В НАМАГНИЧИВАЮЩИХСЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

Стр 1 из 4Следующая ⇒

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Юго-Западный государственный университет»

(ЮЗГУ)

Кафедра нанотехнологий и инженерной физики

ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

В НАМАГНИЧИВАЮЩИХСЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по дисциплинам «Нано- и микродисперсные магнитные системы»,

«Физико-химические основы микро- и нанотехнологий» и

«Организация и планирование научно-исследовательской работы»

для студентов направлений подготовки 28.03.01 и 222900.68

Курск 2015

УДК 534.2

Составители: П.А. Ряполов, А.Е. Кузько, А.М. Стороженко,

В.М. Полунин

Рецензент

Доктор физико-математических наук, профессор А.П.Кузьменко

Измерение магнитного поля в намагничивающихся дисперсных системах: методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплинам «Нано- и микродисперсные магнитные системы», «Физико-химические основы микро- и нанотехнологий» и «Организация и планирование научно-исследовательской работы» / Юго-Зап. гос. ун-т; сост.: П.А. Ряполов, А.Е. Кузько, А.М. Стороженко, В.М. Полунин. Курск, 2015. 21 с.: ил. 5. Библиогр.: с.21.

Излагаются методические рекомендации по выполнению лабораторной работы, в которой рассматриваются величины, характеризующие магнитное поле в вакууме и веществе и баллистический метод их измерения, описывается принцип работы теслометра Холловского типа, дается алгоритм работы с магнитометром и микровеберметром, предлагается методика измерения намагниченности магнитного коллоида. Содержатся краткие теоретические сведения, задание, контрольные вопросы и список литературы.

Методические указания соответствуют требованиям Федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования и учебных планов направлений подготовки 28.03.01 и 222900.68 Нанотехнологии и микросистемная техника, степень (квалификация) – бакалавр и магистр. Предназначены для студентов всех форм обучения. Материал также будет полезен студентам всех других направлений подготовки, изучающим дисциплины нанотехнологического цикла.

Текст печатается в авторской редакции

Подписано в печать Формат 60 х 84 1/16.

Усл. печ. л. 1, 22. Уч.- изд. л. 1, 1. Тираж 50 экз. Заказ Бесплатно.

Юго-Западный государственный университет.

305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

Лабораторная работа №5

Измерение магнитного поля

В намагничивающихся дисперсных системах

Цель работы: ознакомление с физическими основами и методикой измерений магнитных полей в вакууме – в межполюсном пространстве, а также в намагничивающихся дисперсных системах.

Приборы и принадлежности: баллистический гальванометр, микровеберметр, магнитометр АТЕ-8702, лабораторный электромагнит ФЛ-1, плоские и кольцевые постоянные магниты, образцы твердых и жидких ферромагнетиков.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Баллистический метод измерения магнитных величин

Баллистический гальванометр

Баллистический гальванометр относится к приборам магнитоэлектрической системы. В зеркальном гальванометре (рисунок 3) подвижная рамка 4 подвешивается в магнитном поле постоянного магнита на тонкой упругой ленточке-подвесе 1 толщиной в несколько микрометров. Для усиления магнитного поля, в котором находится рамка, в нее помещают железный цилиндрический сердечник 5. Ток к рамке подводится через подвес 1 и тонкую металлическую нить 6, оттягивающую снизу подвижную систему. К подвесу вблизи рамки крепится легкое зеркало 2. Луч света, идущий от осветителя, падает на зеркало и, отражаясь, попадает на шкалу с делениями. Чем дальше шкала от прибора, тем больше его чувствительность к току, поэтому цена деления шкалы зеркальных гальванометров указывается обычно для определенного расстояния зеркала от шкалы, например 2× 10^{‑ 9} А/мм. Это справедливо, если шкала имеет миллиметровые деления и находится от гальванометра на расстоянии 1 м.

Рассмотрим соотношение, связывающее угол поворота рамки j с величиной смещения светового штриха по шкале n и расстоянием от шкалы до зеркала l. Луч света от источника 1 падает на зеркало гальванометра 2. При повороте зеркала на угол j отклонение луча от нулевого положения равно 2j. Если световой штрих отклонится по шкале на n делений, а расстояние от зеркала до шкалы l (в метрах), то

При небольших отклонениях рамки (до 4°) tg 2j ≈ 2j и .

Для измерения количества электричества, протекающего через гальванометр при кратковременных одиночных импульсах тока длительностью t, должно выполняться условие t < < Т₀, где Т₀ — период собственных колебаний подвижной части гальванометра. Для выполнения этого условия увеличивают момент инерции подвижной части, утяжеляя ее (массивный диск 3 на рисунке 3). Такие гальванометры называются баллистическими.

Установим связь между углом отклонения рамки и количеством электричества, которое протекает через гальванометр. Можно записать следующее выражение для импульса момента силы, действующей на рамку при прохождении тока:

Mdt = aidt, (16)

где i — мгновенное значение силы тока; a — коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции прибора.

Если t — время прохождения тока по рамке, то, интегрируя (16), получим

. (17)

Зная момент импульса , можно определить угловую скорость w_t, которую приобретает рамка к моменту времени t:

. (18)

В опыте определяется не угловая скорость вращения, а угол поворота рамки. Найдем связь между этими величинами. Когда рамка доходит до первого максимального отклонения, ее кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию подвеса рамки, закрученного на угол j_t. В этот момент имеем равенство

, (19)

где D – коэффициент упругости подвеса.

Из (18) и (19) находим

. (20)

Таким образом, количество электричества, проходящего через гальванометр, пропорционально углу первого (максимального) отклонения, так называемого баллистического отброса рамки. Величина b — баллистическая постоянная данного гальванометра, определяется опытным путем.

Теслометр Холловского типа

Магнитометра АТЕ-8702

Магнитометр АТЕ-8702 предназначен для измерения параметров магнитных полей в промышленности, материаловедении, электротехнике, а также в лабораторных исследованиях. Прибор позволяет проводить измерения постоянных и переменных магнитных полей.

АТЕ-8702 имеет возможность проводить измерения постоянных и переменных (частота 50..60 Гц) магнитных полей.

Диапазоны измерений:

- переменное поле (AC): от 0 до 1500 мТл;

- постоянное поле (DC): от 0 до 3000 мТл.

Внешний вид прибора представлен на рисунке 5.

Процесс измерения магнитного поля производится по следующему алгоритму.

1. Включите прибор кнопкой включения POWER.

2. После самотестирования прибора (около 2-х секунд) на дисплее прибора загорятся цифровые значения и индикаторы режимов.

3. Последовательным нажатием кнопки MODE AC/DC выберите режим измерения по постоянному или переменному току, а также разрешение при измерении.

4. Для смены единиц измерения необходимо перейти в расширенное меню установок. Для этого нажмите и удержите в течение 2-х секунд кнопку MODE AC/DC. Далее последовательным нажатием кнопки MODE AC/DC добейтесь, чтобы на нижнем индикаторе отобразились символы «UNIT». Однократно нажмите кнопку REC и на верхнем индикаторе появятся: символ «t» если установлена единица измерения «миллитесла»; символ «G» если установлена единица измерения «гаусс». Смена единицы измерения производится нажатием кнопки MODE AC/DC. Подтвердите выбор нажатием кнопки REC. Подождите около 3-х секунд (не нажимая кнопки) и прибор вернется в режим измерения.

5. Снимите с сенсорной головки датчика защитный колпачок. Коснитесь тестируемого материала сенсорной головкой. Зонд следует устанавливать таким образом, чтобы плоскость холловского датчика была перпендикулярна индукции магнитного поля. Измеренные данные отображаются на индикаторах: на верхнем индикаторе - старшие разряды измеренного значения, а на нижнем - младший разряд.

6. После завершения измерений выключите прибор.

Примечание. Если при включении прибора значения на дисплее отличаются от нулевого, то необходимо выполнить установку нуля. До начала проведения измерений зафиксируйте головку сенсора в нужной для измерения позиции и нажмите кнопку ZERO. Удержите ее нажатой около 2-х секунд и на индикаторе дисплея установится нулевое значение. Отпустите кнопку ZERO и прибор перейдет в режим измерения.

Микровеберметр Ф199

По принципу действия микровеберметр представляет собой усилитель постоянного тока, охваченный цепью отрицательной обратной связи, благодаря чему осуществляется интегрирование входного сигнала, т.е. измерение электрического заряда, протекающего по цепи флюксметра.

Порядок работы с микровеберметром

Работая с микровеберметром, соблюдайте указания мер безопасности. Если не известна величина входного сигнала, начинайте измерения с наиболее грубых диапазонов, переходя последовательно на более чувствительные, до тех пор, пока величина измеряемого сигнала будет составлять не менее 30% от конечного значения диапазона.

Для измерения входного сигнала выполните следующие операции:

• подсоедините концы входного соединительного шнура к измеряемой цепи;

• установите требуемый диапазон измерения;

• проверьте совпадение риски светового указателя с нулевой отметкой шкалы при включённой кнопке АРР;

• установив риску светового указателя на нулевую отметку при нажатой кнопке НУЛЬ и выключенной кнопке АРР (вращением ручек ГРУБО и ТОЧНО при включенной кнопке КОМПЕНСАЦИЯ);

• нажмите кнопку ИЗМЕРЕНИЕ, подайте входной сигнал и произведите отсчет;

• верните кнопку ИЗМЕРЕНИЕ в исходное положение, нажав кнопку НУЛЬ.

Не оставляйте кнопку ИЗМЕРЕНИЕ нажатой дольше, чем нужно для отсчета. Вследствие сползания, особенно на чувствительных диапазонах измерения, указатель уходит за пределы шкалы и возникают значительные перегрузки измерительного механизма отсчетного устройства.

С целью уменьшения погрешности, обусловленной сползанием указателя, время от момента нажатия кнопки ИЗМЕРЕНИЕ до момента отсчета должно быть минимальным, особенно на чувствительных диапазонах измерения.

В отдельных случаях целесообразно производить пробное измерение, добиваясь ручками ГРУБО и ТОЧНО уменьшения сползания указателя в отклоненном входным сигналом положении, при нажатой кнопке ИЗМЕРЕНИЕ.

Для отсчета произведите повторное измерение, не изменяя положение ручек ГРУБО и ТОЧНО.

Для удобства работы в условиях сильных помех, вызывающих повышенное сползание указателя, а также при измерениях в баллистическом режиме, рекомендуется использовать запоминающее устройство микровеберметра. При этом выполняйте операции в следующем порядке;

• нажмите кнопку НУЛЬ и установите указатель на нулевую отметку ручками ГРУБО, ТОЧНО;

• нажмите кнопку ИЗМЕРЕНИЕ и сразу же подайте входной сигнал;

• слегка нажав кнопку НУЛЬ, верните кнопку ИЗМЕРЕНИЕ в исходное положение так, чтобы кнопка НУЛЬ тоже осталась в исходном положении. При этом запоминающее устройство отключится от усилителя и зафиксирует сигнал, поступавший на него в момент отключения;

• произведите отсчет по шкале отсчетного устройства.

Сползание указателя, обусловленное собственно запоминающим устройством, очень мало и в нормальных условиях не превышает 0, 002%/с. Поэтому, при всех измерениях, где не требуется непрерывное интегрирование входного сигнала, целесообразно использовать запоминающее устройство. Помните, что сигнал с запоминающего устройства поступает только на отсчетное устройство (микроамперметр M1633), а на клеммах U, Т напряжение и ток равна нулю. При нажатии кнопок НУЛЬ или ИЗМЕРЕНИЕ происходит сброс показаний запоминающего устройства, а микровеберметр переходит в соответствующий режим работы.

Не оставляйте разомкнутой входную цепь микровеберметра, так как это вызовет быстрый уход указателя за пределы шкалы и перегрузку измерительного механизма отсчетного устройства.

Отключение микровеберметра:

• выключите СЕТЬ;

• включите кнопку АРР;

• выключите кнопку КОМПЕНСАЦИЯ;

• кнопку НУЛЬ оставьте нажатой;

• отсоедините последовательно входной соединительный шнур, сетевой соединительный шнур от сети питания и от микровеберметра, провод заземления от корпуса.

После проведения указанных операций микровеберметр отключен полностью. При кратковременных перерывах достаточно провести три первых операции.

ЗАДАНИЕ

1. При помощи магнитометра АТЕ-8702 произвести измерения магнитной индукции в различных точках постоянного магнита по лицевой и торцовой поверхностям:

1.1. Магнит кольцевой формы (3-4 образца различных размеров).

1.2. Магнитные пластинки.

1.3. В межполюсном пространстве и вдоль центральной вертикали U-образного постоянного магнита на вращающейся основе.

1.4. В межполюсном пространстве лабораторного электромагнита ФЛ-1 (измеряется остаточная намагниченность при отсутствии тока в катушках электромагнита).

2. Произвести перерасчет полученных результатов по величине магнитной индукции в значения напряженности магнитного поля.

3. При помощи кюветы с нанодисперсной магнитной жидкостью произвести визуальное изучение магнитного поля в окрестности перечисленных образцов и сопоставить полученное наглядное представление с результатами измерений.

4. Подготовить рабочее место (стенд) в лаборатории Г-614 для измерений на микровеберметре Ф–199 (разместить катетометр на столе, выставить столик для размещения постоянного магнита, подставку (держатель) для катушки индуктивности, предусмотреть возможность размещения лазерного определителя оси кольцевого магнита (нормали к поверхности плоского магнита или диска, таблетки)).

4.1. Рассчитать параметры катушки индуктивности для подключения к микровеберметру Ф-199. Исходные данные: измеряемое поле ≥ 1 кА/м; диаметр трубки-держателя ~ 10 мм, длина ~5 см. Зафиксировать намотку лаком (скотчем), припаять соединительные проводники и механически надежно соединить их с трубкой.

4.2. Решить обратную задачу: определив параметры катушки индуктивности и приблизительное значение напряженности поля, выбрать оптимальный диапазон измерений на микровеберметре Ф–199.

4.3. Методом «выдергивания» ИМП из заданной точки магнитного поля получить распределение индукции (напряженности) магнитного поля по поверхности магнита (самостоятельно вывести расчетную формулу и рассчитать индукцию по полученным значениям изменяющегося магнитного потока и геометрии намотки).

4.4. Изучить топографию магнитного поля на поверхности магнитной пластинки, снабженной миллиметровой сеткой.

5. Произвести экспериментальную оценку критического значения напряженности нормальной составляющей магнитного поля, при котором возникают «пики» на поверхности магнитной жидкости, заполняющей кювету.

6. Произвести измерение намагниченности 2-х образцов магнитной жидкости путем выдергивания ампулы с исследуемым образцом из межполюсного пространства ФЛ-1 (при отсутствии тока в катушках электромагнита в межполюсном пространстве электромагнита сохраняется остаточная напряженность).

6.1. Продумать и изложить последовательность действий.

6.2. Рассчитать и изготовить применительно к данному случаю ИМП.

6.3. Самостоятельно вывести формулу для расчета намагниченности с учетом размагничивающего поля в образце.

6.4. Рассчитать напряженность магнитного поля.

6.5. Рассчитать намагниченность исследованных образцов МЖ.

7. Результаты занести в самостоятельно разработанную таблицу и дать к ним физический комментарий.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие величины характеризуют магнитное поле в вакууме и веществе? В каких единицах они измеряются?

2. Что представляет собой магнитная восприимчивость? Как она изменяется в процессе намагничивания вещества?

3. С чем связано возникновение размагничивающих полей? Каким образом вычисляется результирующее магнитное поле в образце?

4. Поясните принцип действия баллистического гальванометра.

5. В чем заключается баллистический метод измерения магнитного поля?

6. С какими физическими явлениями связано возникновение эффекта Холла? Как этот эффект применяется на практике?

7. Изложите последовательность действий при работе с магнитометром и микровеберметром.

8. Почему нанодисперсная магнитная жидкость может быть использована для визуального изучения магнитного поля?

9. Каким образом может быть измерена намагниченность магнитной жидкости?

ПРИМЕЧАНИЕ: для соблюдения условий безопасности и сохранности экспериментального оборудования включение и выключение источников питания, измерительных приборов и устройств производить только в присутствии ведущего преподавателя или учебного мастера!

ЛИТЕРАТУРА

1. Полунин В.М. Акустические свойства нанодисперсных магнитных жидкостей. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. – 384 с.

2. Чечерников В.И. Магнитные измерения. - М.: МГУ, 1969. 387с.