Материал: МЭИ(ТУ) Физика

Максимальная петля гистерезиса является характеристикой магнитных свойств материала. В частности, пересечение ее с осью ординат

определяет остаточную индукцию Вост, а пересечение с осью абсцисс – напряженность 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.

1. Описание установки и метода измерений

Рассмотрим схему, приведенную на рис. 2.

ЭО

Y X

Рис. 2

На первичную обмотку I тороидального ферромагнитного образца подают переменное напряжение от блока питания ВС-24. Ток I1 первичной обмотки создает намагничивающее поле, напряженность которого равна H = n1I1, где n1 – число витков первичной обмотки на единицу длины тороида. Напряжение, снимаемое с сопротивления R1 в цепи первичной обмотки, подают на горизонтально отклоняющие пластины X осциллографа. Величина этого напряжения пропорциональна напряженности магнитного поля Н:

На вертикально отклоняющие пластины Y подают разность потенциалов Uy, которую снимают с конденсатора, включенного последовательно с сопротивлением R2 в цепь вторичной обмотки II тороида.

Покажем, что Uy пропорциональна величине магнитной индукции В. Во вторичной обмотке тороида возникает ЭДС индукции, равная

ddΦt , где Ф – магнитный поток через один виток площадью S; N2 –

число витков. Поскольку в тонком тороиде магнитное поле можно считать однородным, то Ф = ВS и

Значения R2 и С подбирают таким образом, чтобы разность потенциалов

на конденсаторе была мала по сравнению с напряжением на сопротивлении R2. При этих условиях ток во вторичной цепи равен I2 = е / R2 Учитывая

выражение (2), получаем

В результате на одни пластины X подается разность потенциалов, пропорциональная Н, на другие Y – пропорциональная В, и на экране осциллографа будет наблюдаться петля гистерезиса.

За один период синусоидального изменения тока след электронного луча на экране образует полную петлю гистерезиса, а за каждый последующий период в точности повторяет ее, 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 экрана трубки, 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):

Y

2y

2yост

X

2xкоэрц

2x

Рис. 3

По максимальной петле гистерезиса определяем Вост и Нкоэрц, измерив

соответствующие координаты (удвоенные) 2yост и 2xкоэрц (см. рис. 3) в делениях сетки экрана. Измерение отрезков, равных удвоенным

координатам, производят для большей точности (так как положение центра петли определяется неточно).

2.Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с методическими указаниями по регулировке осциллографа (на стенде).

2.Цепь, представленная на рис. 2, смонтирована вместе с исследуемым тороидом внутри корпуса стенда. На его переднюю панель выведены

клеммы Ux и Uy. Для получения петли гистерезиса соединяют кабелем клеммы Ux и пластины X осциллографа. Затем подключают кабель, идущий от гнезда осциллографа (вход Y), к клеммам Uy.

3.Устанавливают переключатель «Усилитель Y» осциллографа в положение, указанное на установке. Развертку отключают.

4.В первичную обмотку исследуемого образца подают переменное напряжение от источника «ВС-24». Величину напряжения U измеряют

вольтметром, находящимся на панели источника. Наблюдают на экране трубки появление петли гистерезиса.

5.С помощью ручки « ↕ » располагают петлю симметрично относительно центра координатной сетки.

6.Работу начинают с такого значения U в первичной цепи, при котором наблюдаемая петля максимальная.

7.Определяют координаты вершин 2у и 2х максимальной петли в делениях сетки (см. рис. 3).

8.Уменьшая U с помощью ручки блока питания ВС-24, производят аналогичные измерения для других петель гистерезиса.

9.На максимальной петле определяют 2yост и 2хкоэрц в делениях сетки (см. рис.

3)и заносят в табл. 2.

3.Обработка результатов измерений

Данные установки: n1 = . . .; R1 = . . . ; Uox = . . . ; С = . . . ; N2 =... Uoy = . . .; S = . . .; R2 = . . . .

Таблица 1

U, B 2x, мм 2y, мм H, А/м B, Тл

Таблица 2

2xкоэрц 2yост Вост, Тл Нкоэрц, A/м

1.По формуле (5) рассчитывают напряженность Н магнитного поля, Uox дано на установке.

2.По формуле (6) находят индукцию магнитного поля В, Uoy 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 петлю гистерезиса.

Контрольные вопросы

1.Каковы основные свойства ферромагнетиков?

2.В чем заключается явление гистерезиса?

3.Как с помощью осциллографа получают петлю гистерезиса?

4.Сделать вывод расчетных формул для Н и В, Как измеряют величины х и y? Что означают Uox и Uoy?

5.Как определяют Вост и Hкоэрц?

Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высш. шк., 2000. § 24.4, 24.5.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 19

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА

Цель работы – определение отношения заряда электрона к его массе методом отклонения в магнитном поле.

Введение

На электрон, движущийся со скоростью υ в электрическом и магнитном полях, действует сила

где е – величина заряда электрона; E – напряженность электрического поля; B – индукция магнитного поля.

При определенном выборе полей траектория движущегося электрона будет плоской и замкнутой. Такие условия движения могут быть получены, если электронную лампу, катод и анод которой изготовлены в виде двух соосных цилиндрических поверхностей, расположить внутри достаточно длинного соленоида параллельно его оси. Электроны в этом случае будут двигаться в пространстве, заключенном между катодом К и

анодом А (рис. 1). Так как магнитное поле B направлено вдоль оси

электродов лампы, а электрическое поле E радиально, то оба поля взаимно перпендикулярны. Двухэлектродную электронную лампу, в которой электроны, летящие от катода к аноду, наряду с электрическим полем подвергаются воздействию внешнего магнитного поля, называют магнетроном.

1. Описание метода измерений и установки

Рассмотрим движение электрона в магнетроне. Точный расчет траектории в таком устройстве (см. рис. 1) не прост, потому что электрон движется в неоднородном радиальном электрическом поле E = τ / 2πε0r ,

где τ – линейная плотность заряда электродов; r – расстояние от рассматриваемой точки до оси электродов лампы. Однако если радиус катода весьма мал по сравнению с радиусом анода, то вид этой траектории близок к окружности.

Действительно, в этом случае максимальная напряженность электрического поля, а следовательно, основное изменение скорости