Исследование гистерезиса ферромагнетиков. Отчет по лабораторной работе 11 исследование гистерезиса ферромагнетиков

• Название: Отчет по лабораторной работе 11 исследование гистерезиса ферромагнетиков
• Анкор: Исследование гистерезиса ферромагнетиков
• Дата: 22.05.2023
• Размер: 0.64 Mb.
• Имя файла: lab11-var1.doc
• Тип: Отчет; #1151600

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ОТЧЕТ

ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 11

«ИССЛЕДОВАНИЕ ГИСТЕРЕЗИСА ФЕРРОМАГНЕТИКОВ »

ВЫПОЛНИЛ: МАЦЯС С.И.

ГРУППА: 0113

ФАКУЛЬТЕТ: ФРТ

Санкт-Петербург

2001

Цель работы: изучение магнитного поля в веществе на примере исследования динамической петли магнитного гисте­резиса ферромагнетика; определение основных характеристик ферромагнетика.

Приборы и принадлежности: тороидальный трансформа­тор, измерительная цепь с осциллографом.

Общие сведения. Все вещества являются магнетиками, т.е. способны приобретать во внешнем магнитном поле маг­нитный момент — намагничиваться.

Намагниченность вещества характеризуется магнитным моментом его единицы объема, называемым вектором намаг­ниченности или просто намагниченностью

,

где — векторная сумма магнитных моментов атомов (молекул) в физически малом объеме .

Намагниченность характеризует собственное (внутреннее) поле вещества и связана с напряженностью магнитного поля соотношением

,

где — характерная для данного магнстика величина, назы­ваемая магнитной восприимчивостью.

Основная же (силовая) характеристика магнитного поля — индукция — связана с намагниченностью и напряжснностыо магнитного поля в веществе соотношением

(1)

— магнитная постоянная; — от­носительная магнитная проницаемость вещества.

Все магнетики подразделяются на три группы:

1. Диамагнстики — вещества, у которых магнитные моменты каждого атома (молекулы) в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Только во внешнем магнитном поле у таких веществ появляется наведенный магнитный момент, направленный против внешнего поля. Поэтому у диамагнетиков . Само значение невелико:

2. Парамагнетики — вещества, у которых магнитные мо­менты атомов (молекул) в отсутствие внешнего магнитного нуля отличны от нуля, но их векторная сумма равна нулю, так как различны направления магнитных моментов (глав­ным образом из-за хаотического теплового движения атомов и молекул). Магнитные моменты атомов парамагнетиков во внешнем магнитном поле ориентируются по полю, поэтому у парамагнетиков и имеет значение

3. Ферромагнетики — вещества, способные обладать намагниченностыо в отсутствие внешнего магнитного поля. Внутреннее магнитное поле в сотни и тысячи раз превышает вызвавшее его внешнее поле. Величина и достигает значения Для ферромагнетиков характерна нелинейная зависимость между индукцией В и напряженностью Н магнитного поля, так как в этих веществах магнитная восприимчивость , а следовательно, и магнит­ная проницаемость зависят от Н.

Зависимость магнитной индукции в ферромагнетике от напряженности периодически изменяющегося со временем внешнего магнитного поля отображается замкнутой кривой (рис. 6.1), называемой динамической петлей магнитного ги­стерезиса. Участок 1—2—3 соответствует кривой намагничения ферромагнетика, намагниченность которого первоначаль­но была равна нулю. Эта кривая называется основной или нулевой кривой намаг­ничивания.

Форма и площадь петли зависят от скорости измене­ния : чем выше частота намагничивающего поля, тем больше потери энергии на перемагничивание и сильнее отставание намагниченно­сти и индукции от их статического значения при данной величине (магнит­ная вязкость).

При уменьшении напря­женности внешнего ноля до нуля намагниченность не исчезает и характеризуется величиной , называемой остаточной намагниченностью.


Рис. 6.1

Значение индукции , сохраняющееся при этом у ферромагнетика (рис. 6.1), называется остаточной индукцией. Наличие у магнетика является основой для создания магнитов.

Индукция обращается в нуль лишь под действием поля , имеющего направление, противоположное полю, вызвав­шему намагничивание. Напряженность называется коэрци­тивной силой. Большой коэрцитивной силой обладают «твер­дые» магнитные материалы, имеющие широкую петлю гисте­резиса.

Методика эксперимента. В работе изучается гистерезис ферромагнетика при намагничивании в переменном магнит­ном поле частотой 50 Гц и определяются остаточные индук­ция и намагниченность , коэрцитивная сила , максимальное значение магнитной проницаемости , потери энергии при перемагничивании ферромагнетика.

Схема экспериментальной установки показана на рис. 6.2. На кольцевом сердечнике, выполненном из ферромагнетика, имеющем площадь сечения и длину средней линии , раз­мещены две катушки — возбуждающая и индикаторная с чис­лом витков и , соответственно.

Петля гистерезиса наблюдается на экране осциллографа. На - вход осциллографа подают напряжение , про­порциональное току , т. е. напряженности внутри возбуждающей катушки

(2)

Переменное магнитное поле является источником переменного потока магнитной индукции , пронизывающего витки индикаторной катушки.



Рис. 6.2
В результате в индикаторной катушке возникает ЭДС индукции , вызывающая ток (здесь пренебрегают индуктивным сопротивлением катушки и емкостным сопротивлением конденсатора , ма­лыми по сравнению с сопротивлением ). Этот ток создает на конденсаторе С1 емкостью напряжение

, (3)

которое подается на y - вход осциллографа.

Таким образом, на x - входе осциллографа действует на­пряжение, пропорциональное напряженности Н, а на y - вхо­де — индукции В магнитного поля, и на экране осциллографа наблюдается кривая, воспроизводящая в некотором масштабе петлю гистерезиса.

Характеристики ферромагнетика определяются по изобра­жению петли гистерезиса на экране осциллографа и значе­ниям цены делений экрана и , выраженным в единицах напряженности и индукции магнитного поля, соответственно. Значения и , согласно выражениям (2) и (3), равны





и рассчитываются после определения цены делений экрана в единицах напряжения и . Умножением масштабных множителей и на соответствующие размеры, измеренные по изображению петли гистерезиса, определяют значения . Величину рассчитывают из соотношения (1) подстановкой в него значений и .

Максимальное значение магнитной проницаемости опреде­ляется по графику зависимости . В связи с неоднознач­ностью зависимости В(Н) в ферромагнетике понятие магнит­ной проницаемости применяется лишь к основной кривой на­магничения. Согласно (1) величина равна



где В — значение индукции, определяемое по основной кривой намагничения при заданной величине Н.

Потери энергии в единице объема ферромагнетика за цикл перемагничивания равны площади петли гистерезиса (в еди­ницах ); ее можно определить с помощью планиметра или прямым подсчетом площади (по клеткам) с умножением на соответствующие масштабные коэффициенты.

Указания по выполнению наблюдений и обработке результатов

1. Собрать схему и включить установку.

2. Потенциометр R1 вывести в крайнее левое положение и включить осциллограф.

3. Измерить координаты положения луча в деле­ниях сетки экрана осциллографа. Отличные от нуля значения должны учитываться как систематические погрешно­сти при расчетах по пп. 7 и 8.

4. При полностью введенном потенциометре R1 перенести на кальку изображение петли гистерезиса, отметив оси коор­динат.

5. Определить значения масштабных множителей и (см указания на панели установки) и рассчитать значения и .

6. Уменьшая с помощью потенциометра R1 ток через воз­буждающую обмотку до нуля, последовательно получить на экране осциллографа петли гистерезиса при различных (8…10 значений). Измерить для каждой из них координаты вершины .

7. Рассчитать значения , соответствующие , и построить основную кривую намагничения.

8. По наибольшей петле гистерезиса и значениям и определить остаточные индукцию и намагниченность , коэрцитивную силу , потери энергии в единице объема магнетика за один цикл перемагничивания.

9. Рассчитать значения и построить график зависимости . Определить максимальное значение магнитной прони­цаемости .

Обработка результатов

1.


2.






3.






4.

Т.к. , тогда

; ; ; ; ; ; ;
;

Вывод: в ходе этой лабораторной работы мы изучили магнитное поле в веществе на примере исследования динамической петли магнитного гисте­резиса ферромагнетика, получили графическое представление петли гистерезиса и определили основные характеристики ферромагнетика: остаточную индукцию , намагниченность , коэрцитивную силу , потери энергии в единице объема магнетика за один цикл перемагничивания . Построили график зависимости , основную кривую намагничения, определили максимальное значение магнитной проницаемости .

Протокол наблюдений

I	1	2	3	4	5	6	7	8

Выполнил: Мацяс, 0113
19.02.01
Проверил: Осипов