Лабораторна робота №5

Дослідження кривих намагнічування та петель гістерезису феромагнетиків з допомогою осцилографа

Мета роботи: зняття кривих намагнічування різних феромагнетиків та вивчення особливостей їх петель гістерезису.

Прилади та матеріали: набір феромагнітних зразків з намотаними на них намагнічувальними та індикаторними котушками, осцилограф, реостат, конденсатор.

Теоретичні відомості

Особливий клас магнетиків складають феромагнетики, для яких характерна наявність областей спонтанного намагнічування, які називаються доменами. У межах кожного домену феромагнетик спонтанно намагнічений до насичення і має певний магнітний момент. Напрямки цих моментів для різних доменів різні, тому при відсутності зовнішнього магнітного поля результуючий момент всього тіла дорівнює нулеві. Розміри доменів складають біля кількох мікрометрів.

Феромагнетикам властива важлива особливість, яка подібна до запам’ятовування, тобто стан феромагнетика залежить не тільки від напруженості магнітного поля в даний момент, але й від того, які зміни в магнітному полі були раніше.

Тому в загальному випадку індукція магнітного поля В феромагнетика є складною функцією напруженості поля Н .

Розглянемо цю залежність. Якщо повністю розмагнічений феромагнітний зразок внести в магнітне поле то при рівномірному збільшенні напруженості магнітного поля залежність В від Н зображається дільницею оа (рис.1), яка носить назву основної кривої намагнічування.

При подальшому збільшенні напруженості поля Н ця крива переходить в лінійну залежність, так як намагніченість досягає насичення і залишається сталою, а В зростає тільки за рахунок збільшення Н, при зменшенні Н до нуля крива розмагнічування не співпадає з кривою ао, а пройде значно вище- крива ав. Індукція В₂=ов називається залишковою.

Для знищення залишкової намагніченості необхідно прикласти обернене поле напруженістю Н_с=ос, яка називається коерцитивною силою.

При подальшому збільшенні оберненого поля знову досягається насичення. Якщо від точки насичення d зменшувати магнетне поле до нуля, а далі, змінивши напрямок Н, збільшувати поле, одержимо криву намагнечування defa. Замкнена крива abcdefa носить назву петлі гістерезису. Явище гістерезису обумовлене доменною структурою феромагнетиків. Для середовища магнетне поле кількісно оцінюється відносною магнетною проникністю

                              (1)

де В – індукція магнетного поля в речовині;

В₀ – індукція зовнішнього поля (намагнічуючого).

У зв’язку з тим, що в феромагнетиках залежність В від Н неоднозначна, поняття відносної магнетної проникності m застосовується лише до основної кривої намагнечування і, як випливає з вигляду цієї кривої, в свою чергу залежить від Н.

Величини В₂, Н_с, m є основними характеристиками феромагнетиків. Якщо коерцитивна сила Н_с велика, то феромагнетик називається жорстким, для нього характерна широка петля гістерезису. Феромагнетик з малою Н_с (в нього відповідно вузька петля ) називають м'яким.

Рис. 2.

На рис.2. зображена схема для спостереження петлі гістерезису на екрані осцилографа, де осердям тороїда служить досліджуваний феромагнетик. Щоб одержати на екрані осцилографа петлю гістерезису, необхідно на горизонтальні відхиляючі пластини подати напругу U_x, яка пропорційна напруженості магнетного поля H досліджуваного зразка, а на вертикально відхиляючі пластини - напругу U_y, пропорційну векторові магнетної індукції В.

Напруга U_y подається на осцилограф з конденсатора С, який заряджається завдяки ЕРС індукції, що виникає на вторинній обмотці тороїда. Величина ж ЕРС індукції залежить від магнетного потоку, який визначається через вектор індукції магнетного поля. Таким чином, напруга U_y пропорційна магнетній індукції В.

Точні розрахунки дають такі співвідношення:

                              (2)

                              (3)

де N₁ – повне число витків первинної (намагнечуючої) обмотки;

l₁ – довжина первинної обмотки; S – площа перерізу тороїда;

N₂ – повне число витків вторинної (індикаторної) обмотки;

l₂ – довжина вторинної обмотки; С – ємність конденсатора.

Таким чином, на горизонтально відхиляючі пластини осцилографа подається напруга U_x, пропорційна H, а на вертикально відхиляючі – U_y пропорційна B. В результаті на екрані одержуємо петлю гістерезису B=¦(H).

За один період синусоїдальної зміни струму електронний промінь на екрані описує повну петлю гістерезису, а за кожний наступний період точно її повторює. Тому на екрані спостерігається нерухома петля. Збільшуючи потенціометром r напругу U_x, збільшуємо амплітуду Н і одержуємо на екрані різні за своєю площею петлі гістерезису.

Порядок виконання роботи

Завдання 1. Зняття основної кривої намагнечування.

1. Зібрати схему за рис. 2.

2. Ввімкнути осцилограф i вивести електронний промінь на центр координатної сітки.

3. За допомогою ручок “Підсилення по вертикалі”, “Підсилення по горизонталі” та потенціометром r добитися, щоб петля гістерезису мала ділянку насичення і займала значну частину екрану.

4. Визначити координати n_x i n_y вершини петлі (координата точки a на рис.1.)

5. Зменшити напругу за допомогою потенціометра r; одержати ряд петель i для кожної з них записати координати вершин. Вимірювання проводити до тих пір, поки петля не стягнеться в точку.

6. Повторити пп 5, 6 для інших феромагнетиків.

Завдання 2. Одержання петлі гістерезисну.

1. Виконати вимоги згідно пунктів 1 — 4 “Завдання 1”.

2. Одержати координати 15—20 різних точок петлі в поділках координатної сітки екрана осцилографа.

3. Намалювати петлю на міліметровому папері, вибравши на осях х і y такий же масштаб, як і на координатній сітці осцилографа.

Контрольні запитання

1. Дайте пояснення явищам, які відбуваються в речовині при внесені її в магнетне поле.

2. Подайте основи елементарної теорії діа— і парамагнетизму.

3. Назвіть основні особливості магнетних властивостей феромагнетиків.

4. В чому полягає суть явища гістерезису?