Теория лабораторной работы. Если образец из ферромагнитного вещества поместить во внешнее магнитное поле
Если образец из ферромагнитного вещества поместить во внешнее магнитное поле напряженностью 
, то внутри образца магнитная индукция будет равна:
(5)
где: 
, 
– индукция магнитного поля, создаваемая намагниченным веществом образца, 
– магнитная постоянная, равная 
.
 Рис. 13. |
. Для малых 
формулу (5) можно представить в виде:
.
Пусть образец перед намагничиванием был полностью размагничен. Поместим его во внешнее поле, которое будем увеличивать от нуля до некоторого значения . Зависимость 
от выразится кривой oa (см. рис.13). Если теперь уменьшать поле до нуля, то зависимость от уже изобразится кривой ac.
При 
магнитная индукция образца отличается от нуля: в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничивание, численно равное отрезку oc. Чтобы полностью размагнитить образец, следует создать магнитное поле напряженности 
, направленное в противоположную сторону. Величина называется коэрцитивной (задерживающей) силой. Увеличивая поле обратного направления до 
, получим часть cb кривой намагничивания. Снова уменьшая поле до нуля, получим часть bd. Поменяв направление поля на первоначальное и увеличивая его от нуля до 
, вернемся в точку a по кривой da. Полученная кривая является петлей гистерезиса.
Ферромагнитные материалы применяются в трансформаторах, дросселях, машинах переменного тока, т. е. в устройствах, где они подвергаются периодическому перемагничиванию. Изучение магнитных характеристик ферромагнетиков в переменных полях представляет, поэтому, большой практический интерес. Основные характеристики ферромагнетиков – их коэрцитивная сила, магнитная проницаемость, мощность, рассеиваемая в виде тепла при перемагничивании и т. д. зависят от частоты перемагничивающегося поля. В настоящей работе кривые гистерезиса трансформаторной стали изучаются с помощью электронного осциллографа.
Значение площади петли гистерезиса данного образца пропорционально тепловой энергии, выделяющейся при перемагничивании. Можно дать качественную оценку определенному сорту трансформаторной стали, если сравнивать площади петель гистерезиса образцов.
Обмотка возбуждения трансформатора включается в сеть. Количество витков подобрано так, что в сердечнике наступает магнитное насыщение. На потенциометре 
возникает соответственно переменная ЭДС, величина которой пропорциональна напряженности магнитного поля 
, намагничивающего сердечник. Эту ЭДС подают на горизонтально отклоняющие пластины X осциллографа (предварительно усилив усилителем горизонтального отклонения).
На вертикальные пластины осциллографа Y подается напряжение, возникающее на вторичной обмотке. Это напряжение, однако, пропорционально не магнитной индукции , а скорости изменения магнитной индукции 
. Между вторичной обмоткой и осциллографом, поэтому, включается интегрирующее звено. Интегрирование напряжения проще всего осуществить при помощи 
–ячейки, удовлетворяющей условию 
, где 
– период изучаемого явления. При большом сопротивлении 
падение напряжения на конденсаторе мало по сравнению с падением напряжения на резисторе, так что ток через ячейку равен: 
, где 
– напряжение на выходе вторичной обмотки. Напряжение на конденсаторе, которое подается на вход осциллографа, равно:
. (6)
Из этого уравнения видно, что ячейка не только интегрирует напряжение, но и ослабляет его.
В данной схеме напряжение 
на конденсаторе 
пропорционально не току 
, а интегралу от тока. Подобное соединение конденсатора и резистора называется интегрирующей цепочкой.
Таким образом, на экране осциллографа получается петля гистерезиса 
. За один период синусоидального изменения тока электронный луч опишет на экране полную петлю гистерезиса. На переменном токе промышленной частоты на экране будет видна неподвижная петля гистерезиса. Изменяя потенциометром 
напряжение 
, на экране получаем ряд различных по площади петель, вершины которых находятся на кривой намагничивания. Для построения кривых намагничивания необходимо снять координаты вершин петель гистерезиса; (точки а и b). После этого следует определить величины 
и 
с учётом чувствительности пластин осциллографа 
и 
:
; 
(7)
где 
и 
– координаты вершин петель гистерезиса.
Вычислить значения: и по формулам:
, 
, (8)
где 
– число витков на единицу длины.
 Рис. 14 |
По вычисленным значениям
и строится кривая намагничивания (рис.14). ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
1.
 Рис. 15 |
Проанализировать схему (рис. 15) и ознакомиться с порядком подготовки осциллографа к работе.
2. Включить осциллограф. Установить напряжение 
, а силу тока 
(по нижней шкале миллиамперметра).
3. Записать значения чувствительности и для данного усиления, указанные примечании к работе.
4. Изменяя величину сопротивления , уменьшать силу тока с шагом 
; получить семейство петель гистерезиса в зависимости от тока 
.
5. Снять значения координат точек насыщения петель 
и в зависимости от тока 
, результаты занести в таблицу.
Таблица
| Номер измерения | , А | , мм | , В | , Тл | , мм | , В | , Тл |  , Тл |  |
6. По данным, приведенным в работе, и полученным значениям и рассчитать значения напряжений , и , (соотношения 7, 8) при различных значениях тока .
7. Построить кривую намагничивания материала 
.
8. Обесточить установку.
9. Проанализировать результаты, сделать вывод.
Примечание:
1). 
; 
; 
; 
витков;
; 
.
2). Чувствительность 
; 
; при
. ( 
– по верхней шкале), в координатах точек:
а) 
, 
; b) 
, 
(см. рис 9).
Материал сердечника – сталь электротехническая 
.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Согласно обозначениям на шкалах электроизмерительных приборов, используемых в данной работе, указать назначение прибора, тип тока, безопасность, класс точности, систему измерительного механизма, рабочее положение при эксплуатации.
2. По классу точности электроизмерительных приборов, используемых в данной работе, вычислить их абсолютную (инструментальную) погрешность и указать к какой группе приборов (прецизионным, техническим или внеклассовым) они относятся.
3. Какие вещества называются магнетиками?
4. В чём заключается причина намагничивания веществ по гипотезе Ампера?
5. Чему равно результирующее магнитное поле магнетика (в соответствии с принципом суперпозиции магнитных полей)?
6. Перечислите существующие виды магнетиков?
7. Какие вещества называются ферромагнетиками?
8. Что называется явлением гистерезиса?
9. Что называется магнитным гистерезисом?
10. Назовите характерные точки петли магнитного гистерезиса.
11. Что называется коэрцитивной силой?
12. Какие вещества называются мягкими магнитными материалами? твёрдыми магнитными материалами?
13. Что называется доменами?
14. В чём особенность кривой намагничивания ферромагнетика?
15. Кратко опишите схему и принцип работы установки для снятия кривой намагничивания и петли гистерезиса.
Литература
1. Майсова Н.Н. Практикум по курсу физики.- М.: Высш. школа, 1970.
2. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3-х т. М.: Наука, 1982. Т.1.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Механика. М.: Наука, 1979.
4. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. школа, 1985.
5. Хайкин С.Э. Физические основы механики.- М.: Наука, 1971
6. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.