Лабораторная работа №17 изучение кривой магнитной индукции в железе по методу столетова



Скачать 67.11 Kb.
Дата08.05.2013
Размер67.11 Kb.
ТипЛабораторная работа
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 17

ИЗУЧЕНИЕ КРИВОЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В ЖЕЛЕЗЕ ПО МЕТОДУ СТОЛЕТОВА
1. Введение
Цель работы: изучение зависимости магнитной индукции и магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля для ферромагнитного материала.

Магнитное поле в веществе создается не только макротоками (свободными зарядами, движущимися упорядоченно в проводнике под действием электрического поля), но и микротоками, обусловленными внутриатомным движением электронов. Внутриатомные движения сложны, подчиняются квантовым законам. По современным представлениям магнетизм вещества объясняется как орбитальным движением электронов вокруг ядер атомов, так и собственным, или спиновым, моментом электронов. В ферромагнитных телах определяющее значение имеет спиновое движение.

И то, и другое движение электрона характеризуется величиной магнитного момента . Полный магнитный момент атома равен векторной сумме магнитных моментов, созданных орбитальным и спиновым движением всех электронов, входящих в его состав.

Влияние микротоков на магнитное поле зависит от ориентации магнитных моментов атомов. Если все магнитные моменты атомов вещества (магнетика) расположены хаотично, оно не создает магнитного поля. Если имеется хотя бы частично упорядоченная ориентация атомных магнитных моментов, магнетик создает свое магнитное поле. Такой магнетик называется намагниченным.
2. Описание метода измерений и установки
Для характеристики магнитного состояния магнетика вводится вектор , равный отношению векторной суммы магнитных моментов атома в малом объеме V к величине этого объема

.

Вектор называется намагниченностью. При наличии в магнитном поле магнетиков вектор индукции – основная силовая характеристика магнитного поля – складывается из магнитных индукций внешнего поля макротоков и внутреннего поля , создаваемого микротоками: . Вектор зависит от физических свойств, размеров, формы и расположения магнетиков: . Это обстоятельство сильно затрудняет непосредственный расчет gif" name="object11" align=absmiddle width=20 height=20>. Во многих случаях расчеты упрощаются введением еще одной характеристики магнитного поля – вектора напряженности

. (2)

Вектор удобен тем, что его циркуляция (т. е. ) в произвольном магнитном поле при наличии любых магнитных тел равна алгебраической сумме макротоков, сцепленных с контуром L, а от микротоков не зависит:

. (3)

Соотношение (3) называется обобщенным законом полного тока. Сам вектор в общем случае может зависеть от Iмакро и от Iмикро.

Для изотропных магнетиков векторы и параллельны, и связь между ними может быть записана в такой форме:

, (4)

где (0 – магнитная постоянная; Гн/м; ( – магнитная проницаемость вещества. Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость между и . Это означает, что магнитная проницаемость ( ферромагнетиков зависит от напряженности поля Н. Максимальные значения  в ферромагнетиках очень велики (до 105 – 106), т. е. внутреннее поле в них во много раз превышает вызвавшее его внешнее магнитное поле.

Для экспериментального исследования зависимостей В от Н и  от Н в работе используется предложенный Столетовым баллистический метод.


Рис. 1

Исследуемый образец представляет собой тонкое железное кольцо – тороид, на которое равномерно по всему кольцу намотана первичная обмотка I (рис. 1) с числом витков N1. Эта обмотка соединена с источником. Текущий по обмотке I ток I создает внутри тороида магнитное поле, напряженность которого можно найти по закону полного тока. В результате интегрирования формулы (3) будем иметь следующее выражение для расчета напряженности:

, (5)

где – длина кольца (пунктирная линия на рис. 1). Так как кольцо тонкое, магнитное поле по сечению кольца можно считать однородным.

Каждому значению тока I соответствует определенное значение не только напряженности H, но и индукции В. Для экспериментального определения значения В в работе используется явление электромагнитной индукции. Для этого на кольцо навивается вторичная обмотка II с небольшим числом витков N2 (рис. 1). Концы обмотки II подключают к баллистическому гальванометру*. (* Описание баллистического гальванометра дано в лабораторной работе № 2.) Схема установки представлена на рис. 2. Здесь БП – блок питания; мА – миллиамперметр для измерения тока в обмотке I. С помощью переключателя П изменяют направление тока в катушке I на противоположное (при неизменной величине тока). При этом происходит изменение направления вектора , а следовательно, изменение и полного магнитного потока  (потокосцепления), пронизывающего витки вторичной обмотки. По закону Фарадея в обмотке II возникает ЭДС индукции и в цепи баллистического гальванометра Г появляется индукционный ток

.

Рис. 2

Так как максимальный отброс «зайчика» баллистического гальванометра пропорционален не току, а заряду, проходящему по нему, то для заряда имеем . Проинтегрировав это выражение, найдем полный индукционный заряд, прошедший через гальванометр при изменении направления тока в катушке I:



где Ф1 и Ф2 – начальный и конечный магнитные потоки сквозь поверхность одного витка II катушки. Так как , то Ф=2BS, где S – площадь сечения тороида. Следовательно,

. (6)

Заряд q определяют по отбросу «зайчика» баллистического гальванометра q = An, где A – баллистическая постоянная гальванометра. Подставив q = An в формулу (6), получим окончательное выражение для расчета В

, (7)

где

. (8)

Таким образом, работа сводится к независимым друг от друга определениям Н (5) и В (7) при 15 различных токах I в первичной цепи. Значения постоянных A, В, S, , N1, N2 заданы на установке. Магнитную проницаемость рассчитывают по формуле

(9)
3. Порядок выполнения работы


  1. Собирают цепь согласно рис. 2. Тумблером «сеть» включают БП.

  2. Замыкают переключатель П при разомкнутом ключе К. С помощью ручки, находящейся на панели БП, устанавливают максимальное значение тока в первичной обмотке (указано на установке).

  3. Замыкают вторичную цепь ключом К и замечают нулевое положение «зайчика» на шкале баллистического гальванометра.

  4. Изменяют переключателем П направление тока в первичной цепи на противоположное и измеряют крайнее деление n, до которого отклонился «зайчик».

  5. Размыкают ключом К вторичную цепь, возвращают переключатель П в исходное положение.

  6. Ручкой источника БП уменьшают ток I в обмотке I. При новом значении тока проделывают все, что указано в п. 3 – 5. При каждом значении тока (от максимального до 0,005 А) измеряют отброс «зайчика» n (всего 15 значений). (Каждый раз устанавливая новое значение тока, необходимо размыкать ключом К вторичную цепь).


4. Обработка результатов измерений
Данные установки:

N1 = . . .;N2 = . . .; S = . . .; A = . . . ; R = . . .; = . . .


№ п/п

I, A

H, А/м

n, дел

B, Тл





















  1. Рассчитывают напряженность поля для всех токов по формуле (5).

  2. Определив постоянный коэффициент С по формуле (8), рассчитывают магнитную индукцию для всех токов по формуле (7).

  3. По результатам вычислений В и Н находят , для каждого тока по формуле (9).

  4. Выводят формулы для расчета погрешностей величин Н, В и  по обычным правилам. Рассчитывают погрешности для случая максимального тока.

  5. Записывают окончательный результат для Н, В и .

  6. Строят графики B = f(H),  = f(H).

  7. Дополнительное задание: рассчитать вектор намагниченности и построить кривую зависимости J=f(H); при максимальном токе рассчитать величину В намагничивающего поля и сравнить ее с величиной В результирующего поля в магнетике при том же токе.


5. Контрольные вопросы


  1. Какая связь существует между векторами , и ?

  2. Дать определение вектора и вектора .

  3. Какова цель работы? Нарисовать схему установки, объяснить, как выполняется работа.

  4. Каким образом в работе находят Н?

  5. Какое физическое явление используется для определения В? Вывести расчетую формулу.

  6. Как определяют величину ?


ЛИТЕРАТУРА

1. Детлаф А. А., Яворский Б. М., Милковская Л. Б. Курс физики. Т. 2. — М.: Высш. школа, 1977, § 19.2, 20.6.

Похожие:

Лабораторная работа №17 изучение кривой магнитной индукции в железе по методу столетова iconЛабораторная работа э-10 изучение зависимости магнитной проницаемости ферромагнетика от напряжённости магнитного поля
Цель работы: построение графика зависимости магнитной проницаемости ферромагнетика от напряжённости магнитного поля  = f(H) и основной...
Лабораторная работа №17 изучение кривой магнитной индукции в железе по методу столетова iconЛабораторная работа №4 определение взаимной индуктивности контуров (катушек)
Изучение явлений электромагнитной индукции, самоиндукции, взаимной индукции; экспериментальная проверка закона электромагнитной индукции...
Лабораторная работа №17 изучение кривой магнитной индукции в железе по методу столетова iconМагнетизм Магнитное поле различных проводников с током. Вектор магнитной индукции
На рисунке изображен проводник, по которому течет электрический ток. Направление тока указано стрелкой. Как направлен вектор магнитной...
Лабораторная работа №17 изучение кривой магнитной индукции в железе по методу столетова iconМагнетизм Магнитное поле различных проводников с током. Вектор магнитной индукции
На рисунке изображен проводник, по которому течет электрический ток. Направление тока указано стрелкой. Как направлен вектор магнитной...
Лабораторная работа №17 изучение кривой магнитной индукции в железе по методу столетова iconЛабораторная работа 2 проверка закона био  Савара 
Цель работы – изучение характеристик магнитного поля и закона электромагнитной индукции
Лабораторная работа №17 изучение кривой магнитной индукции в железе по методу столетова iconЛабораторная работа №1 изучение магнитного поля плоской катушки
Ознакомление с одним из методов получения магнитного поля в пространстве при помощи плоской катушки с током. Изучение явления взаимной...
Лабораторная работа №17 изучение кривой магнитной индукции в железе по методу столетова iconЛабораторная работа №3. Знакомство с прерываниями. Лабораторная работа №4. Программная обработка клавиатуры
Лабораторная работа №1. Знакомство с общим устройством и функционированием ЭВМ. Изучение структуры процессора, организации памяти,...
Лабораторная работа №17 изучение кривой магнитной индукции в железе по методу столетова iconЛабораторная работа №2 Исследование магнитной проводимости между стальными брусками
Цель работы – экспериментальное определение магнитной проводимости между параллельными брусками различных сечений и ознакомление...
Лабораторная работа №17 изучение кривой магнитной индукции в железе по методу столетова iconИзмерение магнитной восприимчивости методом взаимной индукции
Цель работы: изучение магнитного поведения парамагнитных солей редкоземельных элементов спомощью измерения дифферен-циальной магнитнитной...
Лабораторная работа №17 изучение кривой магнитной индукции в железе по методу столетова iconЛабораторная работа №1 2 Метод рассечения-разнесения данных 2 Задание 4 Лабораторная работа №2 6 Защитное кодирование по методу Хэмминга 6
В тех информационных системах, где хранимая информация (данные) размещается в файлах, для обеспечения конфиденциальности, помимо...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org