Лабораторная работа № 11 Измерение магнитной проницаемости

Цель работы: познакомиться с индукционным и индукционным дифференциальным методами измерения магнитной проницаемости.

Приборы и принадлежности: ЛКЭ-1,2,6 (генератор сигналов функциональный ГСФ-2, осциллограф-мультиметр С1-112А, блок «Поле в веществе», набор образцов, провода соединительные.)

Краткие теоретические сведения

Как показывает опыт, в слабых магнитных полях намагниченность магнетиков прямо пропорциональна напряжённости поля, вызывающего намагничение, т.е.

,

где   безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью вещества.

Для диамагнетиков  отрицательна (поле молекулярных токов противоположно внешнему), для парамагнетиков – положительна (поле молекулярных токов совпадает с внешним).

Безразмерная величина

,

представляет собой магнитную проницаемость вещества.

Так как, абсолютное значение магнитной восприимчивости для диа- и парамагнетиков очень мало (порядка 10^-4 – 10^-6), то для них  незначительно отличается от единицы. Это просто понять, так как магнитное поле молекулярных токов значительно слабее намагничивающего поля. Таким образом, для диамагнетиков  < 0 и  < 1, для парамагнетиков  > 0 и  > 1.

Подробно теоретический материал по магнитной проницаемости и магнитной восприимчивости можно найти в лабораторной работе «Исследование кривых гистерезиса ферромагнетиков с помощью осциллографа».

Индукционный метод

На схеме рис.11.1 L1 – соленоид модуля «Поле в веществе», L2 – датчик Д1.

При протекании через обмотку соленоида длиной l = 160 мм с числом витков N = 1687 тока I₁, соленоид создаёт магнитное поле напряжённостью

.

В отсутствие образца размах напряжения на датчике

,

где N₀ = 1000 – число витков датчика, S₀ = 110 мм² – площадь витка датчика.

Если в соленоид вставить образец в форме длинного стержня, то, при неизменном токе соленоида, магнитный поток в датчике изменится на величину

,

где S – площадь поперечного сечения стержня, J – намагниченность образца. При этом размах напряжения U₂ на датчике изменится на величину

.

Измерив значения U₂ с образцом и U₂₀ без образца, находим магнитную восприимчивость и магнитную проницаемость образца

(11.1)

(11.2)

Индукционный дифференциальный метод

Если магнитная восприимчивость образца мала, изменение сигнала (U₂ – U₂₀) почти не заметно на фоне большого исходного сигнала U₂₀. В этом случае можно скомпенсировать исходный сигнал U₂₀ так, чтобы на выходе датчиков осталось лишь напряжение (U₂ – U₂₀). Для этого датчики Д2 и Д3 включаются последовательно, причём полярность включения подбирается так, чтобы исходные напряжения датчиков взаимно компенсировались (рис.11.2). В отсутствие образца напряжение на выходе системы из двух датчиков оказывается на 2–3 порядка меньше напряжения на каждом датчике, и на его фоне легче заметить и измерить (U₂ – U₂₀). Для уменьшения шума в схеме используется конденсатор C = 100 нФ (рис.11.2).

Порядок выполнения работы

1. Изучить электрическую схему (рис.11.1) и при помощи соединительных проводов собрать её, используя блок «Поле в веществе».

2. Подготовить генератор ГСФ-2 к работе:

1. Использовать генератор в режиме усиления (гнёзда «вых» и «общ»).

1. Тумблер «ген / внеш» в положение «ген».

2. Тумблер «20В/1А» в положение «1А».

3. Тумблер «~/0/=» в положение «~».

1. Подготовить осциллограф – мультиметр к работе:

1. Переключателем «оscilloscope/multimeter» переведите прибор в режим осциллографа.

2. Кнопка « » в положении «отжата».

3. Кнопка «TV/NORM» в положении «NORM».

Измерения напряжения производятся с помощью осциллографа, измеряя размахи напряжений, используя специальный провод для осциллографа.

4. Представьте собранную схему и подготовленные приборы на проверку преподавателю.

5. Включите генератор ГСФ–2 и осциллограф–мультиметр в сеть 220 В и приведите их в рабочее состояние кнопками «Сеть» и «MAINS» соответственно.

6. Установить на генераторе частоту порядка 200500 Гц, используя «множитель» частоты.

7. Установить напряжение на соленоиде L равным U₁=120мВ, используя ручку «Амплитуда».

8. Снять напряжение U₂₀ , без образцов в соленоиде и записать в таблицу 11.1.

9. Разместить в соленоиде ферромагнитный образец и проверить напряжение U₁, оно должно быть неизменным. Если оно отличается от измеренного ранее, то ручкой «Амплитуда» довести его до первоначального значения.

10. После этой проверки измерить U₂ и записать в таблицу результатов.

11. Снять напряжение U₁, записав в таблицу результатов и провести аналогичные измерения для стальной спицы (пп. 8-10).

12. Для измерения малых значений магнитной восприимчивости замените в схеме рис.11.1 датчик Д1 на датчики Д2 и Д3 как показано на рис.11.2.

13. Снять напряжение U₁, записав в таблицу результатов и провести аналогичные измерения для магнитного порошка-тонера (пп.8-10), не забывая, что на выходе датчиков снимается напряжение U₂ = (U₂ – U₂₀).

14. По полученным результатам найти магнитную восприимчивость  и магнитную проницаемость , используя формулы (11.1) и (11.2).

15. Сделать вывод по полученным магнитным величинам для различных образцов.

Таблица 11.1

Измеряемая величина	индукционный метод		дифференциальный метод
	Ферритовый стержень	Стальная спица	Магнитный порошок - тонер
l0, мм
S, мм2
, Гц
U1,мВ
U20,мВ
U2,мВ



l₀ –длина образца