Порядок виконання роботи

1. Зібрати (перевірити) електричні схеми згідно рисунку 5.

2. Перевірити відсутність струму в колі соленоїда. Якщо він є, реостатом зменшити до нуля.

Рисунок 5

3. Встановити на міліамперметрі анодний струм, відповідний анодній напрузі, що використовується при розрахунку ((,і ) вказані на лабораторному стенді).

4. Збільшуючи струм в колі соленоїда (граничне значення вказано на лабораторному стенді), зняти залежність анодного струму від струму соленоїда. Результати вимірювань занести в таблицю 1.

Таблиця 1 – Запис результатів вимірювання

, А
, мА

5. Побудувати графік залежності анодного струму від струму соленоїда (дивись рис.4).

6. По графіку визначити значення критичного струму I_кр.

7. По формулі (8) обчислити питомий заряд електрона.

У висновку порівняти одержаний результат з табличним, для визначення якого можна використовувати чисельні значення е і т, які приведені в роботі.

Контрольні питання

1. Що таке питомий заряд електрона?

2. Пояснити вираз (3).

3. Чому ані сила Лоренца, ані сила, що діє на електрон з боку електричного поля, не мають складових по осі Z (рис.2)? Пояснити напрям дії цих сил.

4. Чому дорівнює робота при переміщенні електрона від катода до анода? Чи постійна її величина?

5. Пояснити напрям векторів і на рисунку 1.

6. Чому сила Лоренца не виконує роботи?

7. В чому полягає метод магнетрона, що використовується для визначення питомого заряду електрона?

8. Від чого залежить вид траєкторії руху електрона в міжелектродному просторі?

9. Виведіть формулу для радіусу кривизни траєкторії електрона, що рухається в однорідному магнітному полі.

Лабораторна робота № 110 Визначення точки Кюрі феромагнетика

Мета роботи - вивчення впливу температури на магнітні властивості феромагнетиків, експериментальне визначення температури Кюрі.

Прилади і обладнання: феромагнітний зразок, електрична піч, термопара, мілівольтметр, мікроамперметр, трансформатор.

Теорія методу і опис установки

Тіла, що здатні намагнічуватися, тобто одержувати магнітні моменти під дією зовнішнього магнітного поля називаються магнетиками. Існує три види магнетиків: діамагнетики, парамагнетики і феромагнетики.

Згідно гіпотезі Ампера в будь-якому тілі існують мікроскопічні струми, обумовлені рухом електронів в атомах і молекулах. Ці струми створюють в ньому магнітне поле - поле мікрострумів.

Магнітне поле може бути створено макрострумом, наприклад провідником із струмом. У вакуумі величину цього поля, характеризує вектор напруженості

, (1)

де – магнітна стала.

Індукція магнітного поля в магнетику, який розміщений в зовнішньому макрополі, дорівнює векторному додатку магнітних індукцій зовнішнього макрополя і поля мікрострумів :

(2)

Речовини, в яких співпадає за напрямком з називаються парамагнетиками (гази, платина). Магнітне поле усередині них трохи посилюється, та результуюче поле (2):

Речовини, для яких і протилежні за напрямком, називаються діамагнетиками (вісмут, сурма, графить, цинк, талій, золото). Магнітне поле усередині них ослабляється, тобто результуюче поле (2) в діамагнетику виявляється дещо слабкіше за зовнішнє:

Для діа- та парамагнетиків величина пропорційна :

(3)

де – відносна магнітна проникність речовини, яка показує, в скільки разів магнітне поле макрострумів посилюється за рахунок поля мікрострумів середовища ().

Для діамагнетиків < 1, для парамагнетиків > 1. В обох випадкахне залежить від величини напруженості зовнішнього магнітного поля і майже дорівнює 1. Залежність для них визначається формулою (3).

У феромагнетиків (залізо, сталь, нікель) внутрішнє поле , яке з'являється при внесенні їх в зовнішнє поле, у багато разів більше зовнішнього магнітного поля, що його викликає, тобто >>.Для феромагнетиків >>1 і залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля. Залежність для феромагнетиків (магнітний гістерезис) представлена на рисунку 3. Зважаючи на складність цієї залежності вводиться поняття диференційної магнітної проникності.

.

Це пояснюється існуванням в феромагнетиках доменів - областей (мм) спонтанного (мимовільного) намагнічування (рис.4). Ці домени намагнічені навіть при відсутності зовнішнього магнітного поля. При внесенні феромагнетика в зовнішнє магнітне поле починають повертатися та орієнтуватися по полю домени.

Рисунок 3 - Петля гістерезису

Крива залежності індукції магнітного поля феромагнетика від напруженості зовнішнього магнітного поля при циклічному перемагнічуванні феромагнетика називається петлею гістерезису. Вона приведена на рисунку 3.

Тут ОА - основна крива намагничення феромагнетику.Величина індукції магнітного поля, яка дорівнює В_нас, відповідає магнітному насиченню, тобто орієнтації магнітних моментів всіх доменів уздовж зовнішнього поля. Якщо почати зменшувати напруженість намагнічуючого поля, то величина індукції зменшуватиметься по кривій AD, тобто з деяким відставанням.

Це відставання зміни індукції магнітного поля від зміни напруженості зовнішнього магнітного поля називається магнітним гістерезисом. Пояснення магнітного гістерезису наступне. При накладенні зовнішнього поля магнітні моменти доменів орієнтуються уздовж нього. При припиненні дії зовнішнього поля, при його зменшенні або зміні напряму не всі домени дезорієнтуються, оскільки змінити орієнтування групи молекул або атомів набагато важче, ніж орієнтування окремої молекули або атома.

Магнітний гістерезис призводить до того, що при знятті зовнішнього поля (Н = 0) феромагнетик залишається намагніченим. Величина індукції, що дорівнює OD, називається залишковою індукцією В_зал.

Повне розмагнічування феромагнетику наступає у випадку, якщо створити негативну напруженість, яка дорівнює відрізку ОК. Величина цього поля називається коерцитивною силою H_к. Подальше збільшення Н в негативну сторону викликає у феромагнетику індукцію зворотного напрямку, причому її зростання по модулю в цьому випадку йтиме по кривій КА'. Зменшуючи потім Н до нуля, одержимо індукцію, рівну OD', яка називається негативною залишковою індукцією. Знову змінивши напрям зовнішнього поля, одержимо величину Н = ОК'. Це значення Н визначає величину коерцитивної сили, необхідної для зняття негативної залишкової індукції OD'. При подальшому збільшенні зовнішнього поля крива від крапки К' піде вгору і замкнеться в крапці А.

При нагріванні феромагнетика навіть за наявності зовнішнього магнітного поля порядок в розташуванні магнітних моментів атомів за рахунок теплової дії порушується, домени розпадаються, і феромагнетик перетворюється в парамагнетик. Температура, вище за яку феромагнітне тіло стає парамагнетиком, називається точкою Кюрі. Температура Кюрі деяких сплавів вельми низька, причому значно нижче за точку Кюрі окремих компонентів, що входять в цей сплав. Наприклад, точка Кюрі у сплаву 30% Ni і 70% Fe всього лише 80 - 85° С.

Для вивчення залежності магнітних властивостей феромагнетика від температури і визначення точки Кюрі в даній роботі використовується установка, схема якої представлена на рисунку 5.

Рисунок 5 – Схема експериментальної установки

Досліджуваний феромагнітний зразок 1 знаходиться усередині котушки, яка має дві обмотки. Первинна внутрішня обмотка 2 - нагрівальна. По ній пропускається змінний струм, напруга якого ~U встановлюється спочатку експерименту і надалі не змінюється. Вторинна обмотка 3 відокремлена від первинної шаром теплоізоляції і сполучена через випрямляючий діод 4 з мікроамперметром 5. Температура зразка контролюється термопарою 6, термо ЕРС якої фіксується мілівольтметром 7.

При пропусканні через нагрівальну спіраль котушки змінного струму феромагнітний сердечник нагрівається. З іншого боку, той же струм створює змінне магнітне поле, потік якого через сердечник і вторинну обмотку котушки

, (8)

де S — площа, охоплювана витками вторинної обмотки.

В останній виникає ЕРС взаємної індукції і, отже, індукційний струм, величина якого вимірюється мікроамперметром.

Згідно закону Фарадея-Максвела: ЕРС електромагнітної індукції пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через площу, що обмежена контуром і залежить від магнітної проникності досліджуваного зразка (сердечника)

(9)

Досягши точки (температури) Кюрі, магнітна проникність зразка зменшується приблизно до одиниці - він стає парамагнетиком. Внаслідок цього різко падає ЕРС взаємної індукції (9) і індукційний струм у вторинній обмотці.