Обработка результатов измерений

Порядок выполнения работы.

    Монтажная схема установки приведена на рис. 8.

Рис. 8. Монтажная схема:

ЭО – электронный осциллограф; 2, 3, 5, 8, 12, 13 – см. рис. 6

Выполнение измерений

1. Соберите электрическую цепь по монтажной схеме, приведенной на рис. 8.
Внимание! Напряжение «0…+15 В» на электронагреватель не подавать. Ключ 13 разомкнут.

2. Включите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжения и блока мультиметров. Нажмите кнопку «Исходная установка» (поз. 19, см. рис. 1
прил. 1). Загорится индикатор 6 (поз. 19, см. рис. 1. прил. 1) сигнала синусоидальной формы. Частота выходного сигнала установится 500 Гц (см. на индикатор – поз. 5, рис. 1, прил. 1).

3. Включите осциллограф и выведите электронный луч в центр экрана.

 

Калибровка установки

 

4. Увеличивая ток I в первичной обмотке с помощью кнопок установки уровня выхода «0 – 15 В» (поз. 10. см. рис. 1 прил. 1) генератора сигналов специальной формы, получите изображение предельной петли гистерезиса, для которой рост тока не приводит к увеличению площади петли. При этом, изменяя сопротивление реостата в миниблоке «Реостат» и поворачивая ручку осциллографа «Усиление Y», установите наибольшие размеры петли, которые вписываются в экран осциллографа.

5. Подберите значение тока I, при котором координата вершины петли гистерезиса x_max равна длине оси Х экрана. Значения I и x_max запишите в табл. 1.

Таблица 1

N 1	l , мм	I , мА	xmax, м	N 2	S , мм2	R 2 , кОм	g , Кл/В	K , В/дел	l дел , мм	п, А/(м·мм)	т, мТл/мм
100	50,264			100	24	2,5	23,7·10-8

 

6. Внесите в табл. 1 параметры установки и исследуемого образца:

N₁ и N₂ – число витков первичной и вторичной обмоток;

l – длина средней осевой линии сердечника;

S – площадь поперечного сечения сердечника;

R₂ – сопротивление цепи вторичной обмотки;

g - градуировочная постоянная интегратора (23,7·10^-8 Кл/В);

К – цена деления оси Y осциллографа (см. «Усилитель Y»: число K указано в единицах В/дел – вольт на большое деление оси Y);

l _дел – длина большого деления оси Y осциллографа (в мм) – измеряется линейкой.

 

Измерение параметров петли магнитного гистерезиса

 

7. Перенесите на кальку осциллограмму предельной петли гистерезиса.

8. Измерьте положительную и отрицательную координаты точек петли, которые соответствуют величинам коэрцитивной силы Н_С, остаточной индукции В _r, напряженности насыщения Н_S и индукции насыщения В_S (см. рис. 1). Результаты этих измерений запишите в табл. 2.

Таблица 2

Величина	Координаты, мм			Значение величины
НС	+х	—х
В r	+у	—у
ВS	+у	—у
НS	+х	—х
w	S П = … мм2; w = … Дж / м3; W = wlS = … Дж

Получение основной кривой намагничивания

9. Размагнитьте образец. Для этого постепенно уменьшая ток I в первичной обмотке с помощью кнопок установки уровня выхода «0 – 15 В» (поз. 10, см. рис. 1 прил. 1) генератора сигналов специальной формы доведите его до нуля. При этом площадь петли гистерезиса сократится до размеров точки; установите ее в центре экрана.

10. Увеличивая ток в первичной обмотке (с шагом 2мА, а при токах больше 10 мА с шагом 5 мА) получите на экране осциллографа 5-10 частных циклов. Последний цикл должен соответствовать насыщению ферромагнетика. Для каждого значения тока измеряйте координаты вершины петли x_max и y_max. Результаты измерений запишите в табл. 3.

Таблица 3

№	xmax, мм	ymax, мм	Н,А/м	В, мТл	μ r
1
2
…

Измерение В _S(Т) исследуемого ферромагнетика

11. Перенесите на кальку осциллограмму предельной петли гистерезиса.

12. Подайте напряжение регулируемого источника «0…+15 В» на обогреватель. Замкните ключ 13.

13. Измерьте температуру t°С и значения положительной (+у)и отрицательной (–у)ординаты вершин петли, которые соответствуют величине индукции насыщения В _S . Результаты измерений запишите в табл. 4.

 Таблица 4

t, оС	+у, мм	—у, мм	, мм	Т, К	В, мТл
20
30
…

 

14. Кнопками установки напряжения «0...15 В» (поз. 14, см. рис. 1 прил. 1) регулируемого источника постоянного напряжения выставить по световому индикатору (поз. 15, см. рис. на стр. 6) максимальное напряжение на электронагревателе.

15. По мере нагревания образца через каждые 10 °С, а начиная е 50 °С – через каждые 5 °С проводите измерения ординаты у петли гистерезиса и температуры t ^оС согласно п. 8. Измерения продолжайте до тех пор, пока петля гистерезиса не превратится в прямую линию. Результаты измерений запишите в табл. 4.

16. Выключите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжения и блока мультиметров.

Обработка результатов измерений

 

1. По данным табл. 1 вычислите коэффициенты п и т с помощью следующих формул:

,                                       (19)

.                                   (20)

Результаты расчетов запишите в табл. 1.

2. По данным табл. 2 рассчитайте параметры петли гистерезиса Н_С, В _r, Н_S, В_S исследуемого магнетика, используя формулы:

Н = пх = ...А/м                                                              (21)

В = ту = ...мТл/мм                                           (22)

Результаты расчетов запишите в табл. 2.

3. По осциллограмме петли гистерезиса оцените ее площадь S_П в мм² (по числу клеток миллиметровой бумаги, попавших внутрь петли). Определите по формуле удельную энергию w перемагничивания ферромагнетика:

w =т·п· S_П = ...Дж/м³.

Оцените энергию, затраченную на перемагничивание образца объемом V за один цикл как:

W = wV = wlS = …Дж.                                         (23)

Результаты запишите в табл. 2.

4. По данным табл. 3 для каждой пары значений х и у рассчитайте величины Н и В по формулам (10) и (16) и вычислите магнитную проницаемость μ _r по следующей формуле:

,                                                   (24)

где величина μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м.

Результаты расчетов запишите в табл. 3.

5. По данным табл. 3 постройте основную кривую намагничивания В = f (Н)и график зависимости μ _r = f (Н).

6. По данным табл. 4 рассчитайте значения индукции насыщения В _S для каждой температуры:

В _S = ту = …мТл.                                                           (25)

Результаты расчетов запишите в табл. 4.

7. Используя результаты расчетов табл. 4, постройте график зависимости В _S =f(Т),начиная ось температур с 0 К.

8. По графику В _S = f(Т),определите температуру Кюри Т_К.

9. В выводе по работе отразите особенности формы опытных кривых:

а) сопоставьте ход основной кривой намагничивания с положением максимума на графике μ _r = f (Н).

б) сравните полученные кривые с известными теоретическими и экспериментальными зависимостями.

Сделайте заключение о материале сердечника: магнитомягкий или магнитожесткий, – сравнивая найденное значение В _r с В _S .

в) поясните, как изменение намагниченности сердечника по мере роста его температуры отражается на форме петли гистерезиса.

 

Контрольные вопросы

 

1. Покажите вид основной кривой намагничивания В = f (Н)и графика зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля μ _r = f (Н) для следующих магнетиков:

а) диамагнетиков;                                       б) парамагнетиков;

в) ферромагнетиков при Т < Т_с;               г) ферромагнетиков при Т > Т_с.

2. Какой вид имеет основная кривая намагничивания ферромагнетика?

3. Как изменяется петля гистерезиса В = f (Н)при нагревании ферромагнетика? Какой вид принимает зависимость В = f (Н)при температуре выше точки Кюри?

4. Назовите характерные свойства ферромагнетиков и особенности их намагничивания.

5. Опишите изменения доменной структуры ферромагнетика в процессе его намагничивания (по мере роста напряженности поля Н).

6. Опишите механизм намагничивания ферромагнетика при температурах:

а) ниже точки Кюри;                       б) выше точки Юори.

7. От каких величин зависит:

а) напряженность Н магнитного поля тороида;

б) индукция В магнитного поля тороида с ферромагнитным сердечником;

в) магнитная проницаемость μ _r сердечника тороида?

8. Какие измеряемые величины и какие формулы используют для определения следующих величин:

а) напряженности Н магнитного поля в сердечнике;

б) магнитной индукции насыщения В _S?

9. Укажите способ включения и назначение следующих элементов:

а) сопротивления R₁ в цепи первичной обмотки;

б) интегратора в цепи вторичной обмотки.

10. Назовите величины, пропорционально которым изменяются значения напряжений U _х и U _у (на входах Х и Y осциллографа).

11. По каким формулам в работе определяют следующие величины:

а) индукцию насыщения В _S;

б) намагниченность J_S образца при насыщении.

 

 

Литература

 

1. Савельев И.В. Курс физики, кн.2. Электричество и магнетизм. – М.: Высшая школа, 2003. – §§ 7.7, 7.8, 7.9.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2003. – §§ 131, 132, 133, 135, 136.

Приложение 1