Муниципальное общеобразовательное учреждение

Лицей №15

Восстановление школьных постоянных магнитов в условиях школьного кабинета физики

г. Саратов

2017 г.

Оглавление

Введение        3

Эксперимент        3

Определение модуля индукции магнитного поля………………………………3

Попытка намагничивания без магнитопровода…………………...…………….4

Эксперимент с использованием сердечника ………………...……………….…5

Модель и теоретическая оценка результатов эксперимента        7

Заключение        8

Список используемой литературы:        9

Введение

Цель данной работы исследовать процессы, происходящие при намагничивании, а также найти наиболее эффективный способ намагничивания ферромагнетиков, используя постоянное магнитное поле.

Работа связана с тем, что на уроках физики часто демонстрируются опыты с использованием постоянных магнитов. Однако за годы использования школьные магниты размагничиваются и становятся непригодными для эффективной демонстрации физических явлений. Мы поставили перед собой задачу повышения намагниченности ферромагнетика на рассматриваемой установке, собранной из элементов школьной физической лаборатории.

Для этого мы поставили следующие цели:

1. Собрать рабочий макет и провести эксперимент с использованием разных катушек, а также с различными параметрами тока;
2. теоретически обосновать происходящие явления;
3. выявить от каких параметров зависит скорость намагничивания и индукция, которой обладает объект после намагничивания;
4. провести оценку нашей теоретической модели т.е. получить оценочный результат при данных параметрах катушки, и параметрах тока;
5. сравнить теоретические и экспериментальные данные.

Определение модуля индукции магнитного поля

      В дальнейшем нам потребуется многократно измерять индукцию магнитного поля без специального оборудования. Для этого мы собрали измерительную установку из имеющегося в лаборатории оборудовании и разработали алгоритм проведения измерений, который мы использовали.

Цель опыта: измерить модуль индукции магнитного поля в определённой точке пространства.

Оборудование: Источник постоянного тока . Штатив, на котором крепится проволочная рамка высотой , и шириной , источник магнитного поля, индукцию которого необходимо измерить.

Мы воспользуемся блоком питания, который подключён к подвешенным с помощью штатива тонким проволочкам (20см) к отрезку медной проволоки (m=1 г).

Кратковременно включая постоянный ток через проволоку, мы подносим снизу магнит на расстояние   5мм и сопровождаем его с отклоняющейся проволокой до уравновешения в отклонённом положении, которое измеряется величиной отклонения H.

;;

Таким образом, мы можем определить магнитную индукцию B из опыта статического равновесия.

Значение x=5мм выбрано так как на этом расстоянии проще всего измерить отклонение проводника, то есть погрешность, связанная с человеческим фактором максимально уменьшается.

Попытка намагничивания без магнитопровода

В литературе мы нашли различные способы намагничивания магнитов, использующие те или иные схемы. Среди них наиболее подходящим оказался способ с использованием катушки демонстрационного набора школьного трансформатора.  Похожие катушки имеются в нашей лаборатории, однако у нас возник вопрос о целесообразности использования магнитопровода, так как намагничиваемый ферромагнетик сам может быть использован в качестве сердечника катушки. Результаты этих опытов представлены ниже. Здесь приняты следующие обозначения:

 I – питающий катушку ток; n – линейная плотность намотки провода;             t – время намагничивания 180минут.

Здесь величина магнитной индукции может измеряться непосредственно по приведённому выше алгоритму, а может оцениваться теоретически по приближенной классической  формуле, справедливой для соленоида (бесконечной длины)

, здесь μ0 = 4π∙10-7 

Здесь все величины в единицах SI

 Как видно такое намагничивание оказалось неэффективным в сравнении с намагничиванием с использованием магнитопровода.

       Объяснение неэффективности подобного намагничивания мы видим в то, что сечение восстанавливаемого магнита занимает небольшую долю внутреннего сечения катушки и значительная доля магнитного потока, создаваемого катушкой, не проходит через сечение магнита. В результате от дальнейших опытов без магнитопровода было решено отказаться.  

Эксперимент с использованием сердечника

Цель опыта: Исследовать зависимость скорости намагничивания магнита от различных параметров катушки, тока и самого магнита.

Оборудование: Две катушки, магнитопровод, блок питания, магниты.

Для большей наглядности в таблице результатов указан только один параметр катушки – количество витков на единицу длины, так как индукция магнитного поля электромагнита зависит прямо пропорционально от количества витков и обратно пропорционально от длины катушки.

Были использованы две катушки разной длины:

1. 946 витков, 8 см – количество витков на единицу длины n=11825;
2. 2400 витков, 9 см – количество витков на единицу длины n=26666;

Результаты:

Первые два опыта говорят о том, что эффективность намагничивания зависит только от индукции внешнего магнитного поля, которая в свою очередь прямо пропорционально току в катушке и количеству витков на единицу длины. То есть для намагничивания выгоднее использовать катушку с большим количеством витков на единицу длины.

Об это же свидетельствуют последующие девять опытов: из таблицы видно, что при использовании катушки с большим количеством витков на единицу длины, несмотря на меньший ток через неё, намагничивание происходит быстрее, чем на катушке с меньшим количеством витков на единицу длины.

Модель и теоретическая оценка результатов эксперимента

Рассматриваемая установка работает по следующему принципу: при протекании тока по обмотке внутри катушки создаётся магнитное поле, порождающее в магнитопроводе и объекте, закреплённом на магнитопроводе, вихревые токи (токи Фуко) которые создают магнитное поле в испытуемом объекте, которое переориентирует магнитные моменты его молекул (атомов), то есть намагничивает его.

Намагничивание происходит в три этапа:

1. Смещение границ между магнитными доменами.
2. Вращение вектора намагниченности.
3. Парапроцесс.

В начальный момент времени в размагниченном состоянии ферромагнетик разбит на отдельные области – домены, в пределах которых материал намагничен до насыщения, то есть магнитные моменты отдельных атомов параллельны и направлены вдоль одной из осей лёгкого намагничивания, направление этой оси зависит от кристаллической решётки материала и некоторых других факторов.  Ввиду различной ориентации намагниченности в доменах суммарный магнитный момент образца равен нулю. Под влиянием внешнего магнитного поля происходит рост областей, в которых вектор намагниченности составляет наименьшие углы с направлением поля, за счёт соседних областей. Этот рост осуществляется в результате смещения границ доменов. После завершения этого процесса каждый кристалл становится единым доменом, вектор намагниченности которого направлен вдоль ближайшей к направлению магнитного поля оси лёгкого намагничивания.

Затем начинается процесс вращения векторов намагниченности от осей лёгкого намагничивания к направлению внешнего магнитного поля. По завершению этого процесса ферромагнетик достигает магнитного насыщения.

Дальнейшее увеличение намагниченности может происходить только за счёт парапроцесса - увеличения самой намагниченности насыщения вследствие подавления магнитным полем тепловых колебаний элементарных магнитных моментов вещества.

Как видим, немалую роль играет и время намагничивания, необходимое для более полной перестройки большего числа доменов в намагничиваемом образце. В наших образцах дальнейшее продолжение эксперимента, свыше приведенного, не приводило к заметному эффекту.

Заключение

        В процессе написания работы была исследована установка по намагничиванию ферромагнетиков, выявлен принцип её работы, а также проведены опыты по намагничиванию. При этом было установлено, что скорость намагничивания зависит от тока в катушке, количества витков в катушке и длины катушки.

Также была доказана необходимость использования магнитопровода для намагничивания, так как попытки намагничивания без него оказались неудачными.

Главным выводом для результатов проведенных опытов является то, что вполне можно повысить намагниченность магнитов, используя то несложное оборудование, которое имеется практически в любой лаборатории.  В нашем случае намагниченность старых магнитов нам удалось повысить более, чем в полтора раза. В то же время, мы не можем утверждать, что при повышении тока или времени, например, в два раза, намагниченность так же повысится в два раза. Необходимо учесть существование эффекта нелинейного (не прямо пропорционального) увеличения магнитного поля внутри образца во время процесса намагничивания, а также нелинейной зависимости остаточной намагниченности после прекращения опыта (отключения тока катушки). Этот процесс называется эффектом гистерезиса при намагничивании ферромагнетиков. Его нам изучить не удалось из-за недостатка оборудования, в частности, отсутствия осциллографа, обеспечивающего наглядность такого процесса при изучении.

Однако в любом случае нашу цель мы считаем достигнутой – магниты можно восстанавливать – практически до тех значений, которые имеют новые школьные магниты, поставляемые сейчас в большинство школ.

Список используемой литературы

1. Журнал «Физика» №18. 1999г. Москва
2. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. Ч.1,2. В.А. Буров, Б.С. Зворыкин, А.П. Кузьмин. Изд. 3., перераб. –М.: Просвящение, 1979
3. Электромагнетизм. А.А.Князев, Н.Б.Ковылов. СГУ. Саратов. 2006