МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Фи з и ч е с к и й ф а к ул ь т е т

Кафедра общей физики

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Часть 3. Электричество и магнетизм

Новосибирск, 1988

3. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ И В ВЕЩЕСТВЕ

Лабораторная работа 3.1

ФЕРРОМАГНЕТИКИ

Цель работы - изучение основных характеристик ферромагнетиков.

Магнитные свойства присущи всем без исключения окружающим нас телам. Магнетизм так же универсален, как тяготение и электричество. Однако не у всех тел эти свойства проявляются в одинаковой степени. По характеру воздействия магнитного поля на вещество различают два - ( 0,1 << χµ ), пара-( 0,1 >> χµ ) и ферромагнетики ( 0,1 ≥≥ χµ ); µ и χ -магнитная проницаемость и восприимчивость соответственно.

В данной работе изучаются свойства ферромагнетиков. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, гадолиний, ряд других редкоземельных металлов, сплавы этих металлов между собой и с другими металлами, а также ферромагнитные полупроводники - ферриты. Характерной особенностью ферромагнетиков является то, что они состоят из большого количества областей (доменов), каждая из которых самопроизвольно (спонтанно) намагничена до насыщения. Существование спонтанной намагниченности определяет основные свойства ферромагнетиков: нелинейную зависимость намагничивания M

! (индукции B

! ) от напряженности магнитного ноля

H!

, насыщение в сравнительно слабых полях, большую величину магнитной проницаемости µ , явление гистерезиса при циклическом перемагничивании образца, магнитострикционный эффект /1/. Следуёт заметить, что перечисленные свойства присущи ферромагнетикам Кюри /8/.

Изучение свойств ферромагнетиков важно провести на установке, схема которой приведена на рис.1,

Исследуемый образец (3) помещается в длинную намагничивающую катушку (1) (соленоид), напряженность магнитного поля которой в системе СИ имеет вид

Рис. 1. Схема установки для наблюдения петли гистерезиса:

1- намагничивающая катушка; 2 - измерительная катушка; 3 - исследуемый образец .

LNIH = (1)

где L , N , L - длины, число витков катушки и ток через нее. Падение напряжения XU на сопротивлении 1R пропорционально напряженности магнитного поля

HNLRIRU X1

1 == (2)

Если на X - вход осциллографа подать это напряжение, то отклонение луча по горизонтали будет пропорционально напряженности магнитного поля H .

Поверх соленоидов намотана короткая измерительная катушка (2) с числом витков 0N . наведенная в ней при измерении поля в соленоиде эдс пропорциональна производной магнитной индукции B .

−=

dtdBSN0ε (3)

Здесь S - площадь сечения витка, BS=φ - магнитный поток. Напряжение с катушки подается на интегрирующую цепочку (рис.2). Уравнение Кирхгофа для такой цепи имеет вид

∫+=t

IdtC

IR0

21ε (4)

( I - ток в цепи). Если параметры 2R и C подобрать так, чтобы выполнялось

условие ε<<CU , то ( )tU R ε≈ и ( )2RtI ε= . Тогда напряжение на конденсаторе с

точностью до числового множителя равно интегралу от входного напряжения.

( )∫∫ ==t

C dttCRIdtCU0

211 ε (5)

Подставив в полученное выражение уравнение (3), получим

Рис. 2. Схема интегрирующей цепочки

τSBN

CRSBNUC

0

2

0 −=−= (6)

( CR2=τ называется постоянной времени интегрирующей цепочки). Подав это напряжение на Y - вход осциллографа, получим смещение луча по вертикали, пропорциональное индукции в образце.

Питание схемы осуществляется переменным напряжением с частотой 50 Гц, что позволяет получить на экране осциллографа полную петлю гистерезиса (рис. 3). При последовательном изменении магнитного поля от 0 до maxH координаты вершины петли гистерезиса нарисуют на экране осциллографа основную кривую намагничивания ( )HM или ( )HB (для ферромагнетика HM >> , поэтому MB π4≈ ).

Рис. 3. Петля гистерезиса

Отметим некоторые особенности применяемой в данной работе установки. Используемый для намагничивания образцов соленоид имеет конечную длину, поэтому формула (1) применима приближенно. С расчетом полей в соленоиде конечной длины можно познакомиться в книге/16/.

Поток в измерительной катушке состоит из двух частей потока, проходящего через образец, и потока, проходящего сквозь катушку вне образца. При исследовании ферромагнетиков ( 1>>µ ) потоком вне образца можно пренебречь. Поэтому в формулах (3), (6) площадь S совпадает с площадью сечения образца.

При изучении процесса перемагничивания ферромагнетиков в переменных полях возможны искажения кривой гистерезиса вызванные фазовыми искажениями в схеме. Величину фазового сдвига можно измерить по эллипсу на экране осциллографа после удаления ферромагнетика из соленоида.

Задания

1. Соберите схему на рис.1. Поместите в соленоид исследуемый образец (стержень, длина которого равна длине соленоида). Регулируя ток через соленоид, величины 2R и C ,

получите на экране осциллографа петли гистерезиса с участком насыщения. 3арисуйте осциллограмму.

Постепенно уменьшая подаваемое напряжение с помощью ЛАТРа, зарисуйте основную кривую намагничивания.

Из полученных зависимостей определите: коэрцитивное поле CH , остаточную намагниченность 0B , потери на перемагничивание, зависимость ( )Hµ . Назовите источники ошибок и оцените их величину.

2. Повторите эксперимент дли стержней меньшей длины. Сравните полученные осциллограмм и объясните их различие.

3. Объясните необходимость использования в схеме трансформатора и ЛАТРа.

Интернет версия подготовлена на основе издания: Описание лабораторных работ. Часть3. Электричество и магнетизм. Новосибирск: Изд-во, НГУ, 1988

Физический факультет НГУ,1999

Лаборатория электричества и магнетизма НГУ,1999,http://www.phys.nsu.ru/electricity/