VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Магнитострикция в физике.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Магнитострикция-явление изменения формы и размеров тела при намагничивании.
Открыт в 1847 г. английским физиком Джеймсом Джоулем и вызван изменением взаимосвязей между атомами в кристаллической решётке, и поэтому свойствен всем веществам. При пропускании по обмотке, наложенной на ферромагнитный стержень, переменного тока стержень изменяет свои размеры под воздействием магнитного поля, т.е. наблюдается прямой магнитострикционный эффект. Если стержень из ферромагнитного материала сжимать или растягивать, то в обмотке возникает переменный ток — обратный эффект. Изменение формы тела может проявляться, например, в растяжении, сжатии, изменении объёма, что зависит как от действующего магнитного поля, так и от кристаллической структуры тела.
Магнитострикцию рассматривают как результат проявления основных типов взаимодействий в телах: электрического и магнитного взаимодействий. В соответствии с этим возможны два вида различных по природе деформаций кристаллической решетки: за счет изменения магнитных сил, и за счет изменения обменных сил.
Различают линейную и спонтанную магнитострикцию.
С понтанная магнитострикция — искажение кристаллической структуры, вызванное намагниченностью.
Линейная магнитострикция -связана с искажениями кристаллической решетки под действием внешнего поля.
Магнитострикционный эффект обратим, — при изменении линейных размеров тела под действием внешних сил его магнитные свойства, соответственно, изменяются. Это явление называется магнитоупругим эффектом
Изменение размеров тела при намагничивании сопровождается появлением в нем внутренних напряжений и деформаций, которые препятствуют смещению его границ. Магнитострикция затрудняет процесс намагничивания тела в слабых полях. Поэтому высокой магнитной проницаемостью обладают те магнитные материалы, у которых малы константы магнитострикции.
Цель работы:
Хоть и в школьной программе не говорится о магнитострикции, я решила
изучить это явление, выявить зависимость изменения длины стержня, проверить, во всех ли случаях наблюдается это.
Описание работы
Существует ряд методов, при помощи которых наблюдение явления магнитострикции возможно экспериментально.
Данная работа посвящена изучению поведения ферромагнетика и диэлектрика в магнитном поле.
Ферромагнетик — такое вещество, которое, при температуре ниже точки Кюри ( Точка Кюри— температура фазового перехода), способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.
Для работы мне потребовались:
Картонная труба диаметром 4 см, длиной 35 см
Провод диаметром 0,69 мм в эмалевой изоляции
Железный стержень и алюминиевый
Деревянные доски
Микрометр
Метал. Уголки и пластинка
Саморезы
Ход работы.
На картонную трубку я намотала 620 витков провода, диаметром 0,6 мм.
Укрепила катушку, горизонтально на двух деревянных стойках.
Провела через нее железный стержень.
Один конец закрепила очень жестко.
На другой конец насадила пластмассовую пробку. Пробка нужна для того, чтобы при пропускании тока стержень не притягивался к стенкам катушки.
Свободный конец стержня я постаралась сделать гладким и прямым.
К рычажку крепится микрометр.
Далее, я подвела подставку с микрометром к прибору так, чтобы заостренный конец стержня уперся в рычажок.
Измерения.
В результате работы получилось, что при силе тока 4,5 Ампер, железный стержень удлиняется на 0,01 мм.
Сделаем расчет характеристик магнитного поля:
Формула напряженности магнитного поля цилиндрической катушки:
Где I- сила тока ,N-кол-во витков,L-длина стержня в магнитном поле
H=
Известно ,что магнитная индукция определяется по формуле:
Где m0-магнитная постоянная;
B=12.56* 9964,3=125151,6* 0,0125 Тл
Длина стержня в магнитном поле-28 см.
Относительное удлинение стержня равно
Следовательно относительное удлинение железного стержня равно
Т.к. железо является ферромагнетиком, то оно находясь в магнитном поле, при малых частотах удлиняется, а при высоких-уменьшается. Значит можно исследовать не ферромагнетик, например, алюминий, который в магнитном поле не должен изменять свою длину.
Я приготовила алюминиевый стержень такой же длины и сечения, закрепила его так, как и железный, и включила в сеть. Изменения длины не наблюдалось.
Вывод
При помещении ферромагнетика в магнитное поле, при низких частотах его длина увеличивается, а при высоких-уменьшается. Не ферромагнетики, а, например, парамагнетики не изменяют свою длину в магнитном поле. Магнитострикционный эффект заключается в изменении размеров ферромагнитных тел под действием магнитного поля. Простейший магнитострикционный излучатель — это стержень из металла (никеля) с намотанной на него проволокой. Если через обмотку такой катушки пропускать, например, высокочастотный переменный ток, в ней возникнет переменное магнитное поле , в результате чего стержень будет периодически сжиматься и растягиваться с частотой подводимого к катушке тока и концы стержня будут излучать ультразвуковые колебания.
Используемая литература.
Юный техник выпуск №4 1974 год.
Справочник по физике(Эрих Юбелакер)
https://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница
http://megabook.ru/article/Магнитострикция
Весь школьный курс в таблицах. Сост. Тульев В.В.
Курс общей физики. Т.1. Механика, колебания и волны, молекулярная физика. Савельев И.В.
Курс общей физики. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. Савельев И.В.
Электричество и магнетизм. Матвеев А.Н.