Порядок выполнения работы

1. Собрать установку согласно схеме, указанной на лицевой панели блока ФПЭ-03.

2.Все ручки управления поставить в крайнее левое положение.

3.Включить источник питания и нажав левую кнопку «Контроль тока» с помощью ручки регулировки «2,5В- 4,5 В» установить ток накала лампы I_H= 0,5 А. Время прогрева 5 минут.

4.Установить анодное напряжение = 50 В с помощью ручки регулировки «12 В-120 В».

5 .С помощью ручки регулировки «5 В-25 В», предварительно нажав правую кнопку "Контроль тока", установить ток соленоида и записать величину анодного тока . Измерить и для других значений (0,4-2,4 А). Шаг изменения . Полученные значения занести в таблицу 1. В данном пункте переключатель режима работы вольтметра В7-27A/1 необходимо установить на множитель 1.

6. Пункты 4 и 6 повторить для значений анодного напряжения =40 В и 30 В.

7.Для каждого значения анодного напряжения постройте график зависимости анодного тока от силы тока в соленоиде и . Критическое значение силы тока в соленоиде определяется из графика (см. рис. 4). Проведите до взаимного пересечения прямые, являющиеся продолжением линейных участков графика (рис.4).

8.Вычислить удельный заряд электрона по формуле (11) для всех значений анодного напряжения. Рассчитайте его среднее значение. Рассчитайте погрешность величины используя ее среднее значение.

Таблица 1

50В

A	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0	2,2	2,4
10-3 А

Таблица 2

40 В

A	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0	2,2	2,4
10-3 А

Таблица 3

30 В

A	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0	2,2	2,4
10-3 А

Контрольные вопросы

1. Напишите формулу силы Лоренца в векторном и скалярном виде. Как направлена сила Лоренца?

2. В чем состоит метод магнетрона для определения удельного заряда?

3. Как выводится формула (9)?

4. Влияет ли на величину В_кр изменение направления тока в соленоиде на противоположное?

Лабораторная работа 12

ИЗУЧЕНИЕ ГИСТЕРЕЗИСА ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы

Определение кривой намагничивания, коэрцитивной силы, работы перемагничивания за один цикл ферромагнетика по петле гистерезиса.

Приборы и принадлежности

Звуковой генератор (ГЗШ - 6З); осциллограф, (C1 - 72); кассета ФПЭ -07/02.

Теоретическое введение

Все вещества являются магнетиками, т.е. способны под действием внешнего магнитного поля изменяться так, что сами создают дополнительное магнитное поле. Такое явление называется намагничиванием магнетика. При намагничивании полная индукция, магнитного поля равна сумме индукции внешнего поля и индукции магнитного поля, порожденного магнетиком,

Намагничивание магнетика количественно характеризуется вектором - намагниченностью. Эта величина определяется как сумма магнитных моментов атомов (или молекул) в единице объема вещества

(1)

где -малый объем магнетика, – сумма магнитных моментов всех молекул (атомов) в объеме . Величина В зависит от _. Иногда, значительно удобнее пользоваться такой характеристикой магнитного поля, которая определялась бы только источниками внешнего магнитного поля. Эта величина называется напряженностью магнитного поля .

Намагниченность в каждой точке магнетика связана с напряженностью магнитного поля:

(2)

где - характерная для данного магнетика постоянная величина, называемая магнитной восприимчивостью вещества. Выражение (2) справедливо только для однородных и изотропных сред.

Величина показывающая во сколько раз индукция магнитного поля в веществе (В) больше, чем в вакууме (В₀) называется магнитной проницаемостью среды.

(3)

Эта величина является одной из характеристик магнитных свойств веществ. Найдем связь между и .

В отсутствие магнетика магнитное поле создается только макротоками (токами проводимости). Индукция магнитного поля в вакууме связана с напряженностью формулой:

(4)

Напряженность магнитного поля - характеристика магнитного поля, описывающая только поле макротоков.

В магнетике, кроме поля макротоков, появляется еще индукция поля созданного самим намагниченным веществом – микротоками (по Амперу молекулярными токами) , пропорциональная вектору намагниченности:

(5)

Полная индукция по принципу суперпозиции , с учетом (2), (5) и (6):

(6)

По определению (4) , т.е. и сравнивая это выражение с (7), получим:

(7)

В зависимости от значения и все магнетики можно подразделить на 3 класса:

1) или . В этом случае поле , созданное магнетиком, направлено против внешнего поля и магнитное поле В в веществе ослабляется. Такие вещества называются диамагнетиками. ( 10^-6÷10^-8)

2) , . Поле В' направлено также как , но мало по величине, т.е суммарное поле В слегка усиливается в веществе. Эти вещества называют парамагнетиками ( 10^-4÷10^-6).

3)Для этого класса магнетиков и >>10⁴ гораздо больше единицы.

Эти вещества называют ферромагнетиками. Для ферромагнетиков характерно также и то обстоятельство, что магнитная проницаемость этих веществ зависит от внешнего магнитного поля, а также предыстории намагничивания данного образца. Даже в отсутствие внешнего магнитного поля они могут обладать намагниченностью (остаточная намагничен-ность). Кривая намагничивания ферромагнетика (зависимость ) имеет вид петли, называемой петлей гистерезиса, pис.1.

Если ферромагнетик был первоначально размагничен (В=0; Н=0), то его намагничивание происходит по основной кривой OA. В точке индукция магнитного поля и напряженность соответствуют состоянию магнитного насыщения. Если начать размагничивание ферромагнетика, то оно будет происходить вдоль кривой ACD .

При намагниченность не исчезнет, а будет принимать значение соответствующее отрезку ОС (остаточная намагниченность ).

Для ее уничтожения надо приложить поле (отрезок DO). Величина называется коэрцитивной силой. Принято считать ферромагнетик жестким, если А/м. Если А/м, _то ферромагнетик считается мягким. В точке А' вновь достигается состояние насыщения намагничивания. Если теперь вновь изменить направление напряженности магнитного поля, то намагничивание ферромагнетика будет происходить вдоль кривой А'С'D'А. Если при циклическом намагничивании

ферромагнетика напряженность поля будет достигать значений соответствующих состоянию насыщения намагничивания, то получаемая при этом петля гистерезиса будет иметь максимальные размеры. При использовании более слабых циклически изменяющихся магнитных полей будет получаться петли гистерезиса меньших размеров - частные циклы намагничивания.

Природа ферромагнетизма может быть рассмотрена только на основе

квантовой механики. В рамках классической теории можно лишь дать качественное объяснение этому явлению. В ферромагнетиках ответственными за их магнитные свойства являются собственные (спиновые) магнитные моменты электронов. Для атомов этих веществ энергетически более выгодным оказывается конфигурация с параллельными спинами электронов. При этом индукция магнитного поля, создаваемого атомами (ионами) с такой ориентацией спинов, оказывается весьма значительной так, что в пределах макроскопических областей (порядка нескольких микрометров) магнитные моменты всех атомов ориентируются вдоль одного общего направления. Такие области, характеризующиеся одинаковой ориентацией магнитных моментов всех атомов, называются доменами (размеры доменов составляет l=10^-8÷10^-6 м). В пределах домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом, но направление этого момента различно для различных доменов. Поэтому в отсутствии внешнего поля (и остаточной намагниченности) суммарный магнитный момент ферромагнетика равен нулю. Между доменами существуют границы некоторой толщины (10^-9-10^-8 м), в пределах которых намагниченность изменяет свое направление от ориентации в одном домене к ориентации в другом домене. Увеличение намагниченности при росте напряженности магнитного поля происходит в несколько стадий. При слабых полях (начальный участок основной кривой намагничивания ОА на рис.1) происходит смещение границ и поворот граничных стенок, вследствие чего увеличиваются те домены магнитные моменты которых составляют меньший угол с напряженностью Н поля за счет доменов, у которых этот угол больше (домены 1 и 3 на рис.2 увеличиваются за счет доменов 2 и 4).

Н а среднем участке кривой OA наблюдается полное исчезновение доменов с «невыгодной» ориентацией и, наконец, на верхнем участке этой кривой (вблизи точки А) происходит постепенный поворот магнитных моментов всех доменов в направлении поля до тех пор, пока весь ферромагнетик не превратится, в однодоменный кристалл и не будет достигнуто состояние насыщения при намагничивании.

У каждого ферромагнетика имеется определенная температура (точка Кюри), при которой домены распадаются и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Для железа, например, эта температура равна 768°С. При охлаждении ниже точки Кюри в ферромагнетике вновь возникают домены.