Вопросы для самоконтроля

1. Нарисуйте и объясните кривую намагничивания, график зависимости B(H) ферромагнетика.

2. Вычислите Н в длинном соленоиде.

3. Как происходит намагничивание ферромагнетиком?

4. Что такое петля гистерезиса? Какие причины ее вызывают?

5. Каким образом можно размагнитить образец?

6. Что такое потери энергии на гистерезис?

Лабораторная работа 7

Изучение магнитного гистерезиса с помощью

электронного осциллографа

Цель работы: изучить явление магнитного гистерезиса.

Приборы и принадлежности: кассета ФПЭ-07/02, низкочастотный генератор, осциллограф.

Описание установки

Лабораторная работа проводится на установке, состоящей из кассеты ФПЭ-07/02, генератора и осциллографа, собранной по схеме (рисунок 7.5).

Рисунок 7.5 – Схема установки

Принцип работы установки основан на явлении гистерезиса, возникающего в ферромагнетиках. Исследуемым образцом является сердечник тороидального трансформатора из марганец–цинкового феррита М2000НМ размерами 31×18,5×7 мм, с двумя обмотками (число витков первичной обмотки N₁ = 200, число витков вторичной обмотки N₂ = 50). Первичная обмотка подключается к генератору, вторичная обмотка (измерительная) подключается к осциллографу, на экране которого воспроизводится петля гистерезиса исследуемого образца. В цепи, состоящей из намагничивающей обмотки, генератора сигналов и резистора R₁, создается переменный ток (напряжение 2–5 В, частота 700–806 Гц, гнезда Х1, Х2). Используемый железный образец имеет форму тора, его намагничивание осуществляется с помощью кольцевой обмотки (рисунок 7.6). Если радиус тора R₀ значительно превышает радиус его поперечного сечения r₀ (сердечник имеет форму тонкого кольца), то магнитное поле, существующее в обмотке, явлется однородным всюду внутри неё. При этом силовые линии имеют форму окружностей, общий центр которых совпадает с ценром тора.

Рисунок 7.6 – Исследуемый образец, сердечник трансформатора

Поскольку вектор напряжённости магнитного поля всюду параллелен поверхности образца, то из граничных условий для векторов магнитного поля следует, что значения внутри и вне образца равны между собой. Это обстоятельство позволяет при выполнении расчётов не делать сложных поправок на геометрическую форму образца и существенно упрощает определение магнитной проницаемости железа. Связь между силой тока в обмотке I₀ и напряженностью создаваемого этим током магнитного поля можно найти с помощью теоремы о циркуляции вектора :

, (7.3)

где интегрирование приводится по окружности, проходящей внутри тора (вдоль линии вектора ), N – число витков обмотки, NI₀ – полный ток проводимости, охватываемый контуром интегрирования. Из выражения (7.3) следует:

, (7.4)

где n – количество витков обмотки, приходящейся на единицу длины тора. Таким образом, напряженность магнитного поля однозначно определяется силой тока в намагничивающей обмотке и линейной плотностью ее витков.

На резисторе R₁ возникает напряжение, пропорциональное току в первичной обмотке и напряженности магнитного поля в образце. Этот сигнал подается на вход «Х» осциллографа. Измерительная обмотка трансформатора присоединена к интегрирующей R₂C₁ – цепочке.

При изменении потока внешнего магнитного поля, пронизывающего измерительную катушку, в ней возникает Э.Д.С. индукции , где S – площадь поперечного сечения тора. В случае гармонического изменения силы тока зависимость магнитной индукции от времени можно записать в виде , где  – циклическая частота переменного тока. Следовательно, во вторичной обмотке действует Э.Д.С. индукции . При этом напряжение на интегрирующей емкости С₁ пропорционально индукции магнитного поля:

,

где – сила тока во вторичной обмотке,

– импеданс вторичной обмотки.

Этот сигнал подается на вход «Y» осциллографа (гнездо Х2, Х3).

Из выражения находим индукцию магнитного поля

, (7.5)

где S – площадь поперечного сечения тороидального сердечника, N₂ – число витков вторичной обмотки. При получении формулы (7.5) мы пренебрегаем реактивным сопротивлением вторичной обмотки.

Падение напряжения на сопротивлении R₁ равно и пропорционально отклонению электронного луча по горизонтали. Из этого выражения находим напряженность магнитного поля:

, (7.6)

где N₁ – число витков в первичной обмотке, R₀ – радиус тора (рисунок 7.6).

Ход работы

1. Подключите к кассете ФПЭ-07/02 генератор и осциллограф (рисунок 7.5).

2. Запишите в таблицу 7.1 исходные данные схемы, которые указаны на лицевой панели кассеты.

R1

R2

C1

S

N1

N2

Ux

Uy

H

B

BH

B0

Hk

макс

Таблица 7.1 – Исходные и опытные данные

3. Выполните калибровку осциллографа по оси X и запишите его чувствительность по оси Х – U_x (В/дел), а также по оси Y – U_y (В/дел), которую показывает указатель соответствующей ручки.

4. Включите генератор и осциллограф в режиме выключенной развертки. Добейтесь, чтобы петля гистерезиса находилась в центре экрана, была симметричной, имела насыщение и занимала большую часть экрана.

5. Нарисуйте координатную сетку экрана осциллографа (в масштабе одна клетка  2 см) и на нее нанесите график полной петли гистерезиса.

6. Уменьшая выходное напряжение генератора, получите семейство не менее пяти уменьшающихся до точки петель. Снимите для каждой из них координаты вершин U_x0 и U_y0. По полученным точкам постройте кривую намагничивания.

7. Используя масштабы U_x, U_y и формулы (7.5) и (7.6), найдите по графику петли гистерезиса и запишите в таблицу 7.1, значения магнитных параметров B_H, B₀, H_k (рисунок 7.4) для пяти петель гистерезиса.

8. Используя кривую намагничивания, по формуле вычислите магнитную проницаемость при различных значениях напряженности магнитного поля. Запишите в таблицу 7.1 максимальную магнитную проницаемость ферромагнетика _max.

Тема 8

Изучение работы конденсатора

1. Квазистационарные токи

2. Дифференциальные уравнения для RC-цепи

3. Зависимость тока зарядки и разрядки конденсатора от времени