girniy.ru |
1
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №24 Исследование свойств ферромагнитных материаловЦель работы:
1. Указания к работе1.1. Ферромагнитные материалыМатериалы по своим магнитным свойствам делятся на ферромагнитные, парамагнитные и диамагнитные. Наибольшее применение в электротехнических устройствах находят ферромагнитные материалы или просто магнетики. К ним относят сплавы на основе железа, никеля, кобальта, гадолиния и других редкоземельных элементов, их соединения, а также сплавы и соединения марганца и хрома. Результирующая индукция магнитного поля в магнетиках складывается из индукции B0 внешнего поля и индукции B' магнитного поля, порождаемого магнетиком:
Вводя понятие вектора намагниченности J, определяющего магнитный момент единицы объема вещества, получаем
где H - вектор напряженности магнитного поля; 0 - магнитная проницаемость вакуума (магнитная постоянная) 4.10-7 Гн/м. Общепринятой является следующая форма записи для вектора магнитной индукции:
где - относительная магнитная проницаемость среды. Для ферромагнетиков значительно больше единицы. Для них характерно также и то, что магнитная проницаемость зависит от внешнего магнитного поля и от предыстории намагничивания данного образца. Даже в отсутствие внешнего магнитного поля они могут обладать намагниченностью. В этом ферромагнетики аналогичны сегнетоэлектрикам. Подобно последним, кривая намагничивания ферромагнитного материала (зависимость B от H) имеет вид петли, называемой петлей гистерезиса ("гистерезис" - отставание) (рис.1). Природа ферромагнетизма может быть рассмотрена только на основе квантовой механики. В рамках классической теории дается лишь качественное объяснение данного явления. В ферромагнетиках ответственными за их магнитные свойства являются собственные (спиновые) магнитные моменты электронов. В пределах макроскопических областей (порядка нескольких микрометров) магнитные моменты всех атомов ориентируются вдоль одного общего направления. Такие области называются доменами. В пределах домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом, но направление этого момента различно для различных доменов. Поэтому в отсутствие внешнего магнитного поля (и остаточной намагниченности) суммарный магнитный момент ферромагнетика равен нулю. Рис.1. Кривая намагничивания. Увеличение намагниченности при росте напряженности внешнего магнитного поля происходит в три этапа. На первом этапе при слабых полях происходит смещение границ и поворот граничных стенок, вследствие чего увеличиваются те домены, магнитные моменты которых составляют меньший угол с напряженностью магнитного поля за счет доменов, у которых этот угол больше (домены 1 и 3 на рис.2 увеличиваются за счет доменов 2 и 4). На втором этапе наблюдается полное исчезновение доменов с "невыгодной" ориентацией. На третьем этапе происходит постепенный поворот магнитных моментов всех доменов в направлении поля до тех пор, пока весь ферромагнитный материал не превратится в однодоменный кристалл и не будет достигнуто состояние насыщения.
1.2. Кривая намагничивания.Важнейшей характеристикой ферромагнитного материала является зависимость B = f(H), называемая кривой намагничивания. Впервые получена в 1871 г. русским физиком Столетовым А.Г. Если ферромагнетик был первоначально размагничен (B = 0, H = 0), то его намагничивание идет по основной кривой ОА (рис.1). В точке А индукция BH и напряженность HH соответствуют состоянию магнитного насыщения. Если начать размагничивание материала, то оно будет происходить вдоль кривой ACDA'. При H = 0 намагниченность не исчезнет, а будет принимать значение, соответствующее отрезку ОС ( Br - остаточная индукция). Для ее уничтожения надо приложить поле с напряженностью H = HC (отрезок ОD). Величина HC называется коэрцитивной силой. В точке A' вновь достигается состояние насыщения. Дальнейшее перемагничивание будет происходить по кривой A'C'D'A. Замкнутая кривая зависимости B = f(H) называется петлей гистерезиса. Площадь, ограниченная петлей гистерезиса, характеризует так называемые потери из-за гистерезиса в единице объема магнетика (нагревание материала) за один цикл перемагничивания. 1.3. Конструкционные ферромагнитные материалы
2. Рабочее задание2.1. Экспериментальная частьПринципиальная схема установки представлена на рис.4. На первичную обмотку трансформатора (Тр) подается переменное напряжение. В цепь первичной обмотки включен резистор R1. В сердечнике трансформатора из исследуемого ферромагнитного материала создается переменное магнитное поле, напряженность которого пропорциональна силе тока, идущего через сопротивление R1. Следовательно, если с резистора R1 подать напряжение на вход X осциллографа, то отклонение электронного луча на экране будет пропорционально напряженности H магнитного поля.
2.2. Расчетная часть1. Рассчитать величину сопротивления R1 (рис.4) как эквивалентное сопротивление параллельно включенных резисторов (сопротивление каждого резистора 240 Ом). 2. Вычислить напряженность магнитного поля, используя следующую формулу:
где = 1770 1/м; mx - масштаб осциллографа по горизонтали, mx = 0,625 В/см; R1 (Ом); H(см) - результат измерения, берется из таблицы 1. Результаты вычислений занести в таблицу 1. 3. Вычислить индукцию магнитного поля, используя следующую формулу:
где - определяется по таблице 2; my - масштаб осциллографа по вертикали, my = 1 В/см; B(см) - результат измерения, берется из таблицы 1. Результаты вычислений занести в таблицу 1. Таблица 2
4. Вычислить работу перемагничивания Ап, отнесенную к единице объема ферромагнитного материала, за один цикл.
где Sп(см2) - результат измерения, берется из таблицы 1. Результаты вычислений занести в таблицу 1. 5. Построить в одной системе координат полученные экспериментально петли гистерезиса.
3. Содержание отчета.1. Наименование и цель работы. 2. Технические данные электроизмерительных приборов. 3. Схема экспериментальной установки. 4. Результаты измерений. 5. Пример и результаты расчетов. 6. Графики петель гистерезиса и основной кривой намагничивания. 7. Выводы. 4. Контрольные вопросы.1. Что означает насыщение ферромагнетика? 2. Каковы основные свойства ферромагнетиков? 3. Как ведут себя домены при увеличении напряженности внешнего магнитного поля? 4. Что такое основная кривая намагничивания и как ее получают? 5. Как определяется остаточная индукция и коэрцитивная сила? 6. Что определяет площадь петли гистерезиса? 7. Чем обусловлены потери энергии при перемагничивании? Список рекомендуемой литературы1. Б.А. Волынский, Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников. Электротехника: Учеб.пособие для вузов.-М.:Энергоатомиздат,1987.- с.201-213. 2. Касаткин А.С., Немцов В.М. Электротехника.-М.:Энергоатомиздат, 1983.- с.145-149. |