Лабораторная работа № 18 (А.Е. Тарасов - Электронный учебно-методический комплекс по физике для РТФ (2012))

ОглавлениеЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 18 .............................................................................................................. 21. ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................................... 22. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ ............................................................. 33. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.................................................................................................. 54.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ............................................................................... 5ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ ...................................................................................................... 65. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ..............................................................................................................

62Лабораторная работа № 18ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ОСЦИЛЛОГРАФОМ ИИЗУЧЕНИЕ ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСАЦель работы: определение основных характеристик ферромагнетика и получение петли гистерезиса с помощью электронного осциллографа.Работа состоит из двух частей. В первой изучается принцип действия осциллографа, описанный в приложении. Во второй – исследуется ферромагнетик.1. ВведениеМагнитная индукция B в ферромагнетиках сложным образом зависит от напряжённости внешнего поля H .

Эта зависимость, когда исходным является полностью размагниченное состояние, называется основной кривой намагничивания.Она изображена на РИС. 1 жирной линией 01. Видно, что зависимость В(H) нелинейна. Для ферромагнетиков характерно также наличие гистерезиса.

При действии на ферромагнетик переменного магнитного поля величина магнитной индукции В меняется по замкнутой петле 1-2-3-4-5-6-1 (РИС. 1), которая называетсяпетлёй гистерезиса. Если постепенно увеличивать амплитуду переменного тока, определяющего напряжённость магнитного поля Н, то можно наблюдать постепенное увеличение площади петли (см. пунктирные кривые на РИС. 1).

При достаточно большой напряжённости петля перестаёт меняться (максимальнаяпетля) и лишь продолжают изменяться её линейные участки 1-1, 4-4. Вершиныпетель располагаются на основной кривой намагничивания.1B12Bост360Н544НкоэрцРис. 1Гистерезис проявляется в том, что магнитная индукция в ферромагнетике не является однозначной функцией H; она зависит от предыстории образца – от того, вкаких полях он был прежде. Например, в поле напряжённости Н1 (РИС. 1) магнитная индукция В может принимать значения от B1 до B1 .3Максимальная петля гистерезиса характеризует магнитные свойства материала.В частности, пересечение её с осью ординат определяет остаточную индукциюВост, а пересечение с осью абсцисс – напряжённость поля, необходимую для размагничивания образца и называемую коэрцитивной силой Нкоэрц.Осциллографический метод исследования петли гистерезиса позволяет наблюдать ее визуально и относительно просто определять Вост и Нкоэрц.

Площадь петли пропорциональна энергии, которую необходимо затратить на перемагничивание единицы объема образца в одном цикле.2. Описание установки и метода измеренийРассмотрим схему, приведённую на РИС. 2.R2R1БПIIIЭОCYXРис. 2На первичную обмотку I тороидального ферромагнитного образца подают переменное напряжение от блока питания ВС-24. Ток I1 первичной обмотки создаётнамагничивающее поле, напряжённость которого H = n1I1, где n1 – число витковпервичной обмотки на единицу длины тороида. Напряжение, снимаемое с сопротивления R1 в цепи первичной обмотки, подают на горизонтально отклоняющиепластины X осциллографа.

Величина этого напряженияRU  I1R1  1 H(1)xn1пропорциональна напряжённости магнитного поля Н.На вертикально отклоняющие пластины Y подают разность потенциалов Uy, которую снимают с конденсатора, включенного последовательно с сопротивлениемR2 в цепь вторичной обмотки II тороида. Покажем, что Uy пропорциональна величине магнитной индукции В. Во вторичной обмотке тороида возникает ЭДС инdдукции, равная e  N2, где Ф – магнитный поток сквозь один виток площадьюdtS, N2 – число витков. Поскольку в тонком тороиде магнитное поле можно считатьоднородным, то Ф = ВS иdBe  SN2.(2)dt4Значения R2 и С подбирают таким образом, чтобы разность потенциалов на конденсаторе была мала по сравнению с напряжением на сопротивлении R2.

При этихeусловиях ток во вторичной цепи I2 Учитывая выражение (2), получимR2I2  N2S dB.R2 dttВеличину Uy находят по формуле U y (3)tq 1I2dt , где q   I2dt – заряд на обкладC C 00ках конденсатора. Подставляя значение I2 из уравнения (3), будем иметьBUy  N2SNSdB   2 B .CR2 0CR2(4)В результате на одни пластины X подаётся разность потенциалов, пропорциональная Н, на другие Y – пропорциональная В, и на экране осциллографа будетнаблюдаться петля гистерезиса.За один период синусоидального изменения тока след электронного луча наэкране образует полную петлю гистерезиса, а за каждый последующий период вточности повторяет её, поэтому на экране видна неподвижная петля.Получая на экране осциллографа последовательно ряд петель гистерезиса и измеряя координаты их вершин, можно построить основную кривую намагничивания B = f(H).Для нахождения значений Н и В необходимо знать градуировку сетки экранатрубки, т.

е. определить, какое напряжение, поданное на вход X и Y (Uox, Uoy), вызывает отклонение пятна на одно деление координатной сетки. Тогда Ux = UoxX,Uy = UovY, где X и Y – координаты вершин петель гистерезиса (РИС. 3), и, согласно(1) и (4):nH  1 Uox x ,(5)R1BR2CUoy y .N2S(6)По максимальной петле гистерезиса определяем Вост и Нкоэрц, измерив соответствующие координаты (удвоенные) 2yост и 2xкоэрц (РИС. 3) в делениях сетки экрана.Измерение отрезков, равных удвоенным координатам, проводят для большейточности (так как положение центра петли определяется неточно).5Y2y2yостX2xкоэрц2xРис.

33. Порядок выполнения работы1. Ознакомиться с органами управления и регулировки осциллографа. Изучитьустройство и назначение его основных узлов.2. Цепь, представленная на РИС. 2, смонтирована вместе с исследуемым тороидомвнутри корпуса стенда. На его переднюю панель выведены клеммы Ux и Uy. Дляполучения петли гистерезиса соединяют кабелем клеммы Ux и пластины X осциллографа.

Затем подключают кабель, идущий от гнезда осциллографа (вход Y), кклеммам Uy.3. Устанавливают переключатель «Усилитель Y» осциллографа в положение, указанное на установке. Развёртку отключают.4. В первичную обмотку исследуемого образца подают переменное напряжение отисточника ВС-24. Величину напряжения U измеряют вольтметром, находящимсяна панели источника. Наблюдают на экране трубки появление петли гистерезиса.5. С помощью ручки «↕» располагают петлю симметрично относительно центракоординатной сетки.6. Измерения начинают с такого значения U в первичной цепи, при которомнаблюдаемая петля максимальная.7.

Определяют координаты вершин 2у и 2х максимальной петли в делениях сетки(РИС. 3).8. Уменьшая U с помощью ручки блока питания ВС-24, проводят аналогичные измерения для других петель гистерезиса.9. На максимальной петле определяют 2yост и 2хкоэрц в делениях сетки (РИС.

3) и заносят в ТАБЛ. 2.4. Обработка результатов измеренийn1 = …; R1 = …; U0x = …; С = …; N2 = ...; U0y = …; S = …; R2 = …6Таблица 1U, B2x, мм 2y, ммH, А/мB, ТлТаблица 22xкоэрц, мм 2yост, мм Вост, ТлНкоэрц, A/м1. По формуле (5) рассчитывают напряжённость Н магнитного поля, U0x дано наустановке.2. По формуле (6) находят индукцию магнитного поля В, U0y определяют по положениям ручки «Усиление» и тумблера (10, 1) «Усилителя Y» осциллографа.3. По найденным значениям H и B в вершинах петель гистерезиса строят основную кривую B = f(H).4. Вычисляют Hкоэрц и Воcт соответственно по формулам (5) и (6).5.

По характерным точкам рисуют наблюдаемую на экране максимальную петлюгистерезиса.Дополнительное заданиеОпределите удельную потерю энергии на перемагничивание.5. Контрольные вопросыКаковы основные свойства ферромагнетиков?В чем заключается явление гистерезиса?Как с помощью осциллографа получают петлю гистерезиса?Сделать вывод расчетных формул для Н и В. Как измеряют величины х и y?Что означают U0x и U0y?5. Как определяют Вост и Hкоэрц?1.2.3.4..