Для наблюдения петли гистерезиса на экране осциллографа необходимо подать на его вертикальный вход напряжение Uу,пропорциональное индукции В суммарного поля, а на горизонтальный вход - напряжение Uх, пропорциональное напряженности поля Н. Принципиальная схема установки дана на рис. 9.3.
|
На первичную обмотку тороидального образца Т из исследуемого ферромагнетика подается переменное напряжение от лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) через сопротивление R1. Изменением напряжения в первичной цепи доводят сердечник до состояния магнитного насыщения. Падение напряжения на сопротивлении R1 пропорционально току в первичной обмотке, т. е. величине напряженности поля Н в тороиде, поскольку Ux = I1R1, а Н = n1I1
, (9.7)
где n1 - число витков на единицу длины в первичной обмотке. Это напряжение подается на горизонтальный вход осциллографа. Во вторичной обмотке тороида наводится ЭДС индукции
, Y = B S0 N2, (9.8)
где Y - потокосцепление, N2 - общее число витков вторичной обмотки, S 0 - площадь, охватываемая одним витком. В опыте изменяется только величина индукции поля, т.е. d Y = S0 N2 d B и
. (9.9)
Пренебрегая ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке и падением напряжения на конденсаторе С, запишем выражение для тока во вторичной обмотке тороида
. (9.10)
Таким образом, ток во вторичной цепи пропорционален скорости изменения индукции магнитного поля. Конденсатор, стоящий во вторичной цепи, является элементом интегрирующей цепи R2C, и напряжение Uc на нем будет пропорционально величине индукции поля в сердечнике. Действительно,
. (9.11)
Напряжение Uc = Uy подается на вертикальный вход осциллографа. В результате совместного воздействия Ux и Uy за один период синусо-идального изменения тока I1 и соответственно Н (см. рис.9.2) электронный луч на экране опишет полную петлю гистерезиса и за каждый следующий период в точности повторит ее. При этом на экране осциллографа будет видна неподвижная петля гистерезиса. Изменяя I1, можно на экране получать петли гистерезиса разной площади.
Для определения значений Н и В в абсолютных единицах необхо-димо знать масштабы по осям координат, т.е. “цену” одного большого деления шкалы осциллографа в А/м по оси Х и в теслах (Тл) по оси У. Обозначим эти масштабы соответственно kх и kу. Тогда
Н = kх х и В = kу у, (9.12)
где х и у - число больших делений шкалы. В соответствии с выражением (9.7)
,
откуда следует, что
, (9.13)
где g х - чувствительность осциллографа по напряжению по оси x,
.
Из (9.11) следует, что
,
откуда:
, (9.14)
где gу - чувствительность осциллографа по оси y, 
.
Порядок выполнения работы
1.Получить петлю гистерезиса.
1.1. Собрать электрическую цепь по рис. 9.3.
1.2. Отключить генератор развертки осциллографа, для чего ручку “Синх.ВН” опустить в положение Х.
1.3. Подключить осциллограф к сети и появившийся на экране луч вывести в центр координатной сетки.
1.4. На вход ЛАТРа подать из сети напряжение 80 В. Меняя напряжение на выходе ЛАТРа, и, следовательно, меняя Н и В, получить на экране петлю гистерезиса (ПГ). Добиться, чтобы петля имела участок насыщения и занимала бы возможно большую часть экрана; при этом, может быть, придется пользоваться ручкой (Вольт/дел.).
1.5. Снять координаты х, у (в больших делениях сетки осциллографа с точностью до десятых долей) нескольких точек основной кривой намагничивания. Для этого ручкой ЛАТРа уменьшить напряжение на его выходе (уменьшается и Ux и Uy). ПГ при этом будет сжиматься, а ее вершина будет перемещаться как раз по основной кривой. Таким образом, снимая каждый раз координаты вершины петли, можно получить нужные значения х и у. Результаты для 5 - 6 точек занести в табл. 9.1.
Таблица 9.1
| х, дел. | |||||||||
| Н, А/м | |||||||||
| у,дел. | |||||||||
| В, Тл |
1.6. Определить коэффициенты kх и kу. По смыслу (см.(9.12), (9.13)) это те напряженность и индукция магнитного поля, которым соответствует отклонение по осям х и у на одно большое деление сетки осциллографа
где gх и gу - чувствительность по напряжению по осям х и у; n1, N2, R1, r2, C, S0 - задаются; gу установить положением рукоятки осциллографа “Вольт/дел.”; gх следует определить. Для этого взамен напряжения Ux подать калиброванное напряжение с клеммы “0,6 В” осциллографа (тумблер “2 кГц” повернуть вправо). Для увеличения чувствительности тумблер “х1/х0,2” перевести в положение “х0,2”. На экране появятся две точки, расстояние между которыми х0 соответствует сигналу 0,6 В. Измерить это расстояние в делениях шкалы и определить чувствительность по оси x:
.
1.7. По формулам (9.12) рассчитать Н и В, соответствующие снятым в п.1.5 точкам основной кривой намагничивания. Результаты занести в табл. 9.1.
1.8. По данным п. 1.7 построить на миллиметровой бумаге основную кривую намагничивания В = f (Н).
2. Снять петлю гистерезиса и определить потери на перемагничивание.
2.1. Вновь получить на экране предельную петлю гистерезиса.
2.2. Перенести петлю с экрана на миллиметровую бумагу. Сделать это можно двумя способами:
а) путем снятия координат нескольких (10-15) точек петли. По этим точкам на миллиметровой бумаге строится петля.
б) копированием петли гистерезиса с экрана осциллографа на миллиметровую бумагу или кальку с указанием положения осей.
2.3. По графику, полученному в п. 2.2, определить площадь N0 (мм2), охватываемую петлей гистерезиса.
2.4. Вычислить количество энергии, затраченное на перемагничивание единицы объема магнетика в 1 с. (Часть этой энергии идет на нагревание тороида). При этом, если петля строилась способом, описанным в п. 2.2,а, то
Q = kх kу N0 n. (9.15)
Теперь kх и kу - напряженность и индукция магнитного поля, соответ-ствующие 1 мм той и другой осей построенного графика. Если петля гистерезиса снимается по п. 2.2,б, то
Q = kх ку N0 n / 36,
здесь kx и kу - прежние (9.13, 9.14); коэффициент 1/36 переводит площадь петли гистерезиса из мм2 в дел2, n - частота переменного тока в сети (частота перемагничивания).
2.5. Из полученной петли определить остаточную индукцию Вт и коэрцитивную силу Нс для исследуемого магнетика.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Вектор индукции магнитного поля.
2. Вектор намагниченности.
3. Магнитная восприимчивость и проницаемость магнетиков.
4. Виды магнетиков.
5. Природа диамагнетизма, парамагнетизма и ферромагнетизма.
6. Вектор напряженности магнитного поля.
7. Явление гистерезиса в ферромагнетиках.
8. Напряженность магнитного поля тороида.
9. Явление электромагнитной индукции и использование его в данной работе.
10. Вывод расчетных формул для В и Н.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10
