Порядок выполнения работы. Схема эксперимента приведена на рис

Схема эксперимента приведена на рис. 4.3.

Конденсатор с сегнетоэлектриком – С – плоский с площадью обкладок  S = 2,0 см² и зазором d = 0,45 мм. Конденсатор С₀ = 1 мкФ.

1. Изучить схему на рис. 4.3 и собрать при помощи соединительных проводов. Представить собранную схему на проверку преподавателю или лаборанту.

2. Подготовить к работе генератор ГСФ-2:

- Тумблером «сеть» включить прибор;

- Тумблер «ген/внеш» в положение «ген»;

- Тумблер «форма сигнала» - « ~ » (синусоидальная);

- Тумблер « 0 » в положение «~»;

- Тумблер «20В/1А» в положение «20В»;

- Соединить электрическую схему с генератором (гнезда «вых» и «общ»);

- На выходе ГСФ-2 установить синусоидальное напряжение частотой n = 2 – 3 кГц.

3. Подготовить к работе осциллограф-мультиметр:

- Кнопкой «MAINS» включить прибор;

- Соединить электрическую схему с осциллографом (гнезда «X» и «Y»);

- Переключатель «TV/NORM» в положение «TV».

4. Наблюдайте на экране петлю гистерезиса сегнетоэлектрика.

5. Регулируя амплитуду синусоидального напряжения на выходе генератора ручкой «АМПЛИТУДА», снять размахи напряжения на входах каналов «Х» - U_X и «Y» - U₀ осциллографа. Чтобы напряжение U₀  уложилось в шкалу осциллографа по вертикали, используйте переключатель коэффициентов развёртки по вертикали «V/DIV». Напряжение, подаваемое на вход «Х» осциллографа при этом умещается в масштабе горизонтальной развертки, т.к. представляет лишь незначительную часть напряжения U.

В схеме эксперимента используется повышающий трансформатор Т₄, т.к. напряжение, вырабатываемое генератором, недостаточно для наблюдения петли гистерезиса. На вход «Х» осциллографа с делителя напряжения, образованного резисторами, подается часть напряжения U : U_X, зная которое, можно легко определить U:

Цена деления горизонтальной шкалы: 0,5В/дел и можно устанавливать размах сигнала по горизонтали кратный половине цены деления (0,25В).

6. Рассчитать емкость конденсатора:

.

7. Определить диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектрика:

.

8. Результаты представить в виде:

 

Таблица 4.1.  n = _____Гц

UX, В	0,25	0,50	0,75	1,00	1,25	1,50	1,75	2,00
U0, В
C, нФ
e, 103

 

9. Построить в координатной плоскости петлю гистерезиса сегнетоэлектрика: U₀ = f (U).

10. Ответить на следующие контрольные вопросы:

- Какие вещества называются сегнетоэлектриками?

- Объяснить схематически почему сегнетоэлектрики имеют очень большие значения диэлектрической проницаемости?

- Привести ряд особенностей сегнетоэлектрических свойств;

- Охарактеризовать явление диэлектрического гистерезиса, используя полученную кривую.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5
Исследование кривых гистерезиса ферромагнетиков
с помощью осциллографа

Цель работы: изучить магнитные свойства ферромагнетиков.

Приборы и принадлежности: ЛКЭ–2(6) (генератор сигналов функциональный ГСФ-2, осциллограф-мультиметр С1-112А, провода соединительные, блок «Поле в веществе».)

Сведения из теории

Намагничивание вещества. Любое вещество является магнетиком, т. е. способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент - намагничиваться. Намагниченное вещество создает магнитное поле В_магн, которое накладывается на обусловленное внешними токами I _своб поле В_своб. Результирующее поле

                                                                                   (5.1)

Величина  - называется магнитной проницаемостью вещества.

Эксперимент показывает, что направление добавочного поля В_магн  относительно первоначального В_своб может быть различным. По своим магнитным свойствам все вещества делятся на две группы: слабые магнетики, у которых m мало отличается от единицы; сильные магнетики - вещества, у которых m >> 1. В свою очередь слабые магнетики делятся на две подгруппы: диамагнетики (m < 1 и парамагнетики m > 1). В диамагнетиках В_магн направлено противоположно В_своб; в парамагнетиках эти поля совпадают по направлению. Опишем механизм этих явлений. Атомы многих веществ, не имеют постоянных магнитных моментов; или, точнее, все магнитные моменты внутри атома уравновешены. Если включить внешнее магнитное поле, то внутри атома по индукции генерируются слабые дополнительные токи. По правилу Ленца эти токи действуют так, чтобы сопротивляться увеличивающемуся магнитному полю. При этом наведенный магнитный момент атомов направлен противоположно магнитному полю. Это и есть механизм диамагнетизма. Типичные диамагнетики: вода, стекло, инертные газы, большинство органических соединений, графит, Bi, Zn, Cu, Ag, Hg и т.д. Существуют и такие соединения, атомы которых обладают магнитным моментом, т.e. их электронные орбиты имеют ненулевой полный циркулирующий ток. В таких веществах кроме диамагнитного эффекта, который есть всегда, существует возможность выстраивания атомных магнитных моментов в одном направлении. Магнитные моменты выстраиваются по направлению внешнего поля и усиливают его. Парамагнетизм довольно слаб, и тепловое движение легко с ним конкурирует, разрушая магнитное упорядочение. Для обычного парамагнетика эффект тем сильнее, чем ниже температура.

Диамагнетизм зависит от температуры значительно слабее. Таким образом, у любого вещества с выстроенными магнитными моментами есть как парамагнитный, так и диамагнитный эффекты, причем парамагнитный эффект обычно доминирует. Типичные парамагнетики: O₂, Al, Pt, щелочные металлы, редкоземельные элементы и т.д.

К сильным магнетикам относятся ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. В ферромагнетиках, свойства которых изучаются в настоящей работе, возникают большие (до 10 мкм) области спонтанного намагничивания - домены, в которых все так называемые спиновые магнитные моменты электронов выстроены параллельно. Кроме железа, типичными ферромагнетиками являются: кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения, а также некоторые соединения марганца, кобальта и др. В обычных условиях направления магнитных моментов доменов хаотически распределены в пространстве - тело в целом не намагничено. При внесении вещества в магнитное поле домены, ориентированные по полю, растут за счет доменов, ориентированных против поля - тело сильно намагничивается.

Степень намагниченности любого магнетика характеризуется вектором намагниченности - магнитным моментом единицы объема

                                                 ,                                      (5.2)

где DV - физически бесконечно малый объем вблизи данной точки, р_m -магнитный момент отдельной молекулы. В простейшем случае р_m можно определить как магнитный момент контура с током: р_m=I S n, где I - сила тока, текущего по контуру; S - площадь контура; n - положительная нормаль к контуру. При определении вектора намагниченности сумма берется по всем молекулам в DV. С физической точки зрения атомные токи создаются реальными заряженными частицами, движущимися в aтомах и молекулах вещества. Эти токи иногда называют амперовскими, т.к. Ампер первый предположил, что магнетизм вещества происходит за счет циркуляции атомных токов.

Определим вектор напряженности магнитного поля Н(х,у,z) в любой точке пространства как

                                                  ,                                    (5.3)

здесь m₀ - магнитная постоянная.

Опыт показывает, что для не очень больших полей намагниченность пропорциональна магнитному полю. Традиционно намагниченность М_m связывают не с В, а с Н.

                                                   .                                        (5.4)

Формула (5.4) является определением величины c - магнитной восприимчивости вещества. Отметим, что c < 0 для диамагнетиков и c > 0 для парамагнетиков c и m связаны друг с другом простым соотношением

                                                    .                                         (5.5)

Учитывая (5.4) и (5.5), соотношение (5.3) можно записать в следующем виде

                                                                            (5.6)

Заметим, что определенный в (5.6) вектор H относится к свободному току в проводах так же, как вектор B относится к полному току - свободному и магнитному (атомному). Несомненно, фундаментальной величиной, характеризующей магнитное поле, является вектор B, и именно его следовало бы назвать напряженностью магнитного поля (по аналогии, с напряженностью электрического поля). Однако в силу исторических причин B называется индукцией магнитного поля, а H - напряженностью. Поскольку в магнитных системах легко контролировать именно токи в проводниках - свободные токи, вспомогательный вектор H широко используется.

Основными свойствами ферромагнетиков являются:

1) Большие проницаемости m, достигающей значения 10³.. 10⁴;

2) Сложная нелинейная зависимость между М_m и Н (рис.5.1). По мере увеличения напряженности намагниченность сначала растет, а затем становиться постоянной М_m = M_ms (насыщение). Заметим, что поскольку непосредственно М_m измерить сложно, на практике измеряют не намагниченность. а связную с ней величину В (см. (5.3)): В = m₀(М_m + Н). Зависимость В = f (H) изображена на рис.5.2. Кривая ОА называется основной кривой намагничивания.

3) Для ферромагнетиков зависимость В от Н не только нелинейна, но и неоднозначна: В зависит ещё и от истории его намагничивания. Явление называется магнитным гистерезисом (изменение В отстаёт от изменения Н). Из рис. 5.2 видно, что если после намагничивания ферромагнетика его попытаться размагнитить, то зависимость В = f (Н) пойдет не по кривой А –О, а по кривой А - С -D. Отрезок О - С характеризует остаточную намагниченность образца В_r. Для того чтобы размагнитить образец магнитное поле Н надо направить в противоположную сторону. Кривая пойдет по пути С - D. Точка D соответствует значению Н_с - коэрцитивной силе образца.

Это та напряженность обратного магнитного поля, которая размагничивает образец. Замкнутая кривая A - С - D - Е - F - А называется петлей гистерезиса. Если точка А соответствует насыщению образца, её называют предельной петлёй гистерезиса. Т – период изменения поля Н;

4) Благодаря гистерезису перемагничивание ферромагнетиков сопровождается выделением тепла, количество которого за один цикл перемагничивания определяется интегралом

,

который совпадает с площадью, охватываемой петлёй гистерезиса. Из этого соотношения и рис.5.2 видно, что чем больше остаточная намагниченность и коэрцитивная сила ферромагнетика, тем он сильнее нагревается. Так, например, у феррита эти величины малы, и он почти не нагревается, если же поместить внутрь соленоида стальной стержень, то уже через несколько секунд он станет теплым, а при длительном пребывании внутри соленоида даже горячим.

5) При повышении температуры до так называемой температуры Кюри ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние и становится слабым магнетиком.

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: