Лабораторная работа 5.5
Определение кривой намагничивания железа
по методу Столетова
Библиографический список
1. . Курс физики. – М.: Высшая школа, 1985.
2. . Курс общей физики. – М.: Наука, 1988. Т. 2.
Цель работы – изучение свойств ферромагнетика и ознакомление с методом Столетова.
Приборы и принадлежности: лабораторная установка «Определение кривой намагничивания железа по методу Столетова».
Описание метода измерений
и экспериментальной установки.
Намагничивание вещества представляет собой реакцию вещества на действие внешнего магнитного поля.
Магнитные моменты атомов и молекул вещества вследствие теплового движения могут ориентироваться хаотически. Тогда вещество будет не намагничено.
Во внешнем магнитном поле напряжённостью 
магнитные моменты атомов ориентируются в направлении поля и увеличивают магнитную индукцию от B0 = m0H до B = mm0H, где
m0 = 4p.10-7 Гн/м – магнитная постоянная, m - относительная магнитная проницаемость вещества (для воздуха m = 1). Приращение индукции DВ = В - B0 пропорционально намагниченности вещества J, т. е. DВ = m0 J. Для однородно намагниченного тела намагниченность равна магнитному моменту единицы объёма тела: J = Рm/V, где Рm – магнитный момент тела, V – его объём. У не намагниченных тел J = 0.
Во всех веществах, кроме ферромагнетиков, намагниченность пропорциональна напряжённости поля. Намагниченность и напряжённость связаны соотношением J = cН, где коэффициент пропорциональности c называется магнитной восприимчивостью. Учитывая, что B - B0 = mm0H - m0H = m0 J = m0 cН, отсюда следует, что m = 1 + c. Величина, показывающая, во сколько раз увеличивается магнитная индукция в веществе при его намагничивании, называется относительной магнитной проницаемостью: m = B/B0.
Парамагнетиками называются вещества, атомы которых в отсутствие внешнего магнитного поля имеют отличный от нуля магнитный момент 
. В отсутствие внешнего магнитного поля векторы различных атомов ориентированы в пространстве хаотически и намагниченность парамагнетика J очень мала и относительная магнитная проницаемость m = 1 + c немного большей единицы.
Ферромагнетиками называются вещества, у которых магнитная восприимчивость и относительная магнитная проницаемость могут достигать очень больших значений. У этих веществ магнитные моменты атомов сильно взаимодействуют между собой и образуют микрообласти самопроизвольного (спонтанного) намагниченного состояния (домены). При намагничивании ферромагнетиков на начальной стадии процесса при слабых полях происходит смещение границ доменов, на следующей стадии магнитные моменты доменов ориентируются в направлении внешнего поля и вектор намагниченности быстро увеличивается. На окончательной стадии процесса вектор намагниченности достигает максимального значения (ферромагнетик намагничивается до насыщения). Поэтому у ферромагнетиков вектор магнитной индукции 
нелинейно зависит от напряжённости поля . Зависимость В(Н) находят экспериментально по методу Столетова.
Принципиальная схема установки показана на рис. 1.
Образец испытуемого материала изготовлен в виде кольцевого магнитопровода (тороида) 5 с намагничивающей обмоткой 4, содержащей w1 витков провода. Намагничивающий ток I устанавливают реостатами грубой 1 и точной 2 регулировки. Переключателем 3 можно изменять направление намагничивающего тока и, следовательно, магнитного поля. При переключении тока I переменный магнитный поток индуцирует ЭДС в измерительной обмотке 6 с числом витков w2. Если замкнуть кнопку 7, то можно по отбросу баллистического гальванометра 8 определить максимальное значение вектора индукции В, возбуждённого в сердечнике при переключении намагничивающего поля напряженностью Н.
Первичная обмотка через выключатель S1 присоединена к источнику тока. При замыкании выключателя S1 через первичную обмотку будет протекать ток I, который создаст магнитное поле с напряжённостью
(1)
где w1 – число витков катушки и l – средняя длина сердечника (известные постоянные).
Используя выражение (1), измеряя ток I, определяют Н.
Вторичная обмотка, содержащая w2 витков, замкнута на баллистический гальванометр 8 (см. рисунок). При изменении переключателем S2 направления тока в первичной обмотке на противоположное, изменяется направление магнитного поля и во вторичной обмотке возникает ЭДС индукции
В цепи баллистического гальванометра с сопротивлением R ЭДС возбуждает ток Ii = ei/R. Из определения силы тока следует, что 
поэтому электрический заряд q, проходящий через баллистический гальванометр
(2)
или
(3)
где Ф1 и Ф2 – значения магнитного потока через поперечное сечение тороида до и после переключения тока I; t - время переключения.
Учитывая, что Ф1 = - Ф 2 = BS, где S – площадь поперечного сечения тороида, получим
(4)
Согласно формуле (4) баллистический гальванометр можно проградуировать в единицах магнитной индукции. Поэтому максимальное значение вектора индукции
(5)
где n – отброс стрелки баллистического гальванометра (в мкА),
Gi – баллистическая постоянная, указанная на установке (Тл/мкА).
Порядок выполнения лабораторной работы
Устанавливая 8 – 10 последовательных значений намагничивающего тока I, записать значения n баллистического отброса гальванометра после переключения тока I. По результатам опытов рассчитать по формуле (1) Н и по формуле (5) В, построить график В(Н). Рассчитать значение m по формуле
Построить график m(Н). Контрольные вопросы
Описать процесс намагничивания вещества. Что называется магнитным моментом? Что называется вектором намагничивания? Записать связь между вектором магнитной индукции и вектором намагничивания в однородной среде. Что называется доменом? Какие вещества называются ферромагнетиками и парамагнетиками? Что называется кривой намагничивания? Сформулировать закон электромагнитной индукции. Вывести расчётную формулу для определения максимального значения вектора индукции. Что измеряет баллистический гальванометр?Содержание
Лабораторная работа 5.1. Изучение магнитного поля
соленоида с помощью датчика Холла…………………………….3
Лабораторная работа 5.2. Проверка закона
Био-Савара-Лапласа для соленоида конечной длины………….10
Лабораторная работа 5.3. Измерение горизонтальной
составляющей магнитного поля Земли тангенс-буссолью…….15
Лабораторная работа 5.4. Определение удельного
заряда электрона методом магнетрона…………………………..20
Лабораторная работа 5.5. Определение кривой
намагничивания железа по методу Столетова………………….26
