Изучение магнитного гистерезиса с помощью электронного осциллографа (Лабораторная работа № 5)

Лабораторная работа № 5

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА С ПОМОЩЬЮ

ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

     Цель работы: изучение явления магнитного гистерезиса в трансформаторной стали, измерение ее магнитных характеристик.

     Приборы и принадлежности: 1) тороид; 2) источник переменного тока; 3) амперметр; 4) осциллограф, тип СI-73; 5) магазин сопротивлений; 6) магазин емкостей, тип Р-583; 7) потенциометр; 8) соединительные провода.

ФЕРРОМАГНЕТИКИ.

     Ферромагнетики (железо, никель, кобальт, сплавы на основе этих элементов, а также на основе хрома и марганца, некоторые редкоземельные элементы и т.д.) обладают специфическими магнитными свойствами.

     1. Они способны сильно намагничиваться даже в слабых внешних полях. Это означает, что магнитная восприимчивость и относительная магнитная проницаемость   ферромагнетиков велики (). Для парамагнетиков  не превышает .

     2. Зависимость намагниченности (суммарного магнитного момента атомов в единице объема вещества) , а также индукции от напряженности поля нелинейная (рис.5.1 и рис.5.2). Здесь  - магнитная постоянная. При некотором значении  достигается состояние  магнитного насыщения. Кривая  становится почти горизонтальной, а    идет линейно под некоторым углом к оси абсцисс. Нелинейная зависимость  и от объясняется тем, что  и  не являются постоянными величинами для данного вещества, а сами зависят от (рис.5.3).

Рис. 5.1                               Рис. 5.2                                     Рис. 5.3

3. В ферромагнетиках наблюдается магнитный гистерезис (гистерезис-отставание, задерживание, запаздывание), т.е. отставание индукции в веществе от напряженности намагничивающего поля (рис. 5.4).

4. Каждое вещество этой группы ферромагнитно лишь при температурах ниже некоторой (различной для разных веществ), называемой температурой или точкой Кюри . При температурах выше  эти вещества теряют ферромагнитные свойства и становятся обычными парамагнетиками.

          В «коллективе» же, в твердом кристаллическом теле при определенных условиях образуется так называемая доменная структура. Доменами называются небольшие // области, каждая из которых спонтанно /самопроизвольно/ намагничена до насыщения. Это означает, что без внешнего поля, т.е. под действием только внутренних причин, собственные магнитные моменты всех атомов отдельного домена ориентируются в одном направлении. Домен, в целом, обладает определенным магнитным моментом. Для различных доменов направление их моментов различно, поэтому суммарная намагниченность всего тела может быть равна нулю. Во внешнем магнитном поле в веществе происходят сложные и многообразные процессы. Упрощенно явление можно представить как ориентацию магнитных моментов доменов / а не отдельных атомов, как в парамагнетиках / вдоль поля. Это приводит к сильному намагничиванию. При достаточных полях магнитные моменты всех доменов выстраиваются вдоль поля – в намагничивании вещества наступает насыщение.

          Гистерезис. Магнитные свойства ферромагнетиков исследуются обычно с помощью кривых намагничивания . Эта зависимость неоднозначная, существенным является начальное состояние образца. Если вначале он полностью размагничен, то при монотонном увеличении напряженности от нуля изменение индукции происходит по начальной (основной) кривой намагничивания ОА (см. рис. 5.4). Скорость подъема кривой характеризуется дифференциальной магнитной проницаемостью . Дойдя до лежащей в области насыщения точки А, начнем уменьшать напряженность . Индукция при этом будет уменьшаться по кривой АД, лежащей выше кривой намагничивания ОА. Происходит отставание индукции от напряженности намагничивающего поля  . Это явление и называется гистерезисом. Вследствие гистерезиса величинапосле снятия поля // не обращается в ноль, а сохраняет некоторое значение – отрезок ОД, //, т.е. для снятия остаточной намагниченности нужно создать поле  (отрезок ОК) противоположного направления, которое называется коэрцитивной (задерживающей) силой. Дальнейшее увеличение отрицательного поля вызовет в веществе индукцию обратного направления вплоть до насыщения (точка А₁). Уменьшая затем напряженность до нуля, получим отрицательную остаточную индукцию (отрезок ОД₁). Отрезок ОК₁ определяет величину коэрцитивной силы, необходимой для снятия отрицательной остаточной индукции. При дальнейшем увеличении кривая от точки К₁ пойдет вверх и замкнется. Полученный график в виде петли называется петлей гистерезиса.

          Если изменение индукции происходит от насыщения в одном направлении до насыщения в другом, то петля гистерезиса называется максимальной или полной. Если изменение происходит между меньшими значениями, то получаются частные петли, лежащие внутри полной (см. рис. 5.4). Вершины частных петель лежат на основной кривой намагничивания ОА. Отсюда понятна неоднозначность зависимости от       . Для любого фиксированного , равного, например, , индукция в веществе может иметь значения, лежащие в интервале между  и .

          Истинные значения коэрцитивной силы , индукции насыщения  и остаточной индукции  можно определить только по максимальной петле гистерезиса.