6.Убеждаются в независимости величины М от U и ν. Для этого по результатам расчетов табл. 3 и 4 находят максимальный разброс
величины М и сравнивают его с погрешностью M .
Дополнительное задание
Провести экспериментальную проверку применимости формулы I=U/R (см. описание метода измерения в разд. 2). Для этого надо самостоятельно решить, какие измерения и на каких участках цепи необходимо провести.
Контрольные вопросы
1.В чем заключается явление взаимной индукции? От чего зависит взаимная индуктивность контуров?
2.Объясните принцип работы электрической схемы и метод определения М в данной работе. Выведите расчетную формулу для М.
3.Как экспериментально доказать, что M21 = M12?
4.Как по результатам эксперимента обосновать независимость М от U и
ν?
5.Объяснить графики зависимости М(r) и е= f(ν).
Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высш. шк. 2000 § 25.1, 25.3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 17
ИЗУЧЕНИЕ КРИВОЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В ЖЕЛЕЗЕ ПО МЕТОДУ СТОЛЕТОВА
Цель работы – изучение зависимости магнитной индукции и магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля для ферромагнитного материала.
Введение
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 Pm . 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, то оно не создает магнитного поля. Если имеется хотя бы частично упорядоченная ориентация атомных магнитных моментов, то магнетик создает свое магнитное поле. Такой магнетик называется намагниченным.
1. Описание метода измерений и установки
Для характеристики магнитного состояния магнетика вводится вектор J , равный отношению векторной суммы магнитных моментов атома в малом объеме V к величине этого объема
J = å(Pm )атомов / V .
Вектор J называется намагниченностью. При наличии в магнитном поле магнетиков вектор индукции B – основная силовая характеристика
магнитного поля – складывается из магнитных индукций внешнего поля B0
макротоков и |
внутреннего |
поля B¢, создаваемого |
микротоками: |
B = B0 + B¢. Вектор B зависит от физических свойств, размеров, формы и |
|||
расположения |
магнетиков: |
B = f (Iмакро , Iмикро ) . Это |
обстоятельство |
сильно затрудняет непосредственный расчет B . Во многих случаях расчеты упрощаются введением еще одной характеристики магнитного поля –
вектора напряженности H |
B |
|||||
r |
r |
|||||
H |
= |
- J . |
(2) |
|||
μ0 |
||||||
Вектор H удобен |
тем, |
что его циркуляция (т. е. |
ò Hdl ) в |
|||
произвольном магнитном поле при наличии любых магнитных тел равна алгебраической сумме макротоков, сцепленных с контуром L, а от микротоков не зависит:
òHdl = åIмакро . |
(3) |
L |
Соотношение (3) называется обобщенным законом полного тока.
Сам вектор H в общем случае может зависеть от Iмакро и от Iмикро.
Для изотропных магнетиков векторы B и H параллельны, и связь между ними может быть записана в такой форме:
B = μ0 μ H , |
(4) |
где μ0 – магнитная постоянная; μ0 = 4 π×10−7 |
Гн/м; μ – магнитная |
проницаемость вещества.
Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость между B и H . Это означает, что магнитная проницаемость μ ферромагнетиков зависит от напряженности поля Н. Максимальные значения μ в ферромагнетиках очень велики (до 105 – 106), т. е. внутреннее поле в них во много раз превышает вызвавшее его внешнее магнитное поле.
Таким образом, небольшое внешнее магнитное поле вызывает высокую намагниченность, обусловленную упорядочением магнитных моментов атомов, которая может сохраняться и в отсутствие внешнего магнитного поля. Это объясняется тем, что магнитные моменты атомов в
таких веществах испытывают сильное воздействие со стороны соседних атомов. Магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором
большинство атомных моментов параллельны друг другу, т.е. самопроизвольная (спонтанная) намагниченность, может сохраняться в
отсутствие внешнего поля при температурах ниже точки Кюри Tс достаточно долго. Данное явление не объясняется в рамках классической физики, а в квантовой механике объясняется так называемым обменным взаимодействием между атомами, которое стремится установить спины (а следовательно, и магнитные моменты) соседних атомов или ионов параллельно друг другу. Под спином электрона в квантовой механике понимается собственный момент импульса электрона. Ярко выраженными ферромагнитными свойствами обладают переходные элементы, у которых происходит заполнение d- и f-слоев. Электроны проводимости благодаря обменному взаимодействию с этими слоями, участвуют в спонтанной намагниченности ферромагнетика. К таким веществам относятся железо, кобальт, никель, редкоземельные элементы , а также их соединения или сплавы (например, очень сильными ферромагнитными свойствами обладает сплав кобальта с самарием).
В отсутствие внешнего магнитного поля в ферромагнетиках существуют макрообласти спонтанного намагничивания, называемые магнитными доменами. Доменная структура представляет собой
чередующиеся слои с взаимно противоположным направлением намагниченности. Образование доменов является результатом двух конкурирующих механизмов взаимодействия – обменного и магнитного.
Обменное взаимодействие стремится установить магнитные моменты параллельно, т.е. суммарный магнитный момент домена возрастает. Это – близкодействующее взаимодействие (только между соседними атомами). Второе, дальнодействующее магнитное взаимодействие ориентирует антипараллельно векторы намагниченности соседних доменов. При внесении ферромагнетика во внешнее поле , последнее ориентирует все векторы намагниченности доменов по полю, и чем сильнее внешнее поле, тем большее число магнитных моментов доменов выстраивается по полю. В достаточно сильных полях наступает насыщение, т.е. намагниченность
перестает возрастать с увеличением напряженности внешнего магнитного поля.
Значение намагниченности J зависит от “магнитной предыстории” образца, т.е. зависимость J от H является неоднозначной, наблюдается так называемый гистерезис. Более подробно явление гистерезиса рассматривается в лабораторной работе № 18.
Для экспериментального исследования зависимостей В от Н и μ от Н в данной работе используется метод Столетова.
Исследуемый образец представляет собой тонкое железное кольцо – тороид, на который равномерно по всему кольцу намотана первичная обмотка I (рис. 1) с числом витков N1. Эта обмотка соединена с