Изучение магнитного гистерезиса (Лабораторная работа № 44)

Парамагнетиками называются вещества, атомы которых в отсутствие внешнего магнитного поля имеют отличный от нуля магнитный момент _. Парамагнетики обладают магнитной проницаемостью большей единицы, но не намного,  

Ферромагнетиками называются твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий - магнитного поля, деформации, изменения температуры. Ферромагнетики обладают большой магнитной проницаемостью , причем  сильно зависит от напряженности магнитного поля. По этой причине в ферромагнетиках магнитную проницаемость определяют по формуле:

.

У ферромагнетиков вследствие зависимости   и () от напряженности магнитного поля функциональная связь  и  (рис.1) является нелинейной.

Атомы (молекулы) ферромагнетиков характеризуются, во-первых, большим значением магнитного момента:

Рис. 13.1

где   - целое число, значение которого составляет 3 - 5,  - магнетон Бора. Во-вторых, для ферромагнетиков характерно значительное взаимодействие соседних атомов, называемое обменным. В результате обменного взаимодействия магнитные моменты соседних атомов ориентируются в одном направлении и образуют области спонтанной (самопроизвольной) намагниченности - домены.

Средний размер домена составляет 10^{-4 см, что значительно больше размеров атома} » 10^{-8 см.}

Намагниченность ферромагнетика в целом определяется ориентацией намагниченности доменов. При хаотической ориентации , при той или иной степени упорядоченности имеется остаточная намагниченность _.

Рис. 13.2

Способность вещества сохранять намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля приводит к неоднозначной зависимости , называемой магнитным гистерезисом. Таким образом, намагниченность ферромагнетика определяется еще и начальными условиями. Петлей гистерезиса (рис.2) называется кривая изменения магнитной индукции ферромагнитного тела, помещенного во внешнее магнитное поле, при изменении напряженности последнего от +, до , и обратно, где  - напряженность магнитного поля, соответствующая насыщению.

Величина ±, магнитной индукции, возникающая при значении напряженности внешнего поля, равной , называется индукцией насыщения. Величина магнитной индукции _, сохраняющейся в образце после уменьшения напряженности поля от , до 0, называется остаточной индукцией. Ее существование является основой создания постоянных магнитов

Напряженность , обратного поля, доводящего магнитную индукцию до нуля, называется коэрцитивной силой (задерживающей напряженностью). Площадь петли гистерезиса  (потери на гистерезис) прямо пропорциональна работе, совершенной при перемагничивании:

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Блок-схема установки для изучения магнитного гистерезиса изображена на рисунке 3. Здесь ГЗ - звуковой генератор; ФПЭ - кассета ФПЭ-07/02; ЭО - электронный осциллограф.

Рис.  3

 

Синусоидальное напряжение, вырабатываемое генератором низкой частоты ГЗ, подается на вход РQкассеты ФПЭ-07/02 и запитывает первичную обмотку трансформатора (см. рис. 4.).  Первичная обмотка является намагничивающей. Она создает в исследуемом ферритовом сердечнике магнитное поле напряженностью . Пропорциональное напряженности  напряжение  на сопротивлении  подаётся с выхода  кассеты  на вход осциллографа .

Пропорциональное магнитной индукции  напряжение с гнезда                                        кассеты подается на вход осциллографа у. 

        Тогда на экране осциллографа получается  петля гистерезиса.

Принципиальная схема установки изображена на рис. 4. Первичная обмотка трансформатора питается переменным током  через сопротивление . Индукция магнитного поля внутри обмотки:

,

где  - число витков на единицу длины сердечника.

Напряжение , подаваемое на вход  с сопротивления , равно:

.

Отсюда:

                                               (1)

где   .                     

Во вторичной обмотке источником тока является ЭДС индукции, равная:

.

Потокосцепление  равняется произведению магнитного потока  на число витков вторичной обмотки:

                                                        (2)

где  - площадь поперечного сечения исследуемого ферритового сердечника,  -число витков вторичной обмотки. Дифференцируя формулу (2), получаем для ЭДС

.

Закон Ома для вторичной цепи имеет вид:

                                            (3) 

Напряжение на конденсаторе  выражается через силу тока

                                        (4)

где - ёмкость конденсатора, - заряд конденсатора.

При большом значении сопротивления  первым слагаемым в правой части (3) можно пренебречь и найти силу тока по формуле , то есть

                                               (5)

Теперь из выражения (4) для   получаем:

отсюда

,                                                   (6)

где                                                    .                                                 (7)

Под действием напряжений  и  электронный луч описывает на экране осциллографа петлю гистерезиса.

3.  ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание: Снять кривую намагниченности, измерить параметры ферромагнетика, оценить потери на перемагничивание.

Все величины, полученные в результате измерений и вычислений, внести в протокол измерений в соответствии с порядком выполнения работы и формой протокола.

1) Включите и прогрейте установку. Установите по заданию преподавателя частоту генератора ГЗ из интервала