Лабораторная работа №4. «Изучение свойств магнитных материалов».
Цель работы: Изучить магнитные свойства материалов. Получить основные навыки работы с осциллографом. Исследовать основные способы измерения параметров магнитных материалов и получить представление о петле гистерезиса.
Краткая теория
Вещество способное намагничиваться под действием магнитного поля называется магнетиком.
Намагниченность - магнитный момент единицы объема вещества. Она связана с напряженностью внешнего магнитного поля соотношение
JM=kμH,
где JM- намагниченность материала, А/м;
H- напряженность внешнего магнитного поля, А/м;
kμ- магнитная восприимчивость, характеризующая способность материала намагничиваться.
Под действием внешнего магнитного поля в материале возникает собственное поле, которое параллельно или антипараллельно внешнему. Результирующее магнитное поле в материале равно алгебраической сумме внешнего и собственного магнитных полей
B=B0+Bi=μ0H+ μ0JM= μ0H(1+kμ),
где B- магнитная индукция в материале, Тл;
B0- магнитная индукция внешнего магнитного поля (в вакууме), Тл;
Bi - магнитная индукция собственного поля в материале, Тл;
μ0 - магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума) в системе СИ, μ0 = 4π∙10-7 Гн/м;
μ - относительная магнитная проницаемость материала. Она показывает, во сколько раз магнитная индукция в материале больше, чем в вакууме
Первопричиной магнитных свойств материалов являются электронные круговые токи, создаваемые вращением электронов вокруг собственных осей (электронные спины). По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного порядка (магнитной восприимчивости) все вещества в природе делятся на: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.
Диамагнетикиобладают малой магнитной восприимчивостью kμ= (10-6...10-7). Диамагнетизм свойственен веществам, у которых собственный магнитный момент атомов равен нулю, т.е. спиновые магнитные моменты попарно скомпенсированы. К диамагнетикам относятся: инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и др.), ряд металлов (медь, серебро, золото, ртуть, цинк, галлий и др.), большинство полупроводников (германий, кремний, неорганические стекла и др. Диамагнетики выталкиваются из неоднородного магнитного поля, μ чуть меньше единицы.
Парамагнетики имеют kμ= 10-3...10-6. К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы, некоторые переходные и редкоземельные металлы и др.
Атомы парамагнетиков обладают элементарным магнитным моментом, но из-за теплового движения они хаотичны, так что в целом намагниченность вещества равна нулю. Внешнее магнитное поле вызывает ориентацию магнитных моментов в одном направлении, но тепловая энергия противодействует упорядоченности. Магнитная проницаемость близка к единице. Парамагнетики, помещенные в неоднородное магнитное поле, слабо втягиваются в него.
Ферромагнетикиимеют большую положительную магнитную восприимчивость kμ≤106, которая сильно зависит от намагничивающей напряженности и температуры. Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Ферромагнетики способны намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, некоторые редкоземельные металлы и химические соединения.
К Антиферромагнетикам относятся вещества с антипараллельной ориентацией элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для них характерна малая положительная магнитная восприимчивость kμ= 10-3...10-5 , которая сильно зависит от температуры. При нагревании антиферромагнетик при некоторой температуре (точка Нееля) переходит в парамагнитное состояние. К антиферромагнетикам относятся хром, марганец, ряд редкоземельных металлов (Се, Nd, Sm и др.), химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов и т.д. У антиферромагнетиков суммарная намагниченность при отсутствии внешнего магнитного поля равна нулю.
Ферримагнетики- это вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. К ферримагнетикам относятся различные оксидные соединения, в том числе ферриты.
Магнитные свойства материалов изучает в процессе намагничивания и размагничивания образцов. Явление отставания магнитной индукции от вызывающей эти изменения напряжённости магнитного поля называется магнитным гистерезисом. В процессе изучения образцов строятся линии соответсвующие процессам намагничивания и размагничивания материалов. В результате на графике B=f(H) получается замкнутая линия, прлучившая название петли гистерезиса (рисунок 4.1). При уменьшении Н до нуля в образце остаётся остаточная индукция Br. Если направления магнитного поля изменить на противоположное и начинать его увеличивать, то индукция можно уменьшить до нуля. В этом случае значение Hc называется коэрцитивной (задерживающей) силой. По значению коэрцитивной силы материалы делятся на магнитомягкие (с малым значением Hcи большой магнитной
Рисунок 4.1 – Петля магнитного гистерезиса
проницаемостью) и магитотвёрдые (с большой коэрцитивной силой и относительно малой магнитной проницаемостью).
Значение индукции насыщения определяется в поле Hs которое равно 5Нс. Кривая изменения магнитной индукции при изменении напряжённости от -5Нс до 5Нс называется предельной петлёй гистерезиса, которая является важной характеристикой материала, на её основании возможно определить важнейшие параметры магнитных материалов – коэрцитивную силу Нс, индукцию насыщения Bs, остаточную индукцию Br и.т.д.
Установка по исследованию петли гистерезиса
Зависимость В(H) - кривая намагничивания ферромагнитного материала при циклическом перемагничивании имеет вид петли. Она может быть снята с помощью осциллографа.
Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рисунке 4.2.
Рисунок 4.2 - Принципиальная схема установки по изучению явления гистерезиса
Исследуемые образцы ферромагнетиков представляют собой кольцевые сердечники, на которые намотаны по 2 обмотки 100 витков каждая. Они заключены в миниблоки: «Трансформатор торроидальный» (феррит М2000НМ), «ГМ14ДС» и «ГМ11ДС» (по обозначению марки ферромагетика). Сечение магнитопровода и длина средней линии указаны на этикетках миниблоков. Первичная обмотка подключается к источнику синусоидального напряжения и служит для создания переменного магнитного потока в сердечнике. К вторичной обмотке подключён интегратор для измерения магнитного потока.
Выходное напряжение интегратора:
где Rвх и С – параметры интегратора,. S – сечение сердечника а В – магнитная индукция.
Для исключения интегрирования постоянной составляющей входного сигнала переключатель «Сброс» интегратора должен находиться в замкнутом состоянии.
Из рассмотренного выражения магнитная индукция в сердечнике:
 .
Запишем закон полного тока, протекающего в замкнутом контуре
В нашем случае значение макротока полного тока I определяется следующем образом: с реостата Rш мы снимаем напряжениеURш, которое подается на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа. Зная значение сопротивления на реостате Rш и значение напряжения URр (которое фиксируется при помощи осциллографа) мы получаем, что значение
Т.к. контур с первичной обмоткой трансформатора постоянен, то окончательно формула примет вид
|
|
где Lср – средняя магнитная линия магнитопровода. Напряжение с шунта 10 Ом через подаётся на горизонтальный вход осциллографа, а напряжение uвых с выхода интегратора подаётся на вертикальный вход. Поскольку первое пропорционально напряжённости магнитного поля, а второе - магнитной индукции, экране осциллографа отображается в определённом масштабе зависимость В(Н). Цепь собирается на наборном поле блока генераторов напряжений как показано на монтажной схеме (рисунок 4.3). Причём, интегратор устанавливается в наборную панель точно на отведённое для него место. Тогда к нему автоматически подводятся напряжения питания «+» и «– » 15 В.
Подготовка к испытанию
Собрать схему на рисунке 4.3. Вход Х соединить с горизонтальным входом осциллографа, а вход Y на вертикальный вход. Установить частоту генератора 500 Гц. Плавно вращая регулировочную рукоятку генераора довести индукцию образца до насыщения. Рукоятками усиления осциллографа по вертикали и горизонтали произвести коррекцию петли гистерезиса таким образом, чтобы петля гистерезиса на экране осциллографа приняла наибольший размер. При дальнейших измерениях рукоятки горизонтального и вертикального усиления не трогать.
Органы управления осциллографа
Органы управления тракта вертикального отклонения:
переключатели «V/ДЕЛ» - устанавливают калиброванные коэффициенты отклонения каналов I и II;
рукоятки «▼» - регулируют коэффициенты отклонения каналов;
рукоятки «►» - обеспечивают плавную регулировку коэффициентов отклонения обоих каналов не менее чем в 2,5 раза в каждом положении переключателей «V/ДЕЛ»;
Рисунок 4.3 - Монтажная Принципиальная схема установки по изучению явления гистерезиса
рукоятки «↕» - регулируют положение лучей обоих каналов по вертикали;
« 1MΩ 35 pF» - высокочастотные гнёзда для подачи исследуемых сигналов;
Переключатели режима работы входов усилителя в положениях:
«» - на вход усилителя исследуемый сигнал поступает через разделительный конденсатор (закрытый вход);
« » - на вход усилителя исследуемый сигнал поступает с постоянной составляющей (открытый вход);
«┴» - вход усилителя подключён к корпусу;
«I» - на экране наблюдается сигнал канала I;
«II, X - Y» - на экране наблюдается сигнал канала II;
«X-Y» - вход усилителя Х подключается к I – му каналу усилителя Y.
Органы управления развёрткой:
переключатель «ВРЕМЯ/ДЕЛ» - устанавливает калибровочный коэффициент развёртки, когда ручка плавной регулировки установлена в крайне правое положение;
ручка «ПЛАВНО» - обеспечивает плавную регулировку коэффициента развёртки с перекрытием в 2,5 раза в каждом положении переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ»;
рукоятка «↔» - обеспечивает перемещение луча по горизонтали;
переключатель «х1, х0,2» - увеличивает скорость развёртки в положении «х0,2» в 5 раз.
Проведение измерений
При проведении измерений необходимо осциллограф перевести в режим «X-Y», что позволит исследовать зависимость одного сигнала от другого. Для создания режима X-Y установите переключатель вида синхронизации в положение «X-Y», а переключатель вида работ - в положение «II, X-Y». Подайте на гнездо « 1MΩ 35 pF» первого канала сигнал, поступающий на горизонтальный канал отклонения.
На гнездо « 1MΩ 35 pF» второго канала подайте сигнал, поступающий на вертикальный канал отклонения. Чувствительность по вертикальному и горизонтальному каналам соответствует положению переключателя «V/ДЕЛ».
Перед определением напряжения либо по вертикальному, либо по горизонтальному отклонению сигнала переведите рукоятками «↕» и «↔» полученную петлю гистерезиса в центр экрана. Рукоятками «▼» и «►» установите размер фигуры на экране осциллографа на всю шкалу, при рукоятки плавного регулирования усиления обоих каналов осциллографа переведите в крайне правое положение. При необходимости переведите переключатель «х1, х10» в требуемое положение, тем самым зафисиксировав фигуру на экране осциллографа на максимальный размер. ( рисунок 4.4).
Рисунок 4.4 – Магнитная петля гистерезиса исследуемого образца
Рассмотрим пример определения напряжения полученной магнитной петли гистерезиса для исследуемого образца для точки Br:
положение точки Brсоставляет 1,5 деления на экране осциллографа;
рукоятка «▼» находится в положении «0,1 V/дел.»;
переключатель «х1, х10» находится в положении «х10»;
тогда величина отклонения по вертикальному каналу осциллографа составит
Полученные данные заносим в таблицу 4.1.
Измерения для остальных образцов проводятся аналогично. Результаты измерений заносятся в таблицу 4.1. Повторите опыт, вычисления и построения для трансформаторов «ГМ11ДС» и «ГМ14ДС». При замене миниблока с трансформатором не забудьте соединить вторичную обмотку с интегратором в соответствии с рисунком на этикетке миниблока.
Содержание отчёта
Отчёт о проделанной работе должен содержать:
Принципиальную электрическую схему испытательной установки.
Краткое изложение сущности применённого метода исследования магнитных материалов.
Краткое описание материала исследования которого проводились.
Расчётные формулы и примеры вычислений.
Результаты наблюдений и вычислений в таблице 4.1 (для каждого исследуемого образца данные заносятся в отдельную таблицу).
Таблица 4.1 – Экспериментальные данные определения магнитных свойств образцов
Измерено
|
Определяемая величина
|
Числовое значение определённое по экспериментальным данным
|
Lср, м
|
|
S, м2
|
|
ω1
|
|
ω2
|
|
R, Ом
|
|
С, Ф
|
|
UBs, В
|
|
UH(Bs), В
|
|
UBr, В
|
|
UHc, В
|
|
Вычислено
|
BS, Тл
|
|
HBs, А/м
|
|
Br, Тл
|
|
HС, А/м
|
|
Примечание: UBs, В – напряжение соответствующее магнитной индукции в насыщенном образце; UH(Bs), В - напряжение соответствующее напряжённости магнитного поля в насыщенном образце; UBr, В – напряжение соответствующее остаточной намагниченности образца; UHc, В – напряжение соответствующее коэрцитивной силе образца.
| Контрольные вопросы
Дайте определения магнитотвёрдых и магнитомягких материалов. Сделайте их краткое сравнение.
Основные определения ферромагнитных материалов.
Свойства и область применения электротехнических сталей.
Свойства и область применения ферритов.
Дайте краткую характеристику магнитной петли гистерезиса.
Каков характер зависимости магнитной индукции от напряжённости в цепях постоянного тока.
Поясните полученные на графиках физические величины: коэрцитивная сила и остаточная намагниченность.
|
Скачать 0.74 Mb.