Лабораторная работа: Изучение петли гистерезиса и измерение параметров ферромагнетиков

Лабораторная работа: Изучение петли гистерезиса и измерение параметров ферромагнетиков

Цель работы:

1. Экспериментальное наблюдение и построение петли гистерезиса ферромагнитного материала.
2. Определение основных характеристик ферромагнетика по петле гистерезиса:Остаточная индукция (Br)
   Коэрцитивная сила (Hc)
   Начальная магнитная проницаемость (µi)
   Максимальная магнитная проницаемость (µmax)
   

Теоретическое введение:

Ферромагнетики – это материалы, обладающие способностью к самопроизвольной намагниченности ниже определенной температуры (точка Кюри). Основные свойства ферромагнетиков:

• Высокая магнитная проницаемость (µ >> 1).
• Явление гистерезиса – запаздывание изменения намагниченности от изменения внешнего магнитного поля.
• Наличие доменной структуры.

Петля гистерезиса – графическая зависимость магнитной индукции (B) от напряженности магнитного поля (H) при циклическом перемагничивании ферромагнетика. Форма петли гистерезиса и ее параметры позволяют судить о магнитных свойствах ферромагнитного материала.

• Остаточная индукция (Br) – магнитная индукция, остающаяся в ферромагнетике после снятия внешнего магнитного поля (H = 0).
• Коэрцитивная сила (Hc) – напряженность магнитного поля, которую необходимо приложить к ферромагнетику, чтобы полностью размагнитить его (B = 0).
• Начальная магнитная проницаемость (µi) – магнитная проницаемость ферромагнетика при малых значениях напряженности магнитного поля. Определяется как тангенс угла наклона касательной к петле гистерезиса в точке (0,0).
• Максимальная магнитная проницаемость (µmax) – максимальное значение магнитной проницаемости, достигаемое в процессе перемагничивания. Определяется как тангенс угла наклона касательной к петле гистерезиса в точке, где этот тангенс максимален.

Оборудование и материалы:

1. Тороидальный сердечник из исследуемого ферромагнитного материала.
2. Катушка намагничивания (первичная обмотка), намотанная на тороидальный сердечник.
3. Измерительная катушка (вторичная обмотка), намотанная на тороидальный сердечник.
4. Источник переменного напряжения.
5. Резистор (R).
6. Осциллограф.
7. Амперметр.
8. Вольтметр.
9. Соединительные провода.

Схема экспериментальной установки:

[Вставить схему экспериментальной установки с тороидальным сердечником, катушками, источником напряжения, осциллографом и резистором]

Описание экспериментальной установки:

• Тороидальный сердечник используется для создания равномерного магнитного поля внутри ферромагнетика.
• Катушка намагничивания создает переменное магнитное поле (H) внутри сердечника при подключении к источнику переменного напряжения.
• Измерительная катушка используется для измерения магнитной индукции (B) в сердечнике.
• Резистор (R) используется для измерения тока в цепи катушки намагничивания и, следовательно, для определения напряженности магнитного поля (H).
• Осциллограф используется для отображения петли гистерезиса (зависимости B от H).

Порядок выполнения работы:

1. Сборка схемы: Соберите схему в соответствии с приведенной схемой экспериментальной установки.
2. Настройка осциллографа:Подключите каналы осциллографа к резистору (R) и измерительной катушке.
   Настройте чувствительность по вертикали и горизонтали для получения четкого изображения петли гистерезиса.
   Включите режим X-Y развертки на осциллографе (один канал отображает напряжение на резисторе (пропорциональное H), другой канал отображает напряжение с измерительной катушки (пропорциональное B)).
   
3. Перемагничивание ферромагнетика:Включите источник переменного напряжения и постепенно увеличивайте его амплитуду.
   Наблюдайте за изменением формы петли гистерезиса на экране осциллографа.
   Добейтесь насыщения ферромагнетика (петля гистерезиса перестает увеличиваться при дальнейшем увеличении напряжения).
   
4. Измерение параметров петли гистерезиса:Остановите изменение напряжения и зафиксируйте изображение петли гистерезиса на экране осциллографа.
   Измерьте значения напряжений, соответствующие остаточной индукции (Br) и коэрцитивной силе (Hc) на экране осциллографа.
   Рассчитайте значения Br и Hc, используя калибровочные коэффициенты для каждого канала осциллографа (учитывающие число витков в катушках, сопротивление резистора и геометрические размеры тороида).
   Определите начальную магнитную проницаемость (µi) по наклону касательной к петле гистерезиса в точке (0,0).
   Определите максимальную магнитную проницаемость (µmax) по максимальному наклону касательной к петле гистерезиса.
   
5. Повторите измерения: Проведите измерения несколько раз и усредните полученные результаты для повышения точности.
6. Обработка результатов:Запишите измеренные и рассчитанные значения в таблицу.
   Постройте график петли гистерезиса.
   Рассчитайте погрешности измерений.
   

Формулы для расчета:

• Напряженность магнитного поля (H): H = (I * N1) / l , где I - ток в первичной обмотке, N1 - число витков первичной обмотки, l - средняя длина магнитной линии в тороидальном сердечнике (l = 2πr, где r - средний радиус тороида). Ток (I) можно рассчитать как I = U/R, где U - напряжение на резисторе.
• Магнитная индукция (B): B = (U2 * dt) / (N2 * S) , где U2 - напряжение на вторичной обмотке, N2 - число витков вторичной обмотки, S - площадь поперечного сечения сердечника. Интеграл (U2 * dt) пропорционален площади под кривой напряжения вторичной обмотки. На практике, вместо вычисления интеграла, используют калибровочные коэффициенты осциллографа и известные параметры катушек.
• Магнитная проницаемость (µ): µ = B / (µ0 * H), где µ0 - магнитная постоянная (4π * 10^-7 Гн/м). Для начальной и максимальной магнитной проницаемости используются соответствующие значения B и H.

Меры предосторожности:

• Соблюдайте правила техники безопасности при работе с электрооборудованием.
• Не допускайте перегрева тороидального сердечника.
• Используйте катушки и резисторы с соответствующими номинальными параметрами.

Содержание отчета:

1. Титульный лист.
2. Цель работы.
3. Теоретическое введение.
4. Описание экспериментальной установки.
5. Порядок выполнения работы.
6. Схема экспериментальной установки.
7. Таблица результатов измерений и расчетов.
8. График петли гистерезиса.
9. Выводы о проделанной работе и полученных результатах.
10. Оценка погрешностей измерений.

Контрольные вопросы:

1. Что такое ферромагнетизм?
2. Какие материалы относятся к ферромагнетикам?
3. Что такое петля гистерезиса?
4. Какие параметры характеризуют петлю гистерезиса?
5. Как влияет форма петли гистерезиса на свойства ферромагнетика?
6. Какова роль доменной структуры в ферромагнетиках?
7. Приведите примеры практического применения ферромагнетиков.

Примечания:

• Данная инструкция является общей. Конкретные детали проведения лабораторной работы могут отличаться в зависимости от используемого оборудования и методических указаний преподавателя.
• Важно тщательно подготовиться к выполнению работы, изучив теоретический материал и ознакомившись с работой экспериментальной установки.
• При проведении измерений необходимо соблюдать аккуратность и внимательность, чтобы получить точные результаты.

Удачи в выполнении лабораторной работы!