 |
Изучение намагничивания ферромагнетиков
|
|
|
|
Цель работы: изучить зависимость индукции и магнитной проницаемости ферромагнетиков от напряженности магнитного поля.
Оборудование: плата с катушкой с ферритовым сердечником и электрической цепью, блок питания, осциллограф АСК 2035.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
Ферромагнетики – вещества, которые обладают способностью сильно намагничиваться даже в слабых внешних магнитных полях. Ферромагнетики усиливают внешнее поле в сотни и даже в сотни тысяч раз. К ферромагнетикам относятся железо, никель кобальт, и некоторые соединения.
Магнитное поле в веществе является суммой внешнего и внутреннего магнитных полей. Электроны атомов вследствие орбитального движения и наличия спина обладают магнитным моментом, точно так же, как витки с током. Под действием магнитного поля атомы, как и витки, ориентируются и создают собственное внутреннее магнитное поле. Внутреннее магнитное поле в веществе характеризуется вектором намагниченности. Намагниченность равна сумме магнитных моментов атомов рм в единице объема: 
. Индукция внутреннего магнитного поля равна m 0 I.
Внешнее магнитное поле характеризуется вектором напряженности Н. Это расчетная характеристика, не зависящая от магнитных свойств среды, а только от расположения проводников с электрическим током. Индукция внешнего поля равна m 0 Н. Результирующая индукция в веществе равна векторной сумме индукций внешнего и внутреннего полей: 
. В однородном изотропном веществе намагниченность пропорциональна напряженности (I=χH) и поэтому индукция результирующего поля пропорциональна напряженности внешнего поля:
В = m m 0 Н. (1)
Здесь m 0 = 4 p ∙10 –7 Гн/м – магнитная постоянная, m = (1 +χ) – относительная магнитная проницаемость вещества χ ─ магнитная восприимчивость вещества.
|
|
|
| Н >>0, процесс вращения |
| Н >0, процесс смещения |
| Граница доменов |
| Рис. 1 |
| Н =0 |
| Вектор намагниченности |
Атомы ферромагнетика, благодаря обменному электростатическому взаимодействию, обладают способностью устанавливать магнитные моменты параллельно друг другу даже в отсутствии внешнего магнитного поля. Происходит самопроизвольное намагничивание до насыщения. Но кусок, например железа, не создает снаружи магнитного поля. Это обусловлено тем, что ферромагнетик разбивается на микроскопические объемы, каждый из которых намагничен до насыщения, но направления их намагниченности различны, так что их магнитные поля замыкаются внутри. Эти объемы называются доменами. Их размеры меньше 0,1 мм.
Процессы намагничивания в ферромагнетиках идут двумя способами, это процессы смещения и вращения (рис.1). В слабых внешних полях преобладают процессы смещения доменных границ. Так как магнитные моменты атомов в домене уже выстроены параллельно друг другу, то внешнему магнитному полю нет необходимости преодолевать тепловое движение атомов. Достаточно слабого поля, чтобы началось перемещение границы. Атомы домена, у которых магнитные моменты направлены под острым углом к внешнему магнитному полю, находятся в энергетически выгодном состоянии. Они воздействуют на атомы соседнего домена, помогая магнитному полю.В средних и сильных полях на процессы смещения накладываются процессы вращения, то есть синхронный поворот магнитных моментов атомов к направлению магнитного поля. В сверхсильных магнитных полях магнитные моменты атомов могут установиться почти параллельно внешнему магнитному полю. (рис. 2).
При циклическом перемагничивании ферромагнетиков из-за существования необратимых процессов график В (Н) образует так называемую петлю гистерезиса. Пусть ферромагнетик намагнитили первый раз 0 –1 (рис. 3). Теперь, если уменьшить напряженность магнитного поля, то доменные границы при обратном движении задерживаются на инородных включениях и неоднородностях кристаллической решетки. В результате процесс размагничивания пойдет с запаздыванием по линии 1 –Вост. 
Чтобы размагнитить ферромагнетик надо приложить внешнее магнитное поле обратного направления, величина которого называется коэрцитивной силой, НC. Увеличение напряженности внешнего поля обратного направления вновь приводит к перемагничиванию ферромагнетика до насыщения в обратном направлении (точка 2). При циклическом перемагничивании зависимость В(Н) принимает форму петли. Вершины частных петель гистерезиса лежат на первоначальной кривой намагничивания.
|
|
|
| В |
| -Hc |
| Рис. 3 |
| Н |
| + НС |
| Вост |
| В |
| Н |
| Рис. 2 |
| В= μ 0 Н+μ 0 I |
| m 0 I |
| m |
| Насыщение |
| m 0 Н |
В лабораторной работе образец из ферромагнетика в форме кольца имеет две катушки (рис. 4). На первичную катушку подается переменный ток силой J. Тогда в сердечнике создается магнитное поле с напряженностью
(2)
Чтобы напряжение на входе Х осциллографа было пропорционально напряженности магнитного поля Н, в электрическую цепь первичной катушки включают резистор Rх. Падение напряжения на резисторе по закону Ома пропорционально силе тока и согласно формуле (2) напряженности:
. (3)
| Б П |
| Ry |
| C |
| Rх |
| Катушки |
| Осциллограф |
| N 1 |
| N 2 |
| Плата |
| СН 2 |
| СН 1 |
| Рис. 4 |
| 220 В |
На вход Y осциллографа следует подать напряжение пропорциональное индукции. Вследствие явления электромагнитной индукции во вторичной катушке возникает ЭДС. По закону Фарадея ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потокосцепления сердечника:
, где потокосцепление равно произведения индукции на площадь сердечника и на число витков. 
. Тогда ЭДС индукции будет равна 
.
Чтобы получить напряжение пропорциональное индукции, вторичная катушка подсоединяется к интегрирующей RC –ячейке.
Активное сопротивление ячейки Ry подбирается достаточно большим, 
.По закону Ома сила тока в ячейке 
. Падение напряжения на конденсаторе равно 
. Подставив силу тока и ЭДС, проинтегрировав, получим 
.
|
|
|
Откуда индукцию магнитного поля в сердечнике можно определить по формуле
(4)
ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
1. Соединить на плате проводниками выбранные резистор R и конденсатор С. Записать значения в табл. 1. Подключить кабель СН 1 осциллографа к клеммам платы «Х» и кабель СН 2 к клеммам «Y». Включить в сеть 220 В осциллограф и блок питания платы.
Таблица 1
| Число витков N 1 | |
| Число витков N 2 | |
| Сопротивление R y, Ом | |
| Сопротивление R х, Ом | 99 Ом |
| Длина кольца l, см | |
| Площадь сечения S | 50 мм2 |
| Емкость С, мкФ |
2. Ручками усиления каналов СН 1 и СН 2 и ручкой развертки Horisontal получить изображение петли гистерезиса. Усиливая напряжение регулятором блока питания на плате получить изображение предельной петли гистерезиса почти во весь экран. Проверить, что центр петли находится в центре экрана. Если изображение отсутствует, кнопкой Horizontal и кнопками Menu в окне диалога выберите основное, отрегулируйте амплитуды обоих сигналов и снова нажмите кнопку сложения колебаний XY.
3. Измерить с помощью курсора осциллографа амплитуду напряжения UУ. Для этого нажать на кнопку Cursor осциллографа. В окне диалога кнопками Menu выбрать канал СН 2, вручную, напряжение. Отжать Cursor. Появится окно диалога. Щелчком ручки регулятор ввода выбрать верхнюю линию курсора и поворотом ручки совместить с верхней точкой петли гистерезиса. Записать измеренное напряжение в табл.2.
Таблица 2
| Uy, В | ||||||
| Ux, В | ||||||
| B, Тл | ||||||
| H, А/м |
4. Измерить амплитуду напряжения Uх. Для этого нажать на кнопку Cursor осциллографа. В окне диалога выбрать кнопками Menu канал СН 1 ручную, напряжение. Отжать кнопку Cursor. Щелчком регулятора ввода выбрать левую или правую линию, совместить с вершиной петли гистерезиса. Измерить напряжение Uх. Записать его в табл. 2.
5. Уменьшая напряжение на блоке питания платы до самого малого значения, повторить измерения 5-6 раз. Выключить приборы.
|
|
|
6. Произвести расчеты индукции и напряженности магнитного поля по формулам (3) и (4).
7. Построить график зависимости индукции от напряженности В (Н). Размер графика не менее половины страницы. На осях координат нанести равномерный масштаб. Экспериментальные кривые линии провести плавно около точек.
Сделать выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Объясните способность ферромагнетиков сильно намагничиваться. Почему существует доменная структура?
2. Объясните особенность процессов смещения и вращения при намагничивании ферромагнетиков.
3. Изобразите типичную зависимость индукции и магнитной проницаемости ферромагнетиков от напряженности внешнего магнитного поля.
4. Объясните причину гистерезиса в ферромагнетиках. Дайте определение параметрам петли гистерезиса – остаточной индукции и коэрцитивной силы.
5. Выведите формулы для определения напряженности и индукции магнитного поля через измеряемые в опыте величины.
6. Объясните, какова должна быть форма петли гистерезиса для постоянного магнита и трансформатора?
Работа 29
|
|
|
