Опис лабораторної установки

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 8

ДОСЛІДЖЕННЯ ОСНОВНИХ МАГНІТНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФЕРОМАГНІТНИХ МАТЕРІАЛІВ

Мета роботи: дослідити властивості феромагнітних матеріалів за виглядом гістерезисної петлі та основної кривої намагнічування за допомогою осцилографа.

Теоретичні відомості

Властивості магнітних матеріалів досліджуються на зразках, що являють собою конкретні магнітні кола, які складаються з магнітном'яких і магнітнотвердих матеріалів.

До магнітом’ягких відносяться магнітні матеріали з малою коерцитивною силою і високою магнітною сталою. Вони володіють здатністю намагнічуватись до насичення в слабких магнітних полях, характеризуються вузькою петлею гістерезису і малими втратами на перемагнічування.

Магнітом’ягкі матеріали використовуються в основному як різноманітні магнітопроводи: серцевини дроселів, трансформаторів, електромагнітів, магнітних систем електровимірювальних приладів тощо. Для зменшення втрат на вихрові струми в трансформаторах вибирають магнітом’ягкі матеріали з підвищеним питомим опором. Зазвичай магнітопроводи збирають із окремих ізольованих один від одного тонких листів (електротехнічної сталі, пермалою, альсифера й інших сплавів). Широке використання отримали стрічкові серцевини, що намотуються із тонкої стрічки з міжвитковою ізоляцією із діелектричного лаку.

До листових і стрічкових матеріалів пред’являються вимоги високої пластичності, завдяки якій полегшується процес виготовлення виробів з них.

До магнітотвердих відносять матеріали з великою коерцитивною силою . Вони перемагнічуються лише в дуже сильних магнітних полях і слугують в основному для виготовлення постійних магнітів.

Умовно магнітом’ягкими вважаються матеріалами, у яких А/м, а магнітотвердими з кА/м. Крім того, у найкращих магнітом’ягких матеріалах коерцитивна сила може складати менше 1 кА/м, а в найкращих магнітотвердих матеріалах її значення перевищує 500 кА/м.

Високочастотні феромагнетики використовуються в пристроях, що працюють у полях високої частоти. До них відносяться магнітодіелектрики, які одержуються пресуванням порошкоподібного феромагнетика (карбонільне залізо, пермалой, альсифер, магнетит та інші) із ізолюючим органічним або неорганічним зв'язуючим (фенолформаль-дегідна смола, полістирол, скло тощо). Ці матеріали мають малі проникності в часі. Ферити являють собою системи з оксидів заліза й оксидів двовалентних або одновалентних металів. Ферити можна віднести до електронних напівпровідників, що мають незначну електронну провідність, невеликі втрати енергії в області середніх і високих частот, а також великі магнітні властивості.

До магнітнотвердих матеріалів відносяться: леговані сталі з додаванням вольфраму, хрому, молібдену, кобальту: Al-Ni-Fe, Al-Ni-Si-Fe, Al-Ni-Co-Fe та інші.

Феромагнітні матеріали (феромагнетики) характеризуються мимовільною (спонтанною) намагніченістю, магнітна проникність яких нелінійно залежить від напруженості магнітного поля. До феромагнетиків відносяться: залізо, нікель, кобальт і їх сплави, сплави хрому і марганцю тощо.

Основна причина магнітних властивостей цих матеріалів – внутрішні форми руху електричних зарядів, що являють собою елементарні кругові струми, обумовлені орбітальним обертанням електронів навколо відповідних осей (спінів). Нижче точки Кюрі феромагнітним матеріалам властиво спонтанне намагнічування під час відсутності зовнішнього поля, тобто спіни орієнтуються паралельно. Разом з тим, при відсутності зовнішнього поля магнітні моменти доменів мають різні напрямки і взаємно врівноважуються, і загальна намагніченість речовини дорівнює нулю.

У дуже слабких магнітних полях відбувається переважний ріст доменів, намагнічених у напрямку, найближчому до напрямку зовнішнього поля, за рахунок руйнування доменів, що мають інший напрямок намагніченості (зсув границь доменів). Зі збільшенням магнітного поля може відбуватися також поворот векторів намагніченості доменів до збігу з напрямком зовнішнього поля (намагнічування обертанням). При великих магнітних полях, коли процеси зсуву й обертання в основному закінчені, настає стан магнітного насичення.

Основні характеристики, що визначають поведінку магнітних матеріалів у магнітному полі, – крива намагнічування і магнітна проникність , які одержують з основної кривої намагнічування
(див. рис. 8.1) у даній точці за формулою:

 

, (8.1)

 

де –магнітна індукція, Тл;

– магнітна проникність вакууму;

– напруженість магнітного поля, А/м.

 

Рисунок 8.1 – Залежність магнітної індукції і магнітної проникності

 

Магнітна проникність при дуже слабких магнітних полях
( A/м)постійна і називається початковою магнітною проникністю матеріалу . Ця величина визначається при A/м. Важливою характеристикою феромагнетиків є гранична петля гістерезису, котра являє собою залежність при змінному магнітному полі. Хід залежності описується замкнутою кривою, названою циклом гістерезису (рис. 8.2.) Якщо в будь-якій точці кривої намагнічування зменшити напруженість магнітного поля , магнітна індукція буде зменшуватися трохи повільніше, ніж по основній кривій намагнічування внаслідок гістерезису (відставання).

 

 

 

Рисунок 8.2 – Основна крива намагнічування та гістерезисні цикли від напруженості магнітного поля

 

При збільшенні в оберненому напрямку до попереднього значення індукція повертається до похідного значення, описуючи при цьому нову криву, що разом з попередньою утворить петлю гістерезису, що характеризує цикл перемагнічування. Найбільший з гістерезисних циклів називається граничним циклом гістерезису.

Площі, що обгинаються гістерезисними кривими, пропорційні втратам на перемагнічування і на вихрові струми. Втрати на гістерезис (перемагнічування) визначаються за емпіричною формулою:

 

(8.2)

 

де –коефіцієнт, що залежить від властивостей матеріалу;

– максимальна індукція, що досягається в даному циклі;

– показник степеня (від 1,6 до 2 одиниць);

– частота поля;

– об’єм матеріалу.

Bтрати на вихрові струми:

(8.3)

 

де – коефіцієнт, що залежить від питомого електричного опору феромагнетика і його форми;

– коефіцієнт пропорційності.

Залежності і від частоти зображені на рис. 8.3.

 

 

Рисунок 8.3 – Залежність втрат на гістерезис і на вихрові

струми від частоти

 

З графіків видно, що при малих частотах можна не враховувати втрати на вихрові струми в порівнянні з втратами на перемагнічування. Зі збільшенням частоти вихрові струми зростають, що приводить до перетворення гістерезисної петлі в еліпс. Процес відбувається тому, що форма кривої струму при синусоїдальній формі кривої напруги також наближається до синусоїдальної.

 

Прилади та матеріали

1. Генератор Г3-109.

2. Осцилограф С1-93.

3. Вимірювальний макет.

 

Опис лабораторної установки

Схема установки для дослідження феромагнітних матеріалів (рис 8.4) складається з генератора Г3-109, осцилографа С1-93, що підключаються до вимірювального макета. У вимірювальний макет входять тороїдальні зразки. Перемикачем П1 здійснюють комутацію випробуваних тороїдальних зразків, виготовлених з різних феромагнітних матеріалів. При застосуванні таких зразків дійсна напруженість магнітного поля всередині зразка до якої потрібно віднести вимірюване значення магнітної індукції , дорівнює напруженості зовнішнього магнітного поля, що виникає при протіканні струму в обмотці зразка, що намагнічується.

 

 

Рисунок 8.4 – Структурна схема установки для дослідження властивостей феромагнітних матеріалів

 

У незамкнутих зразках при намагнічуванні на кінцях виникають магнітні полюси, поле яких усередині зразка спрямовано зустрічно зовнішньому полю. Поле цих полюсів називається розмагнічувальним.

На тороїд намотуються три обмотки: первинна , вторинна і обмотка короткозамкнутих витків яка складається з п'яти виводів, що закорочуются за допомогою перемикача П2, – зразковий резистор, а i являють собою інтегруюче коло.

Напруженість магнітного поля у випробуваному зразку пропорційна струму в обмотці , що живиться генератором Г3-109. Отже, напруга на активному опорі пропорційна напруженості магнітного поля. Напруга, що знімається з активного опору , подається на горизонтальний вхід X осцилографа. В обмотці зразка під дією магнітного поля виникає вторинна ЕРС.

На вертикальний вхід Y осцилографа подається напруга , що знімається з конденсатора і пропорційна вторинній ЕРС. Напруга на конденсаторі

, (8.4)

 

де – струм в інтегруючому ланцюжку.

Якщо

, (8.5)

то

, (8.6)

де –ЕРС вторинної обмотки;

^, (8.7)

– площа поперечного перерізу зразка.

З врахуванням (8.5) і (8.7) вираз (8.4) прийме вигляд:

 

. (8.8)

 

З (8.8) видно, що напруга , яка подається на пластини вертикального відхилення осцилографа, пропорційна індукції в зразку магнітного матеріалу.

При одночасному прикладенні цих напруг до пластин осцилографа на його екрані одержимо криву, що характеризує залежність магнітної індукції від напруженості магнітного поля.

Таким чином, на екрані осцилографа буде видний гістерезисний цикл випробуваного зразка магнітного матеріалу. Геометричне місце точок вершин гістерезисних циклів, отриманих при різних напруженнях, дасть нам основну криву намагнічування.

 

Хід роботи