромагнетики - твердые вещества, которые могут обладать спонтанной намагниченностью.
лекция [303,4 K], добавлен 24.09.2013Теория электрической проводимости и методика её измерения. Теория диэлектрической проницаемости и методика её измерения. Экспериментальные исследования электрической проводимости и диэлектрической проницаемости магнитной жидкости.
курсовая работа [724,5 K], добавлен 10.03.2007Измерения в режиме медленно изменяющегося внешнего магнитного поля. Обоснование и расчет элементов измерительной установки. Перемагничивание в замкнутой магнитной цепи. Требования к системе измерения магнитной индукции. Блок намагничивания и управления.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 29.03.2015Свойства сверхпроводящих материалов. Определение электрического сопротивления и магнитной проницаемости немагнитных зазоров. Падение напряженности магнитного поля по участкам. Условия для работы устройства. Применение эффекта Мейснера и его изобретение.
научная работа [254,2 K], добавлен 20.04.2010Понятие диэлектрической проницаемости. Потери энергии при прохождении электрического тока через конденсатор. Влияние строения, полярности, стереорегулярности, кристаллизации и пластификаторов на диэлектрические потери. Измерение параметров полимеров.
курсовая работа [1014,9 K], добавлен 14.06.2011Разработка схемы замещения магнитной цепи. Расчет проводимостей и сопротивлений воздушных зазоров, проводимости потока рассеяния. Вычисление построение кривых намагничивания магнитной системы электромагнита, тяговой характеристики электромагнита.
курсовая работа [358,2 K], добавлен 19.06.2011Электродвигатель Якоби, в которой магнетизм используется как двигательная сила. Генератор независимого возбуждения. Характеристика холостого хода. Размагничивающее действие реакции якоря. Нелинейность кривой гистерезиса и общий магнитный поток машины.
презентация [3,1 M], добавлен 21.10.2013Сущность понятий магнетизма, ферромагнетизма, магнитной анизотропии, доменов. Анализ явления гистерезиса в ферромагнетике, перехода из парамагнетика в ферромагнетик и природа ферромагнетизма. Методы исследования тонких ферромагнитных пленок, их сравнение.
дипломная работа [6,5 M], добавлен 05.11.2009Разработка конструкции двигателя постоянного тока. Число эффективных проводников в пазу. Плотность тока в обмотке якоря. Индукция в расчётных сечениях магнитной цепи. Магнитное напряжение воздушного зазора. Расчёт характеристики намагничивания машины.
курсовая работа [333,5 K], добавлен 30.04.2009
