Лабораторная работа № 41 Снятие кривой намагничивания и зависимости магнитной проницаемости от индукции внешнего магнитного поля для ферромагнетика (стр. 1 )

Введение

Физический практикум предназначен для подготовки к лабораторным занятиям студентов инженерно-технических, физико-математических и естественно-научных специальностей вузов по разделу курса «Магнетизм» общего курса физики. Физический практикум помогает студентам глубже и подробнее ознакомиться с физическими приборами, а также овладеть основными методами точных измерений. Настоящее пособие включает описание 6 лабораторных работ, каждое из которых содержит краткое теоретическое введение, схему лабораторной установки, методику выполнения измерений. После описания всех работ приводится список необходимой литературы.

Использование данного пособия позволяет улучшить организацию лабораторных занятий, улучшить методическое обеспечение, а также образовательный уровень студентов по дисциплине «Физика».

Лабораторная работа № 41 Снятие кривой намагничивания и зависимости магнитной проницаемости от индукции внешнего магнитного поля для ферромагнетика

Цель работы: снятие кривой намагничивания и зависимости магнитной проницаемости от индукции внешнего магнитного поля для ферромагнетика.

Магнитное поле в веществе является суммой внешнего поля с индукцией В0 и внутреннего Ввнутр. Источником Ввнутр является само вещество. Результирующая магнитная индукция . Свойство вещества изменять индукцию магнитного поля характеризуется магнитной проницаемостью , определяемой формулой .

Магнитная индукция связана с напряженностью внешнего магнитного поля Н. Соотношением , где – магнитная постоянная. В зависимости от величины все тела, как известно, делятся на три класса: 1) диамагнетики ; 2) парамагнетики ; 3) ферромагнетики . К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, гадолиний и другие редкоземельные металлы, их сплавы, некоторые соединения хрома и марганца. В свою очередь магнитная проницаемость для ферромагнетиков не есть величина постоянная, а зависит от напряженности внешнего магнитного поля Н, в которое помещен ферромагнетик. Ферромагнетик состоит из малых областей – доменов, у которых магнитные моменты направлены хаотически (рисунок 1). При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле, магнитные моменты всех доменов ориентируют вдоль внешнего магнитного поля Н.

Кроме того, на величину , а следовательно и на В также оказывает влияние намагничевание, которому раннее подвергался ферромагнетик.

Рассмотрим это явление подробнее. Возьмем соленоид, в который вложен стержень из ферромагнетика.

Рисунок 1

Увеличивая постепенно величину тока через обмотку соленоида, а следовательно, и напряженность намагничивающего (внешнего) поля Н, получим постепенное возрастание индукции В в стержне. Если ферромагнетик раннее не подвергался намагничиванию, то кривая, выражающая зависимость В от Н, будет называться основной кривой намагничивания (отрезок ОА рисунок 2).

Если дойдя до точки А, начать уменьшая намагничивающее поле Н, уменьшать величину тока в обмотке соленоида, то индукция В будет уменьшаться по кривой AD, т. е. с некоторым отставанием. Это отставание называется гистерезисом.

Величина индукции В, равная OD, называется остаточной индукцией, т. е. ферромагнетик остается намагниченным, несмотря на то, что внешнее поле Н=0.

Рисунок 2

Полное размагничивание наступает, если дать ток в обмотку соленоида обратного направления, т. е. создать отрицательную напряженность, равную отрезку ОК. Величина этого поля называется задерживающей или коэрцитивной силой. Дальнейшее увеличение Н в отрицательную сторону вызывает в сердечнике индукцию обратного направления, причем возрастание В в этом случае будет идти по кривой .

Уменьшая затем Н до нуля, получим индукцию В, равную , которая называется отрицательной остаточной индукцией. Снова, переменив направление тока, и увеличивая его, получим увеличение Н. Величина Н, равная , опять определит коэрцитивную силу, необходимую для уничтожения отрицательной остаточной индукции. При дальнейшем увеличении тока кривая от точки пойдет вверх и замкнется в точке А. Описанный круговой процесс называется гистерезисным циклом, а изображающая его замкнутая кривая, выражающая зависимость В=f(H), – петлей гистерезиса.

Порядок выполнения работы:

1) Разобраться в цепи измерительной установки, определить цену деления измерительных приборов.

Рисунок 3

2) Провести размагничивание образца. Для этого, отключив выключателем SA3 милливеберметр от измерительной катушки, переключателем SA1 подключить намагничивающую обмотку к источнику переменного напряжения. Автотрансформатором АТ плавно изменить напряжение от 0 до 220 В и затем плавно уменьшить до нуля.

3) Переключателем SA1 подключить обмотку L1 к источнику постоянного тока.

4) Познакомиться с правилами пользования милливеберметром.

5) С помощью автотрансформатора установить в обмотке L1 начальное значение тока I0=5.10-3; замкнуть ключ SA3 в цепи милливеберметра, подготовить его к измерению.

6) Переключателем SA2 изменить направление тока в обмотке L1 на противоположное и в этот момент заметить максимальный отброс стрелки милливеберметра, которая покажет изменение магнитного потока в измерительной обмотке.

7) Подготовить установку к следующему измерению: разомкнуть цепь милливеберметра, переключатель SA2 поставить в первоначальное положение, автотрансформатором АТ установить новое значение тока в тороиде, снова подготовить к измерению милливеберметр и повторить операции пунктов 5 и 6.

8) Изменить величину тока I в катушке L1 10-12 раз постепенно ее увеличивая на 5.10-3А (т. е. через 10 делений), и каждое значение тока Ii и соответствующее ему ΔФm; занести в таблицу 2.

9) Характеристики катушек L1 и L2, указанные на стенде установки, занести в таблицу 1.

Таблица 1

N1	N2	R, м	S, м2

Ii, A	ΔФm, Вб	В0, Тл	Вi, Тл	Μ

10) По данным таблицам 1 и 2 вычислить по формулам (1), (2) и (3)

(1)

(2)

(3)

На миллиметровой бумаге построить графики зависимостей и , проанализировать ход полученных кривых, сравнить с теоретическими.

Внимание! В установке используется переменное напряжение 220 В – опасное для жизни. Не прикасайтесь к токопроводящим частям при включенной установке. Не производите под напряжением пересоединения в электрической цепи.

Контрольные вопросы

1. Опишите магнитное поле в веществе.

2. Охарактеризуйте вещества по их магнитным свойствам.

3. Какой формулой определяется магнитная проницаемость вещества?

4. Что такое домены?

5. Как получается петля гистерезиса?

6. Расскажите, что и как определяете в этой работе.

Лабораторная работа № 42 Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли

Цель работы: освоение магнитометрического метода измерения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли.

Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр, амперметр, реостат, источник постоянного тока, переключатель.

Теоретическое введение

Магнитное поле

Электромагнитное взаимодействие – одна из форм материальных взаимодействий. Одним из его проявлений является магнитное взаимодействие, которое осуществляется посредством магнитного поля. Магнитным полем называют форму материи, особенностью которой является то, что она действует на движущиеся электрически заряженные частицы и на намагниченные тела. Магнитное поле существует вокруг проводников с током и намагниченных тел. Обнаружены магнитные поля вокруг некоторых небесных тел. Солнце и Земля являются огромными магнитами.

Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . - его силовая характеристика. Каждой точке магнитного поля соответствуют определенное значение и направление этого вектора.

Графически магнитное поле изображают линиями магнитной индукции – кривыми, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора . Линии индукции магнитного поля всегда замкнуты (рисунок 1), поэтому магнитное поле называют вихревым.

Рисунок 1 Рисунок 2

Линии индукции магнитного поля Земли показаны на рисунке 2. Магнитные полюса Земли немного (на 300км) смещены относительно ее географических полюсов, на географическом севере находится магнитный полюс S, на юге - северный N. Угол между касательными к магнитному и географическому меридианам данной точке на поверхности Земли называют магнитным отклонением (рисунок 2). Если подвесить магнитную стрелку на нити так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то последняя установится по направлению касательной к линии магнитной индукции и укажет направление вектора индукции магнитного поля Земли. Угол между направлением вектора индукции магнитного поля в данной точке Земли и плоскостью горизонта называется магнитным наклонением (рисунок 2).

Значения индукции поля Земли невелики и изменяются от Тл на экваторе до Тл у магнитных полюсов.

Вектор индукции для любой точки Земли между полюсами и экватором можно разложить на две составляющие – горизонтальную и вертикальную (рисунок 2). параллельна плоскости горизонта. Магнитное наклонение, склонение и горизонтальная составляющая магнитной индукции являются основными параметрами магнитного поля Земли в данной точке ее поверхности.

Закон Био-Савара-Лапласа

Величину и направление вектора индукции в любой точке магнитного поля тока можно определить, используя закон Био-Савара-Лапласа

(1)

(2)

Формулы (1) и (2) – закон Био-Савара-Лапласа, соответственно, векторная и скалярная формы записи. - индукция магнитного поля, возбуждаемого элементом dl проводника с током I в точке А (рисунок 3), удаленной от этого элемента на расстояние r; - вектор, равный длине элемента dl и совпадающий с направлением тока в нем; - радиус-вектор, проведенный от начала элемента dl в заданную точку А поля (рисунок 4).

Результирующий вектор перпендикулярен плоскости, в которой лежат перемножаемые вектора и (рисунок 5) и направлен так, чтобы из его конца поворот от dl к r по наименьшему углу был виден происходящем против часовой стрелки.

Рисунок 3

Гн/м – магнитная постоянная; – магнитная проницаемость среды. Формула (1) позволяет определить направление вектора по правилу векторного произведения; формула (2) – его величину.

Рисунок 4 Рисунок 5

Индукция магнитного поля проводника с током конечных размеров и произвольной формы в любой точке может быть определена в соответствии с принципом суперпозиции как векторная сумма индукции магнитных полей, возбуждаемых отдельными участками этого проводника. В общем случае она вычисляется так

. (3)

Например, для магнитного поля в центре 0 витка радиуса R с током I согласно (2) имеем

(4)

Воспользовавшись формулой (1), можно убедиться, что для всех dl элементов витка имеют одинаковые направления (рисунок 4).

Тогда

(5)

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 6.

Тангенс-гальванометр состоит из плоской катушки, витки которой расположены в вертикальной плоскости. В центре катушки на вертикальной оси помещена магнитная стрелка, угол отклонения которой можно определить по лимбу.

При отсутствии тока в катушке магнитная стрелка указывает направление горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли . Поворачивая катушку вокруг вертикальной оси, располагают ее так, чтобы стрелка оказалась в плоскости витков катушки. В этом случае плоскость витков совпадает с плоскостью магнитного меридиана Земли. Индукция магнитного поля, возбуждаемого в центре катушки при замыкании цепи, перпендикулярна плоскости витков и, следовательно, перпендикулярна вектору .

RK

Рисунок 6

GB – источник постоянного тока; PA – амперметр; RK – реостат; SA1 – переключатель; PS – тангенс-гальванометр; SA2 – выключатель.

После включения тока магнитная стрелка отклонится от первоначального направления на угол и будет указывать направление результирующего вектора . Направление этих векторов показано на рисунке 7, где изображено горизонтальное сечение тангенс-гальванометра.

Из рисунка следует, что

(6)

Согласно (4) – индукция создаваемая катушкой стоком, где N – число витков катушки. Из (6) и (7) имеем