Порядок выполнения работы.

Общие сведения

Ферромагнетиками называют вещества, обладающие рядом особенностей:

1) сильное намагничивание в магнитном поле;

2) сохранение намагниченного состояния при отсутствии внешнего магнитного поля;

З) нелинейная зависимость магнитной проницаемости и магнитной индукции от напряжённости магнитного поля :

,

где - магнитная постоянная; - магнитная проницаемость среды.

Свойствами ферромагнетиков обладают металлы переходной группы:Fe, Ni, Со. Кроме нелинейной зависимости для ферромагнетиков характерно также явление гистерезиса - отставание изменения магнитной индукции (и намагниченности ) в ферромагнетиках от изменения напряженности переменного по величине и направлению внешнего намагничивающего поля. Если размагниченный ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле, напряжённость которого непрерывно увеличивается, то магнитная индукция будет возрастать в нём по кривой ОА (рис.1) называемой основной кривой намагничивания.

Рис.1

Если затем, начиная с некоторой точки А, произвести полный цикл перемагничивания, то есть изменять напряжённость магнитного поля от Н до -Н и от –Н до Н, то значения магнитной индукции В будут изменяться по замкнутой симметричной относительно осей координат В-Н кривой, называемой петлей гистерезиса. Гистерезисная кривая дает информацию о свойствах изучаемого ферромагнетика. Отрезки ОD и ОD', отсекаемые петлей на оси ординат (Н=О), соответствуют остаточной индукции образца. Отрезки ОС и ОС' указывают значение напряженности Н_к внешнего магнитного поля, при котором остаточная индукция спадает до нуля. Напряжённость Н_к называется коэрцитивной силой или коэрцитивным полем. Можно показать, что площадь, охватываемая гистерезисной кривой, пропорциональна энергии перемагничивания ферромагнетика.

 

 

Электрическая схема (рис.2) включает в себя: А_тр - источник переменного напряжения (Автотрансформатор) и сопротивление R₁ в цепи намагничивающей катушки L₁; вторичную измерительную катушку L₂;(катушки L₁ и L₂ намотаны на общий ферромагнитный сердечник); сопротивление R₂ и конденсатор С в цепи катушки L₂.

Рис.2

Для получения петли гистерезиса на экране осциллографа необходимо подать на горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки

Вход Х осциллографа) напряжение U_х, пропорциональное напряженности Н намагничивающего поля, а на вертикально отклоняющие пластины - напряжение U_y, пропорциональное индукции В в исследуемом образце. Тогда за одни период изменения синусоидального тока в катушке L₁ электронный луч на экране опишет полную гистерезисную петлю и в каждый последующий период повторит ее. (Устройство осциллографа описано в работе 13)

При изменении силы переменного тока через L₁ будет изменяться и гистерезисная петля, причём вершины всех петель будут лежать на основной кривой намагничивания (рис.3).

Рис.3

Напряжение U_х снимается с сопротивления R₁, соединённого последовательно с намагничивающей катушкой L₁. Ток в намагничивающей цепи а напряжённость намагничивающего поля , где N₁ и соответственно число витков и длина катушки L₁. Таким образом,

(1)

следовательно, напряженность намагничивающего поля пропорциональна падению напряжения на сопротивлении R₁.

Напряжение U_у, снимаемое с конденсатора С в цепи катушки L₂ (Вход Y), пропорционально индукции В в образце. Известно, что падение напряжения на конденсаторе:

(2)

где q - заряд конденсатора; С ёмкость конденсатора; I₂ - ток через конденсатор.

Мгновенное значение тока I₂ в цепи L₂ определяется ЭДС индукции , возникающей в L₂, её индуктивностью и омическим сопротивлением, а также сопротивлением R₂ и ёмкостью конденсатора С. Омическое сопротивление катушки ничтожно мало по сравнению с R₂. Реактивные сопротивления катушки L₂ и.конденсатора С также значительно меньше R₂ вследствие малой индуктивности и большой ёмкости конденсатора. Поэтому ток I₂ определяется практически величиной сопротивления R₂:

(3)

По закону электромагнитной индукции:

, (4)

где - потокосцепление; N₂ – число витков катушки L₂; S – сечение образца; Ф – магнитный поток, пронизывающий образец; В – индукция в нём.

Из выражений (2)-(4) следует пропорциональность U_у и В:

. (5)

Так как напряжение на конденсаторе С в цепи катушки L₂ определяется интегралом тока I₂, то такая цепь в электротехнике называется интегрирующей цепью.

Напряжения U_х и U_у, соответствующие вершине петли гистерезиса, определим следующим образом. Измерим на экране осциллографа координаты вершины петли гистерезиса Х _макс и Y_макс , тогда U_x =hX _макс и U_y=bY_макс, h и b цена деления по осям ОХ и ОУ соответственно.

Напряженность магнитного поля равна

. (6)

Аналогично из формулы (5) определяем индукцию В_макс

_с. (7).

При увеличении частоты по закону электромагнитной индукции в проводящем ферромагнетике возрастают вихревые токи, которые, согласно правилу Ленца, создают своё магнитное поле, противодействующее изменению внешнего поля. Поэтому индукция в образце уменьшается, что в соответствии с формулой эквивалентно уменьшению магнитной проницаемости m. Кроме того, уменьшение магнитной прницаемости с ростом частоты объясняется инерционностью доменов – на высокой частоте они не успевают следовать за изменением внешнего поля. Однако, эта причина реально проявляется лишь на очень высоких частотах, и актуальна обычно для высокоомных ферритов, в которых индукционные токи, в отличае материалов типа железа, пренебрежимо малы.

 

Порядок выполнения работы.

1. Ознакомиться с электрической схемой.

2. Включить осциллограф, отрегулировать яркость и фокусировку светового пятна. Ручками смещения по осям ОХ и ОУ выставить пятно в центр экрана.

3. Включить генератор в сеть и с его помощью добиться получения максимально возможной, но не выходящей за пределы экрана гистерезисной кривой.

4. Произвести отсчёт координат одной из двух крайних точек и гистерезисной петли и записать их в подготовленную форму (табл. 1): Для этой кривой снять также координаты точек, соответствующих H_коэрц (у^’=0. x’),и B_ост (x^’ =0.y^’). Измерения производить увеличивая напряжение на выходе генератора так, чтобы координата x менялась через 5 мм. В процессе измерения можно изменять масштаб по оси y (коэффициент b): при малых Н (x = 0 – 1 деление) можно использовать b = 0,5В/дел, при x = 1 ¸ 3 деления – b = 1В/дел, при больших Н (x ³ 3 дел.) – b = 2В/дел.

Таблица 1. Измерение параметров гистерезисной петли.

xмакс, дел	Hмакс, A/м	yмакс, дел	b, В/дел	Вмакс, Тл	, дел	Hкоэрц, А/м	, дел	Вост, Тл	µ	Dµ
0,5
…

*Записать погрешности всех прямых измерений.

5. Исследовать зависимость магнитной проницаемости от частоты. Для этого при x_макс = 2 деления зафиксировать значение y_макс на разных частотах в соответствии таблицей 2.

Таблица 2. Измерение параметров гистерезисной петли.

f, Гц	xмакс, дел	Hмакс, A/м	b, В/дел	yмакс, дел	Вмакс, Тл	µ	Dµ

*Записать погрешности всех прямых измерений.

6. Выключить генератор и осциллограф.