 |
Обработка результатов измерений
|
|
|
|
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Метод измерений
Магнитная проницаемость ферромагнетиков 
зависит от напряженности 
магнитного поля. По этой причине от величины зависят и те характеристики контура электрической цепи, которые связаны с магнитной проницаемостью ферромагнитного сердечника, например индуктивность тороида 
(19)
и его индуктивное сопротивление переменному току 
, (20)
где 
– магнитная постоянная; 
– число витков тороида, 
– площадь поперечного сечения сердечника тороида; 
– длина средней линии сердечника тороида; 
– циклическая частота переменного тока.
В данной работе измерение магнитной проницаемости сердечника основано, согласно формуле (19), на измерениях индуктивности тороида и его геометрических параметров , и . Для определения индуктивности достаточно измерить индуктивное сопротивление тороида переменному току известной частоты . Полное сопротивление тороида переменному току
. (21)
Так как обычно 
, то величиной активного сопротивления тороида 
можно пренебречь по сравнению с индуктивным сопротивлением переменному току частоты 200 Гц.
Закон Ома позволяет определить величину 
путем измерений тока 
и напряжения 
на участке цепи, содержащем тороид:
. (22)
Расчетная формула для определения магнитной проницаемости , полученная с использованием выражений (19), (20), (21), (22), имеет следующий вид:
, (23)
где 
– постоянная установки.
Напряженность магнитного поля, которое создается в тороидальном сердечнике при протекании по обмотке тока , можно приближенно рассчитать по формуле (18)
. (24)
Таким образом, каждому значению тока I соответствуют определенная напряженность магнитного поля 
магнитная проницаемость сердечника и индукция магнитного поля 
:
|
|
|
. (25)
Определяя величины , и при различных токах, можно экспериментально установить следующие зависимости:
а) 
– зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля (основная кривая намагничивания ферромагнетика);
б) 
– зависимость магнитной проницаемости сердечника от напряженности магнитного поля.
Описание экспериментальной установки
Электрическая схема установки показана на рис. 9, монтажная –
на рис.10.
Рис. 9. Электрическая схема:
1 – генератор сигналов специальной формы;
2 – мультиметр (режим 
~ 
, входы COM, mA);
3 – блок «Сопротивление», 
= 100 Ом;
4 – мультиметр (режим V~ 2 V, входы COM, V Ω);
5 – тороидальный сердечник собмотками 
и 
;
6 – блок «Ферромагнетик».
На тороидальный сердечник 5, изготовленный из исследуемого ферромагнитного материала, намотаны проволочных витков. Эта обмотка, по которой пропускают переменный ток частоты 200 Гц, служит для намагничивания ферромагнетика, и по ее параметрам определяют напряженность намагничивающего поля. Генератор сигналов специальной формы 1 позволяет изменять напряжение , а следовательно, и ток в обмотке тороида. Эти величины измеряют соответственно вольтметром 4 и миллиамперметром 2.
Рис. 10. Монтажная схема: 2 – мультиметр(режим ~ 
, входы COM, mA);
3 – блок «Сопротивление», = 100 Ом; 4 – мультиметр (режим V ~ 2 V, входы COM, V Ω); 6 – блок «Ферромагнетик».
Выполнение измерений
1. Запишите параметры установки и исследуемого образца:
– число витков обмотки тороида;
– длина средней линии сердечника тороида;
– площадь поперечного сечения сердечника тороида;
– циклическая чистота переменного тока в обмотке тороида.
2. Соберите электрическую цепь по монтажной схеме, приведенной на рис.10.
3. Включите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжений и блока мультиметров. Нажмите кнопку «Исходная установка».
|
|
|
4. Кнопками установки частоты «0.2-20 кГц» установите частоту переменного тока в обмотке тороида 
.
Таблица. Измеренные значения напряжения на тороиде и тока в нем и рассчитанные по ним значения величин 
| ,мА
| ,А/м
|
| , мТл
|
| … | ||||
5. Кнопками установки уровня «0 – 15 В» генератора сигналов специальной формы установите в обмотке тороида ток 
Запишите в таблицу показания тока и напряжения.
6. Изменяя ток в обмотке тороида с шагом 
, измерьте напряжения. Запишите в таблицу показания тока и напряжения.
7. Выключите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжений и блока мультиметров.
Обработка результатов измерений
1. Вычислите постоянную установки K в соответствии с формулой (23):
=… 
.
Результат расчетов запишите.
2. Для каждого значения тока рассчитайте величины 
и по
формулам (24), (23) и (25). Результаты расчетов запишите в таблицу.
3. По данным таблицы постройте основную кривую намагничивания и график зависимости .
4. В выводе по работе отразите особенности формы опытных кривых:
а) сопоставьте ход кривой намагничивания с положением максимума на графике ;
б) сравните полученные кривые с известными теоретическими и экспериментальными зависимостями.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
1. Какие вещества называют магнетиками?.
2. Дайте классификацию магнетиков.
3. Что показывает магнитная проницаемость вещества?
4. Перечислите основные свойства диамагнетиков.
5. Перечислите основные свойства парамагнетиков.
6. Что является источником собственного магнитного поля у диа- и парамагнетиков, помещенных во внешнее магнитное поле?
7. Перечислите основные свойства ферромагнетиков и назовите вещества, относящиеся к ним.
8. Что называется доменом?
9. Почему образец ферромагнетика в отсутствие внешнего магнитного поля разбивается на множество доменов?
10. Как изменяется намагниченность 
диа- и парамагнетиков с ростом напряженности магнитного поля 
?
11. Нарисуйте основную кривую намагничивания 
ферромагнетика и условно разбейте ее на 4 области, в каждой из которых реализуется один из основных процессов намагничивания.
|
|
|
12. Расскажите о процессах, происходящих в первой области основной кривой намагничивания ферромагнетика.
13. Расскажите о процессах, происходящих во второй области основной кривой намагничивания ферромагнетика.
14. Расскажите о процессах, происходящих в третьей области основной кривой намагничивания ферромагнетика.
15. Чем примечательна четвертая область основной кривой намагничивания ферромагнетика?
16. В чем заключается явление гистерезиса ферромагнетика? Нарисуйте максимальную петлю гистерезиса и основную кривую намагничивания в координатах 
и .
17. На максимальной петле гистерезиса в координатах и покажите остаточную намагниченность 
, коэрцитивную силу 
и намагниченность насыщению 
ферромагнетика.
18. Изменяется ли магнитная индукция в ферромагнетике при увеличении напряженности магнитного поля после достижении намагниченностью насыщения? Нарисуйте для этого случая основную кривую намагничивания в координатах и .
19. Запишите связь магнитной проницаемости с магнитной восприимчивостью 
для магнетика.
20. Зависит ли магнитная проницаемость ферромагнетиков от напряженности магнитного поля ?
21. Запишите связь магнитной индукции с напряженностью магнитного поля в магнетике.
22. Запишите формулу теоремы о циркуляции вектора напряженности магнитного поля и получите из нее формулу для на средней линии тороида.
23. Запишите формулу для индуктивности тороида.
24. Запишите формулу для индуктивного сопротивления тороида 
переменному току.
25. Запишите закон Ома для обмотки тороида, по которой течет переменный ток с частотой 
.
26. Запишите расчетную формулу для определения магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника тороида.
27. Что происходит с ферромагнетиком при температуре Кюри 
?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Савельев, И.В. Курс общей физики В 3 т. Т. 2 / И.В. Савельев. – М.: Наука, 1988
|
|
|
2. Калашников, С. Г. Электричество /С. Г. Калашников – М.: Наука, 1977.
3. Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский – М.: Академия, 2005.
4. Фейнман, Р. Фейнмановские лекции по физике В 9 т. Т.7 / Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс – М.: Мир, 1977.
5. Физический энциклопедический словарь – М.: Советская энциклопедия, 1983.
6. Волков, В.Н. Физика В 3 т. Т. 2 / В.Н. Волков, Г.И. Рыбакова, М.Н. Шипко; Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 1993.
7. Крылов, И.А. Физические основы электромагнитных процессов в технических средствах автоматизации: учеб. пособие /И.А. Крылов; Иван. гос. энерг. ун.-т.- Иваново, 2004.
|
|
|
