Описание метода измерения и экспериментальной установки

1. Электронный осциллограф

Для наблюдения петли гистерезиса и выполнения измерений в данной работе используется электронный осциллограф ЭОШ-70.

Центральным измерительным узлом осциллографа является электроннолучевая трубка, преобразующая значение исследуемого напряжения в перемещение электронного луча. Устройство трубки показано на рис.8.

В баллоне трубки помещено устройство для создания фокусированного электронного луча, называемое «электронной пушкой». «Электронная пушка» состоит из подогревного катода, управляющего электрода- сетки и двух анодов.

Изменение потенциала сетки дает возможность регулировать плотность электронов в луче и тем самым менять яркость изображения на экране. Кроме того, при помощи сетки производится предварительная фокусировка электронного луча. Окончательная фокусировка осуществляется в поле между первым и вторым анодами, из которых первый называется фокусирующим, а второй – ускоряющим.

Рис.8

Сфокусированный пучок ускоренных электронов в конце своего пути попадает на экран. Его поверхность покрыта специальными составами – люминофорами, которые обладают способностью светиться под действием электронной бомбардировки в тех местах, куда попадают электроны. При интенсивной бомбардировке электронами одного и того же места экрана происходит выгорание люминофора. Поэтому во избежание порчи трубки запрещается делать световое пятно слишком ярким, т.е. более ярким, чем это нужно для наблюдения. Не следует оставлять сфокусированное пятно неподвижным на одном и том же месте экрана.

Если на электронный луч на его пути между анодом и экраном воздействовать электрическим или магнитным полем, то светящееся пятно будет перемещаться. Отклоняющая система электроннолучевой трубки осциллографа ЭОШ-70 состоит из двух пар пластин, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Пластины, отклоняющие луч в вертикальном и горизонтальном направлениях, называют соответственно пластинами вертикального и горизонтального отклонения и обозначают «Y» и «X».

Если к какой- либо паре пластин приложить переменное напряжение, то луч прочертит на экране прямую линию. Пусть ℓ – длина отклоняющихся пластин, а – расстояние между ними, L – расстояние от пластин до экрана, U – приложенное напряжение (рис.9).

При некоторых допущениях смещение светового пятна от исходящего положения в результате прохождения луча в поле отклоняющих пластин равно

                                                                                              (8)

где U_a – ускоряющее напряжение.

Рис.9

Обычно ℓ<<L, поэтому можно считать, что

                                                                                                             (9)

Отсюда чувствительность электроннолучевой трубки к напряжению равна

                                                                                          (10)

Значение K_U для современных электроннолучевых трубок составляет 0,1÷1,0 мм/В, для данной трубки оно определяется экспериментально.

Для наблюдения характера изменения напряжения во времени пользуются линейной временной разверткой, позволяющей непосредственно наблюдать на экране кривую исследуемого напряжения в прямоугольной системе координат. На одну пару отклоняющих пластин (как правило, на «Х» - пластины) подают напряжение, меняющееся линейно во времени. Светящееся пятно в этом случае будет перемещаться горизонтально.

Для горизонтального перемещения светящегося пятна применяется пилообразное напряжение. Оно периодически равномерно возрастает от нуля до некоторого определенного значения и затем за очень короткий промежуток времени возвращается к начальному значению (рис.10).

Рис.10

Это напряжение создается генератором развертки.

Ниспадающие участки линейно изменяющегося напряжения на рисунке соответствуют обратному ходу пятна в горизонтальном направлении по экрану. Время обратного хода t_обр должно составлять весьма малую часть полного периода колебаний Т. При подаче на другую пару пластин некоторого напряжения электронный луч опишет на экране линию, показывающую его изменение.

Меняя частоту генератора развертки, добиваются синхронизации частот, то есть такого соотношения частот развертки и сигнала, при котором изображение получается неподвижным.

Если переменные напряжения приложить одновременно к обеим парам отклоняющих пластин, то электронный луч под действием двух взаимно перпендикулярных электрических полей будет прочерчивать на экране некоторую сложную кривую. Форма получаемой кривой зависит от формы, сдвига фаз и соотношения амплитуд и частот напряжений, приложенных к пластинам. При отношении частот, выражающимся рациональным числом, результирующая кривая замкнута и представляется на экране в виде неподвижного изображения (фигура Лиссажу).

В настоящее время выпускается много типов однолучевых и многолучевых осциллографов. Они широко применяются для наблюдения и фотографирования напряжения и тока в цепях низких и высоких частот, для изучения явлений, происходящих в быстродействующих вычислительных машинах, измерительно-вычислительных комплексах, в радиотехнических системах связи и т.д. С помощью осциллографа можно наблюдать семейства характеристик электронных ламп и полупроводниковых приборов, петлю гистерезиса магнитных материалов, .определять параметры телевизионных и радиоприёмных устройств и т.д.

2. Методика измерения

Осциллографический метод измерений характеристик ферромагнетика основан на наблюдении петли гистерезиса на экране осциллографа. Принципиальная схема приведена на рис.11

Рис.11

Через обмотку образца, который представляет собой тороид, течет переменный ток от генератора звуковой частоты ГЗ-33. Резистор R₁ ограничивает величину тока, с резистора R₂на вход "Х" осциллографа подается напряжение, пропорциональное этому току

                                                                                                 (11)

где Н – напряженность магнитного поля;

n₁ – количество витков обмотки L₁ на единицу длины.

При изменении тока меняется магнитная индукция B и магнитный поток Ф, пронизывающий образец

                                                                                                    (12)

где S_ОБР – площадь поперечного сечения образца.

Изменение потокосцепления обмотки L₂ с числом витков N₂ при этом равно

                                                                                     (13)

На зажимах обмотки L₂ развивается ЭДС индукции, равная

                                                                                                           (14)

Напряжение на конденсаторе U_С равно

                                                                                      (15)

Величина резистора R₃ и емкости С подобраны таким образом, что  <<R₃ (ω – круговая частота тока от генератора), т.е. ε >> U_c и поэтому

                                                     (16)

R₃С – цепочка называется интегрирующей. Напряжение на конденсаторе С пропорционально мгновенному значению магнитной индукции образца. Оно подается на выход «Y» осциллографа. На экране осциллографа возникает петля гистерезиса (в данном случае – зависимость В(Н)).