Экспериментальная часть

     Одним из наглядных методов измерения магнитных свойств ферромагнитных веществ является осциллографический метод. Электронно-лучевые осциллографы применяются для визуального наблюдения и фотографирования петель гистерезиса предельного и частных циклов перемагничивания. Осциллографический метод позволяет определить основную кривую намагничивания по координатам вершин семейства симметричных частных петель. К достоинствам метода относится возможность визуального наблюдения и изучения влияния различных факторов (деформации, температуры, магнитного поля и т.д.) на магнитные характеристики исследуемого материала. Недостатками метода являются: сравнительно невысокая точность измерений (5-7%), зависимость результатов измерения от фазовой и амплитудно-частотной погрешностей интегрирующих схем, ограниченность конфигураций исследуемых образцов.

     Точность измерений с помощью осциллографа может быть повышена, если одновременно с осциллографированием динамической петли измерять с помощью вольтметра амплитудных значений напряжения на образцовом сопротивлении и измерительной катушке. В этом случае более точные значения максимальной напряженности магнитного поля и индукции определяют по показаниям вольтметра. Наличие такого прибора позволяет производить градуировку осциллографа.

     Материалы при работе в переменном магнитном поле намагничиваются периодически от положительного до отрицательного амплитудного значений с частотой изменения внешнего поля. Магнитное состояние при этом изменяется по петле гистерезиса, которая называется динамической петлей. При одном и том же значении максимальной индукции динамическая петля обычно несколько шире статической петли гистерезиса. Это объясняется тем, что площадь динамической петли пропорциональна общим потерям в магнитном материале, которые складываются из потерь на гистерезис, на вихревые токи, а в некоторых случаях, потерь энергии вследствие наличия магнитной вязкости. Форма динамической петли гистерезиса материала зависит от частоты изменения перемагничивающего поля и предыстории. При малых значениях индукции динамическая петля гистерезиса имеет эллиптическую форму и только при больших значениях магнитной индукции она становится похожей на обычную статическую петлю гистерезиса.

Для того, чтобы получить на экране осциллографа запись петли гистерезиса, необходимо подать на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки напряжение, пропорциональное индукции в исследуемом образце, на горизонтально отклоняющие пластины – напряжение, пропорциональное намагничивающему полю. На рис. 5.4 показана общая схема установки, которая позволяет получать такие напряжения.

Изменение амплитуды переменного тока, протекающего по соленоиду, осуществляется автотрансформатором ЛАТр. В целях предохранения соленоида от перегрузок между автотрансформатором и соленоидом ставится понижающий трансформатор Тр. Регистрирующим прибором служит осциллограф С1-83. На усилитель канала «Х» осциллографа подается напряжение с эталонного сопротивления R_H, включенного последовательно в цепь намагничивающей обмотки соленоида. Падение напряжения U_Н на сопротивлении R_H  прямо пропорционально величине тока в намагничивающей обмотке i_m.

Эта зависимость, выраженная через амплитудные значения тока и напряжения, будет иметь вид:

                   U_H = i_m R_H                                          (6)

Максимальное значение напряженности намагничивающего поля в образце H_m (без учета размагничивающего поля) связано с амплитудным значением тока в соленоиде i_m соотношением:

                      ,                                         (7)

где k –постоянная соленоида.

Учитывая (1), получаем   

                              (А/м).                                (8)

Отсюда видно, что напряженность магнитного поля в образце H_m пропорциональна амплитудному значению напряжения U_H на эталонном сопротивлении.

Магнитную индукцию образца определяют по величине ЭДС в измерительной катушке (ИК), возникающей при изменении в ней магнитного потока. Согласно закону Фарадея эта ЭДС связана с

изменением магнитной индукции по формуле

                                  Е = - nS ,                                   (9)

где n – число витков измерительной катушки, S –сечение образца, В – магнитная индукция в образце. После интегрирования выражения (4) найдем 

                       .                                   (10)

Таким образом, для определения магнитной индукции в образце B нужно проинтегрировать сигнал E, наведенный в измерительной катушке меняющимся магнитным полем.

Для интегрирования сигнала применяют различные схемы. Простейшая схема интегратора, состоящая из последовательно соединенных резистора R и конденсатора C, приведена на рис. 5.5.

 

Для получения интегрированного сигнала необходимо, чтобы выходной сигнал U_вых был много меньше входного U_вх, т.е.:

                            U_{в ых}   << U _вх.                                         (11)

При выполнении этого условия ток в цепи интегратора будет равен

                                         i @ U_вх / R,

 а напряжение на конденсаторе будет равно:

                                            (12)

Таким образом, при выполнении вышеуказанного условия (11), величина выходного сигнала RC-ячейки пропорциональна интегралу от входного напряжения. Произведение RC, входящее в последнее выражение, называется постоянной времени интегрирующей цепи. Чем больше постоянная времени RC по сравнению с периодом изменения магнитного поля, тем точнее будет выполняться интегрирование сигнала (12).

За один период изменения тока в намагничивающей обмотке электронный луч на экране осциллографа описывает полную петлю гистерезиса, а за каждый последующий период в точности ее повторяет. Поэтому при частоте переменного тока 50 Гц на экране мы видим неподвижную петлю гистерезиса.