Настройка измерителя индуктивности

1. Включить в сеть измеритель индуктивности Е7-5а (или Е12-1). После прогрева прибора (1–2 мин) переключатель «Множитель L» переключить в положение «100», шкалы лимбов установить на «0».

2. Настроить индикатор биений. Для этого:

Закоротить отдельным проводником клеммы «L_Х» и общий провод – земля «З».

Ручку «Чувствительность индикатора» установить
в такое положение, чтобы стрелка индикатора биений отклонилась до значений 40-50 uA. Вращая ручку «начальная установка», добиться нулевых биений:

· для Е12-1 – колебание стрелки микроамперметра с частотой не более 1 Гц и по шкале около 10 uA.

Разомкнуть клеммы «L_Х» и общий провод «З»

Измерение индуктивностей

3. Подсоединить обмотку образца к клеммам «L_X» измерителя и индуктивности катушки с ферритом при комнатной температуре, вращая ручку, приводящую в движение лимб «отсчет L и С» до появления нулевых биений.

4. Произвести отсчеты L по лимбам (1 мкГн = 1 × 10^–6 Гн) и умножить результаты на 100. Полученные числа будут в соответствии с выражением (5.7) величинами индуктивностей. Произвести необходимые геометрические измерения для расчетов μ_H в соответствии с выражениями (5.3) и (5.4).

Снятие температурных зависимостей

5. Включить в сеть инфракрасную конвекционную печь и установить клавишами ▼ и ОК ускоренный режим работы. При этом образец будет нагреваться со средней скоростью 5 ºС в минуту.

6. Производить замеры индуктивностей через каждые 10º С до температуры 180 ºС. На участке 180–210 °С измерения производить через 5 ºС. При наличии звукового сигнала печи нажать клавишу ОК.

Примечание. Вблизи точки Кюри (180–210 °С) индуктивность изменяется очень быстро, а в точке Кюри и выше начинается резкий спад. Спад длится около одной минуты, за это время необходимо снять как можно большее количество точек.

Содержание отчета

1. Титульный лист.

2. Цель работы и краткая теория (1–2 с.).

3. Исходные данные и данные эксперимента.

4. Графики L = f(t °С) и μ_H (t °С) для исследуемых образцов.

5. Значение точки Кюри для феррита.

6. Расчет температурных коэффициентов магнитной проницаемости ТКμ для интервала температур t₁–t₂ ºC, заданного преподавателем.

7. График зависимости TKμ = f(t °С) для феррита.

Контрольные вопросы

1. Структура и маркировка ферритов. Применение ферритов.

2. Какие материалы относятся к ферритам?

3. Методы измерения магнитной проницаемости.

4. Что такое магнитный материал?

5. Дать определение ферромагнетикам, антиферромагнетикам, ферримагнетикам.

6. Понятие домена, доменной границы.

7. Определения точек Кюри, Нееля.

8. Отличие магнитомягкого материала от магнитотвёрдого.

9. В чем различие между ферро- и ферримагнетиками по свойствам
и применению?

10. Объяснить методику измерения индуктивности методом «нулевых биений».

11. Дать сравнительную оценку ферритов и магнитомягких сплавов
по параметрам.

Таблица П.5

Лабораторная работа № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

Цель работы:

1. Изучение контактных явлений и термоэлектродвижущей силы.

2. Исследование термопар.

Пояснения к работе

Контактные явления

При соприкосновении двух разнородных металлов между ними возникает разность потенциалов. Согласно квантовой теории основной причиной появления разности потенциалов на контакте является различная энергия Ферми у сопрягаемых металлов. Так как кинетическая энергия электронов, находящихся на уровне Ферми, в различных металлах различна, то при контактировании материалов возникает переход электронов из области с большим значением энергии в область, где эта энергия меньше, т. е. если энергия Ферми у металла А больше, чем у металла В, то из металла А электроны будут переходить в металл В. Фактически переход электронов из металла А в металл В означает переход электронов в данной системе на более низкие энергетические уровни. В результате этого металл А заряжается положительно, а металл В отрицательно, т. е. между ними возникает разность потенциалов, препятствующая дальнейшему переходу носителей заряда. И когда работа электрона по преодолению сил возникшего электрического поля станет равной разности энергии электронов уровней Ферми, наступит равновесие. Таким образом, внутренняя контактная разность потенциалов определяется разностью энергий Ферми для различных металлов. Так как скорости хаотического движения электронов весьма велики, равновесие установится очень быстро – за время τ = 10^–10 с. Очевидно, что в условиях равновесия уровень Ферми в обоих металлах будет одинаковым. Так как энергия Ферми в металлах имеет значение порядка нескольких электронвольт, то контактная разность потенциалов между двумя металлами может составлять десятые доли вольта. Очевидно, что при конструировании элементов радиоэлектронной аппаратуры эту разность потенциалов необходимо учитывать.

Термоэлектрический эффект

Термоэлектрический эффект также возникает при контакте двух разнородных металлов. При различной температуре мест контакта (Т₁ и T₂)
в замкнутой цепи из двух металлов возникает термоэлектрический ток (рис. 6.1), т. е. если цепь разорвать в произвольном месте, то на концах цепи появится термоЭДС. По имени первооткрывателя это явление получило название эффекта Зеебека.

а                                                    б

Рис. 6.1. Иллюстрация термоэлектрического эффекта:

а – общий случай; б – термопара

На некотором температурном интервале термоЭДС ε прямо пропорциональна разности температур контактов (спаев):

                            (6.1)

где  а_T – коэффициент, характеризующий дифференциальную удельную термоЭДС, зависящий от природы контактирующих проводников и температуры Т₁ и Т₂.

Эта термоЭДС объясняется тремя причинами.

Первая из них обусловлена температурной зависимостью контактной разности потенциалов, так как в металлах с увеличением температуры уровень Ферми уменьшаеться. Следовательно, на холодном конце проводников он будет выше, чем на горячем, вследствие этого равновесие нарушается и возникает контактная составляющая термоЭДС.

Вторая составляющая термоЭДС обусловлена диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным, так как средняя энергия электронов
в металле изменяется от температуры. Тогда электроны, сосредоточенные на горячем конце, будут обладать большей кинетической энергией и боль­шей скоростью движения по сравнению с электронами холодного конца. Следовательно, они будут диффундировать в направлении от горячего конца к холодному.

Третья составляющая термоЭДС возникает в контуре вследствие увлечения электронов квантами тепловой энергии (фононами). Их поток также распространяется к холодному концу.

Следует отметить, что термоэлектрический эффект является обратимым. То есть, если через цепь, состоящую из двух различных проводников, пропустить электрический ток, то тепло будет выделяться в одном контакте и поглощаться в другом.

Обратный эффект был открыт Жаном Пельтье и назван его именем. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля. При этом нагревание или охлаждение спая определяется направлением тока.

Термоэлектрический эффект положен в основу работы термоэлементов (термопар), преобразующих тепловую энергию в электрическую. Термопары получили широкое распространение в измерительной технике для измерения температур.

С точки зрения практического использования милливольтметр к термопаре подключается в соответствии с рис. 6.1, б. Такое включение позволяет иметь только одно место спая разнородных металлов, которое является рецептором температуры в измеряемой точке, а второй контакт (холодный) металлов обеспечивается через измерительный прибор. Очевидно, что для однозначности преобразования тепловой энергии в электрическую, согласно выражению (6.1), необходимо обеспечить стабилизацию температуры холодного контакта.

Следует отметить, что в соответствии с представленными объяснениями причин возникновения термоЭДС в однородном проводнике, т. е. изготовленном из одного металла, при наличии градиента температуры
на концах его также возникает разность потенциалов. Ее значение, отнесенное к единичной разности температур на концах проводника, называется абсолютной удельной термоЭДС. Следовательно, в термопаре дифференциальная удельная термоЭДС a_T представляет собой разность абсолютных удельных термоЭДС составляющих ее проводников:

                                        (6.2)

где   и  – абсолютные удельные термоЭДС контактирующих металлов А и В.

Из выражения (6.2) следует, что если известно абсолютное значение удельной термоЭДС одного материала, принятого в качестве эталона,
то для любого другого материала этот параметр легко получить экспериментально с помощью измерений относительно этого эталона. Для определения абсолютных термоЭДС в качестве эталона, как правило, используется свинец, у которого термоэлектрические свойства выражены очень слабо. Знак термоЭДС считается отрицательным, если горячий конец проводника заряжается положительно. Численные значения абсолютной удельной термоЭДС для различных металлов и сплавов приводятся в справочной литературе.