Изучение магнитных свойств ферромагнетиков. Бугнина Г.А

Изучение свойств ферромагнетика с помощью осциллографа

Изучение магнитных свойств ферромагнетиков. Бугнина Г.А

ОТЧЕТ

По лабораторной работе №14

Изучение свойств ферромагнетика с помощью осциллографа

Выполнил:студент группы РМ-12 ______________ Иванов И.В

Проверил:профессор ______________ Левин Х Х

Санкт-Петербург

Цель работы:

Исследование основных характеристик ферромагнетиков:

1. Получение основной кривой намагничивания и зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля ферромагнитного образца путем исследования гистерезисной петли на экране осциллографа.

2. Изучение зависимости магнитной проницаемости от частоты .

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 Нк внешнего магнитного поля, при котором остаточная индукция спадает до нуля. Напряжённость Нк называется коэрцитивной силой или коэрцитивным полем. Можно показать, что площадь, охватываемая гистерезисной кривой, пропорциональна энергии перемагничивания ферромагнетика.

Электрическая схема (рис. 2) включает в себя: 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)

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)

Для получения петли гистерезиса на экране осциллографа необходимо подать на горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки напряжение Uх, пропорциональное напряженности Н намагничивающего поля, а на вертикально отклоняющие пластины — напряжение Uy, 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.

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.

Основные формулы:

Напряженность магнитного поля:

, где — число витков катушки L1; h – цена деления по осям Ox; — длина катушки L1; R1 – сопротивление.

Индукция:

где, N2 – число витков катушки L2; R2 – сопротивление; С – емкость конденсатора; b – цена деления по оси Oy; S – сечение образца.

Магнитная проницаемость:

где

Формулы погрешностей:

Порядок выполнения работы:

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
50004,80,50,0662250022,410,7291,77
4,545004,50,0611,924001,92,211,614
40004,30,0591,823001,82,112,739
3,535004,00,0551,722001,72,013,649
30003,70,0491,620001,61,814,862
2,525002,40,0411,518001,51,515,287
20001,80,0311,315001,21,113,535
1,515001,40,0161,010000,80,511,677
10000,70,0060,54000,30,26,369
0,55000,10,0020,22000,10,13,185

Примеры вычислений:

Таблица 2. Измерение параметров гистерезисной петли.

f , Гц xмакс, дел Hмакс, A/м b, В/дел yмакс, дел Вмакс, Тл µ
330000,52,70,02811,21,49
330002,50,0249,6
330002,00,0187,2
330001,10,0124,8
330000,80,014

Примеры вычислений:

Расчет погрешностей измерений:

Графики:

Вывод:

Произвел исследование основных характеристик ферромагнетиков, а именно, получил основную кривую намагничивания В=В(Н) и зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля по результатам проведенного опыта. А также получил зависимость магнитной проницаемости от частоты .

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/9_116308_poryadok-vipolneniya-raboti.html

Лабораторная работа № 33 изучение магнитных свойств ферромагнетиков Цель работы

Изучение магнитных свойств ферромагнетиков. Бугнина Г.А

1. Изучитьпроцесс намагничивания ферромагнетика.

2. Исследовать зависимость индукциимагнитного поля в ферромагнетике имагнитной проницаемости ферромагнетикаот величины напряженности магнитногополя.

Теоретическое введение

Силовой характеристикой магнитногополя, определяющей его воздействие надвижущиеся заряды, является вектормагнитной индукции.В вакууме магнитная индукцияобусловленатоками проводимости, создающими магнитноеполе.

В веществе индукция магнитногополяопределяется не только токами проводимости,но и движением электронов в атомахвещества, а также наличием у электронови атомных ядер собственных (спиновых)магнитных моментов.

Поэтому для описаниямагнитного поля в веществе удобнееиспользовать наряду с вектором магнитнойиндукциивспомогательный вектор(напряженность магнитного поля),который вводится следующим образом:

(1)

где Гн/м– магнитная постоянная,-вектор намагниченности, равныймагнитному моменту единицы объемавещества.

Вектор напряженности магнитного полязависиттолько от токов проводимости. В вакуумевеличиныисовпадают с точностью до постоянногомножителя:

(2)

В веществе вектор определяеттот вклад в магнитную индукцию,который дают токи проводимости, то естьвнешние источники поля.

Величина намагниченности связана с векторомсоотношением:

(3)

где χ – магнитнаявосприимчивость вещества, котораяв общем случае может быть сложнойфункцией температуры и напряженностимагнитного поля.

Подставиввыражения (2) – (3) в формулу (1), получим:

(4)

Отсюда:

(5)

где —магнитная проницаемость вещества.

Магнитная восприимчивость χ в зависимостиот природы вещества может приниматькак положительные, так и отрицательныезначения. Вещества, магнитнаявосприимчивость которых отрицательна,называются диамагнетиками. Онинамагничиваются против внешнего поля.

Вещества с положительной магнитнойвосприимчивостью намагничиваются повнешнему полю. Их можно разделить надва класса:парамагнетики иферромагнетики. Магнитнаявосприимчивость диа- и парамагнетиковмала (порядка 10-4– 10-6) ислабо зависит от величины внешнегомагнитного поля и температуры.

Следовательно, магнитная проницаемостьдиа- и парамагнетиков близка к единице.

Характерными особенностями ферромагнетиковявляются:

  • высокие значения χ, а следовательно и μ (от нескольких десятков до тысяч единиц);
  • зависимость магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля Н(типичная зависимость μ отН(кривая Столетова) показана на рис.1;
  • сильная зависимость μ от температуры: каждый ферромагнетик характеризуется определенным значением температуры (температура Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и ферромагнетик превращается в парамагнетик;
  • сложная зависимость величины магнитной индукцииВот напряженности магнитного поляН. График этой зависимости (рис.2) носит названиепетли гистерезиса.

Рисунок1 — Зависимостьмагнитной проницаемости ферромагнетикаот напряжённости магнитного поля (криваяСтолетова)

Ферромагнитнымисвойствами обладают железо, никель,кобальт, редкоземельные металлы, сплавына их основе и их соединения.

Особые свойства ферромагнетиковобусловлены тем, что даже в состоянииполного размагничивания он состоит избольшого числа областей самопроизвольногонамагничивания – доменов.Обычнодомены имеют размеры порядка 10-2– 10-3см. Каждый домен намагничендо насыщения, но при этом их векторынамагничиваниянаправлены так, что суммарный магнитныймомент образца равен нулю.

Процесс намагничивания ферромагнетиковсостоит в переориентации векторовнамагниченности доменов в направленииприложенного магнитного поля. В результатеобразец в целом приобретает намагниченность,не равную нулю.

В достаточно сильноммагнитном поле ферромагнетикнамагничивается до состояния насыщения,при котором весь образец представляетсобой один домен с магнитным моментом,направленным вдоль внешнего поля (точкаА на рис.2).

П

Рисунок 2 — Зависимость индукции магнитного поля в ферромагнетике от напряжённости магнитного поля (петля гистерезиса)

ри уменьшении величиныНзначение магнитной индукции вферромагнетикеВ уменьшается засчет возникновения и роста доменов смагнитным моментом, направленным противполя. Рост доменов сопровождаетсядвижением доменных стенок.

Этот процесспроисходит скачками из-за наличия вобразце различных дефектов инеоднородностей, на которых доменныестенки задерживаются. Для того, чтобыих сдвинуть требуется заметно изменитьмагнитное поле.

В результате приН =0 у образца сохраняется остаточнаянамагниченность и, как следствие,остаточная индукцияВr(рис.2). Наличием остаточногонамагничивания обусловлено существованиепостоянных магнитов.

Величина Вобращается в нуль лишьпод действием магнитного поля обратногонаправления, имеющего напряженность.ВеличинаНСназываетсякоэрцитивной силой.

При дальнейшемувеличении магнитного поля обратногонаправления образец вновь намагничиваетсядо насыщения (точка D). Последующееперемагничивание образца происходитпо кривой DEKA (рис.2). Кривые ABCD и DEKAсимметричны друг другу.

ЗначенияВrиНСявляются важнымихарактеристиками ферромагнитногоматериала.

Источник: https://studfile.net/preview/3896013/

Исследование магнитных свойств ферромагнетиков

Изучение магнитных свойств ферромагнетиков. Бугнина Г.А

По магнитным свойствам физические тела можно разделить на три класса: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики характеризуются относительной магнитной прони-цаемостью m £ 1, т.е. эти тела, внесенные в магнитное поле, ослабляют его. К диамагнетикам относятся инертные газы, дистиллированная вода, медь, золото, серебро, цинк, висмут, т.е. тела, атомы и молекулы которых характеризуются близким к нулю магнитным моментом в отсутствии магнитного поля.

Парамагнетики характеризуются m ³1. Они несколько усиливают магнитное поле, обычно на сотые доли процента, если их внести в это поле. Атомы парамагнетиков имеют небольшой магнитный момент и в отсутствии магнитного поля. К парамагнетикам относятся щелочные металлы, алюминий, кислород, азот.

Наиболее ярко магнитные свойства проявляются у ферромагнетиков, для которых m >> 1, то есть при внесении во внешнее магнитное поле они усиливают его во много раз.

К ферромагнетикам относятся железо и его сплавы, в том числе широко используемые в постоянных магнитах алюминиево-никелевые стали, никель, кобальт, полупроводниковые соединения типа MeO×Fe2O3, называемые ферритами, используемые в радиоэлектронике и элементах вычислительной техники.

Теория ферромагнетизма может быть вкратце сведена к следующим положениям: в ферромагнетиках при температурах, не превышающих критических значений, характерных для каждого типа ферромагнетика и называемых точкой Кюри (например, для железа точка Кюри равна 770 0С), существуют небольшие области с размерами 10-4…10-6 м, самопроизвольно намагниченные до насыщения, это — магнитные домены. Магнитные моменты различных доменов в отсутствии внешнего магнитного поля ориентированы хаотично, поэтому весь ферромагнетик в целом практически не обладает магнитным моментом, намагниченность его близка к нулю.

Причиной образования доменов является взаимодействие собственных (спиновых) магнитных моментов электронов в атомах ферромагнетиков, приводящее к ориентации их моментов в одном направлении.

Поскольку энергия магнитного поля возрастает пропорционально квадрату магнитного момента, то энергетически невыгодно, чтобы все тело, либо его крупные части, были намагничены в одном направлении, именно поэтому происходит дробление магнетика на домены, сравнительно небольшие магнитные моменты которых компенсируют друг друга.

Совершенно отличной от других магнетиков является зависимость вектора намагниченности ферромагнетика и магнитной индукции от напряженности внешнего магнитного поля

, (1)

, (2)

где c — магнитная восприимчивость ферромагнетика;

m0 = 4p×10-7 Гн/м — магнитная постоянная.

Рисунок 1

Эти зависимости носят нелинейный характер и образуют кривую, называемую петлей гистерезиса (от греческого — запаздывание). На ри-сунке 1 показан общий вид зависимости В = f(H).

При увеличении напряженности магнитного поля до некоторого значения HS наступает предельное значение Вm при полном, насыщаю-щем значении намагниченности тела сердечника JS.

При уменьшении напряженности магнитного поля до нуля, образец сохраняет остаточную магнитную индукцию BR (остаточную намагниченность JR).

Это свойство ферромагнетиков используется в элементах памяти вычислительных машин и в постоянных магнитах.

Если изменить направление магнитного поля на противоположное первоначальному, то при значении напряженности «-HC » намагничен-ность тела сердечника обращается в нуль. Такое значение напряжен-ности магнитного поля, при котором остаточная намагниченность исчезает, называется коэрцитивной силой.

Магнитотвердые материалы характеризуются коэрцитивной силой HC > 400 , а магнитомягкие характеризуются HC < 10 . Площадь петли гистерезиса пропорцио-нальна работе по перемагничиванию единицы объема ферромагнетика.

Поэтому понятно, что магнитомягкие материалы, характеризуемые узкой петлёй гистерезиса, используются в сердечниках трансформато-ров, то есть там, где надо снижать потери энергии на перемагничивание, а магнитотвердые стали используются в постоянных магнитах.

4 ПРИБОРЫ И ПРИНААДЛЕЖНОСТИ

1 Тороидальный трансформатор.

2 Электронный осциллограф.

3 Понижающий трансформатор 220/42.

4 Источник питания (УИП-2, или делитель напряжения).

5 ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема лабораторной установки для изучения фер-ромагнетиков в переменном магнитном поле изображена на рисунке 2.

В качестве исследуемого образца используется ферромагнитный сердечник тороидального трансформатора Т, первичная обмотка которого питается от потенциометра Rп , подключенного к источнику переменного напряжения U = 42 В.

Возникающий при этом ток I1 создает на сопротивлении R1 падение напряжения Ux, связанное с напряженностью переменного магнитного поля H трансформатора T соотношением

, , (3)

где l1 — длина первичной обмотки трансформатора Т (средняя длина тороидального сердечника); I1 — сила тока, намагничивающего образец; N1 — число витков первичной обмотки.

Рисунок 2

Таким образом, на вход X осциллографа подается напряжение Ux, пропорциональное напряженности Н магнитного поля тороидального трансформатора Т.

Для измерения магнитной индукции В в ферромагнитном сердечни-ке тороидального трансформатора Т применяется метод, основанный на законе электромагнитной индукции

e = — .

Поскольку потокосцепление

Ф = BSN2,

где S — сечение тороида;

N2 — число витков вторичной обмотки трансформатора Т, то

= .

Следовательно, напряжение во вторичной обмотке пропорционально производной . Для того чтобы подать на вход Y осциллографа напряжение Uy, пропорциональное В, необходимо между вторичной обмоткой трансформатора Т и входом Y осциллографа включить интегрирующую цепочку R2C (рисунок 2). Действительно, преобразовав предыдущее выражение, получим

, (4)

— закон Ома для переменного тока,

где I2 — ток во вторичной обмотке трансформатора Т;

R2 -активное сопротивление (рис. 2).

ЭДС самоиндукции вторичной обмотки считаем незначительной, т.к. число витков невелико.

R2 и C подобраны таким образом, что индуктивное и емкостное сопротивления пренебрежимо малы по сравнению с активным R2, тогда и

, (5)

где — величина заряда на обкладках конденсатора C. Следовательно,

, .

Таким образом, напряжение Uy на конденсаторе C, подаваемое на вход Y осциллографа, пропорционально индукции магнитного поля B в ферромагнитном сердечнике тороидального трансформатора Т.

При подаче напряжения Ux на горизонтально отклоняющие пластины, а Uy — на вертикально отклоняющие пластины происходит сложение двух взаимно перпендикулярных колебаний электронного луча.

В результате за полный период колебаний луч воспроизводит на экране осциллографа в определенном масштабе петлю гистерезиса, которая может служить основой для изучения магнитных характеристик ферромагнетиков.

6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

а) Подготовка установки к измерениям

1 Включить осциллограф, прогреть его 5…7 минут.

2 Установить ручки управления усилением входных сигналов осциллографа по осям «X» и «Y» в нулевое положение.

3 Электронный луч осциллографа сфокусировать в центр экрана.

4 Включить рабочую установку через понижающий трансформатор 220/42 в сеть и подключить ее к осциллографу. Напряжения установки Ux и Uy подаать соответственно к входам X и Y осциллографа (при этом клеммы “Земля” осциллографа и установки соединяются между собой).

5 Ручку потенциометра Rп установить в положение, соответствующее максимальному напряжению на первичной обмотке трнсформатора Т и получению насыщенной петли гистерезиса на экране осциллографа.

6 Ручками “Усиление» и «Синхр” добиться оптимального расположения насыщенной петли гистерезиса на экране осциллографа (при дальнейших измерениях эти ручки не трогать).

б) Проведение измерений

1 Измерить (в делениях шкалы по осям X и Y) коэрцитивную силу и остаточную магнитную индукцию на по-лученной петле гистерезиса (l0x и l0y— длины сечения площади петли осью X и Y). Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

U0x, BH0, A/мU0y, BB0, Тл

2 Отключив усиление по оси Y (отсоединить установку от входа “Усиление Y” осциллографа), измерить длину отрезка lx1, соответствующего сигналу на входе X. Тоже произвести с усилением по оси X, измерив длину отрезка ly1 по оси Y. Измеренные значения x1 и y1 занести в таблицу 2 (столбец “насыщение”, ).

Таблица 2

  i Насы-щение Д о н а с ы щ е н и я  
xi=
Uxi (В)
Hi (A/м)
yi=
Uyi (В)
Bi (Тл)
mI

3 Уменьшая петлю гистерезиса с помощью потенциометра Rп установки, провести такие же измерения lxi и lyi для 5 различных петель. Занести значения в таблицу 2.

4 Произвести градуировку осциллографа по пункту в).

в) Градуировка экранной сетки осциллографа

1 Отключить рабочую установку от осциллографа.

Таблица 3

i
Uxi (В)
xi=
Uyi (В)
yi=

2 Подать на “Вход X” напряжение Uxi от источника постоянного тока (делителя) и замерить длину lxi соответствующего ему сигнала на экранной сетке осциллографа. Результаты измерений xi= и Uxi занести в таблицу 3 и построить градуировочный график xi=f(Uxi).

3 Аналогичные измерения провести по оси Y, подавая напряжения Uyi на “Вход Y” и замеряя длину lyi. Результаты y i = и Uyi занести в таблицу 3 и построить зависимость yi=f(Uyi).

г) Обработка результатов измерений

1 Рассчитать напряженность Hi и магнитную индукцию Bi по формулам

и

Результаты расчетов занести в таблицу 2.

H0=k1U0x, B0=k2U0y — занести в таблицу 1.

2 Построить основную кривую намагничивания Bi=f(Hi) по данным таб-ллицы 2.

3 Рассчитать относительное значение магнитной проницаемости по формуле , занести эти значения в таблицу 2 и построить график зависимости mi = f(Hi).

4 По графику mi = f(Hi) определить максимальное значение магнитноц проницаемости mmax и ее начальное значение (a опредляется по наклону касательной, проведенной в начальной точке кривой Bi=f(Hi)).

5 Полученные характеристики ферромагнетика занести в таблицу 4.

Таблица 4

Данные mmax m1H0, А/мB0, Tл
Лабораторные
Справочные
Отклонение

Дата добавления: 2016-01-03; просмотров: 1249; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/6-37768.html

Biz-books
Добавить комментарий