физика 7 лаба. 1 лаба. Отчет по лабораторнопрактической работе 8 Исследование свойств металлических ферромагнитных материалов
 Скачать 60.57 Kb.
|
|
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” ОТЧЕТ по лабораторно-практической работе № 8 Исследование свойств металлических ферромагнитных материалов Выполнил Демьянов Н.В. Факультет ФЭЛ Группа № 3203 Преподаватель “Выполнено” “____” ___________ Подпись преподавателя __________ 8. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФЕРРОМАГНИНЫХ МАТЕРИАЛОВ 8.1. Основные понятия и определения К ферромагнитным относят материалы с большой положительной магнитной восприимчивостью, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Особые свойства ферромагнетиков обусловлены наличием у них в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) намагниченности и доменной структуры. Для осуществления спонтанной намагниченности необходимо выполнение по крайней мере двух условий: в состав материала должны входить атомы или ионы металлов, имеющих недозаполненные внутренние, например 3d, электронные оболочки (к таким металлам относятся железо, никель, кобальт и др.); кристаллическая структура должна быть такой, чтобы силы обменного взаимодействия между этими атомами приводили к их взаимному упорядочению, т.е. к параллельной ориентации их спиновых магнитных моментов. В отсутствии внешнего магнитного поля состояние, при котором вектор спонтанной намагниченности имел бы во всем образце одно направление, энергетически не выгодно, т.к. оно привело бы к большому рассеянию магнитного потока в окружающее пространство, поэтому образец самопроизвольно разбивается на отдельные области (домены), имеющие размеры порядка единиц микрометров. Внутри каждого домена вектор намагниченности имеет одинаковое направление, а суммарный магнитный поток замкнут внутри образца. Соседние домены с различной ориентацией магнитного момента разделены доменными границами, в которых направление спиновых моментов изменяется плавно. При воздействии внешнего магнитного поля происходит перестройка доменной структуры, что и приводит к намагничиванию образца. Важнейшим свойством ферромагнетиков является нелинейная зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н. Эту зависимость называют кривой намагничивания. На начальном участке кривой намагничивания, где наблюдается монотонное возрастание индукции, преобладают процессы обратимого смещения доменных границ. При этом происходит увеличение объема тех доменов, магнитные моменты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля. В области более сильных полей смещение доменных границ приобретает необратимый характер. Здесь кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну. По мере дальнейшего увеличения Н возрастает роль второго механизма намагничивания - механизма вращения, при котором магнитные моменты доменов постепенно поворачиваются в направлении поля. На этом участке рост магнитной индукции замедляется. Когда все магнитные моменты доменов ориентируются вдоль поля, наступает магнитное насыщение. По кривой намагничивания ферромагнетика легко построить зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля. Статическую магнитную проницаемость μ определяют по формуле μ = B / (μ0 H), (8.1) где μ0 = 4π .10-7 Гн/м - магнитная постоянная. При увеличении напряженности поля магнитная проницаемость сначала растет, что связано со линейной зависимостью смещения доменных границ от Н и с возрастанием вклада процессов вращения. Далее она достигает максимального значения μmax и затем уменьшается из-за насыщения магнитной индукции. Если после намагничивания образца до насыщения внешнее поле медленно уменьшить до нуля, то индукция в нуль не обратится, а примет значение Вr, называемое остаточной индукцией. Чтобы убрать остаточную индукцию, необходимо приложить поле противоположного направления напряженностью Нc, называемое коэрцитивной силой. В зависимости от численного значения Нc, ферромагнетики делят на магнитомягкие и магнитотвердые. Остаточная индукция и коэрцитивная сила являются параметрами статической предельной петли гистерезиса (ПГ), которую получают при медленном циклическом перемагничивании намагниченного до насыщения образца. Площадь статической ПГ характеризует потери энергии на гистерезис ЭГ, обусловленные необратимыми процессами смещения и вращения в единичном цикле перемагничивания. При достаточно быстром изменении Н по величине и знаку зависимость В(Н) описывает динамическую ПГ. При намагничивании до одинакового предельного значения индукции площадь динамической ПГ металлических ферромагнетиков больше площади статической ПГ на величину, характеризующую потери энергии на вихревые токи ЭВТ. Величина ЭГ постоянна в достаточно широком диапазоне частот, а величина ЭВТ возрастает пропорционально частоте. Мощности потерь на гистерезис и на вихревые токи описываются соответственно формулами: PГ = ЭГ f = η (Bm)n f ; PВТ = ЭВТ f = ξ (Bm)2 f2, (8.2) где η - коэффициент, зависящий от свойства материала; Вm - максимальная индукция, достигаемая в данном цикле; n - показатель степени от 1,6 до 2 для различных материалов; ξ - коэффициент, зависящий от удельной проводимости ферромагнетика и формы образца; f - частота изменения магнитного поля. . В настоящей работе проводится исследование основных магнитных свойств железо-никелевого сплава (пермаллоя). 8.2. Описание установки Испытательная установка (см. рис.) состоит из пульта (обведен пунктиром), осциллографа, генератора синусоидальных сигналов звуковой частоты и милливольтметра переменного напряжения.
Испытуемый материал изготовлен в виде тороидального сердечника, на который нанесены две обмотки - первичная с числом витков W1 и вторичная с числом витков W2. К пластинам горизонтального отклонения осциллографа (вход канала I) прикладывают напряжение UX = UR, снимаемое с резистора RT и пропорциональное току I, протекающему в обмотке W1, следовательно, пропорциональное напряженности магнитного поля Н, поскольку H= W1 I /(2πrср), (8.3) где 2πrср - средняя длина линий напряженности поля. На вертикальный вход осциллографа (вход канала II) подают напряжение UY = UC, снимаемое с конденсатора СИ интегрирующей цепочки, которое определяется выражением: UC = (1/CИ)·∫ iИ dt, (8.4) где iИ - ток в интегрирующей цепочке. Если RИ » 1/(ωCИ), то iИ ≈ E2 / RИ, где Е2 - ЭДС во вторичной обмотке. Согласно закону Ленца Е2 = W2 S (dB / dt), где S - сечение образца. В этом случае формула (8.4) принимает следующий вид: UC = (1/RИ CИ ) ·∫ E2 dt = (W2 S B) / (RИ CИ), (8.5) т.е. UC пропорционально индукции в образце. При одновременном приложении напряжений UR и UС к пластинам осциллографа на его экране можно наблюдать ПГ, характеризующую зависимость В(Н). Для исследования частотной зависимости μЭФ в образце создается слабое магнитное поле, соответствующее начальному участку кривой намагничивания. Значение напряженности магнитного поля контролируется по падению напряжения UR на резисторе RT. Измеряя напряжение на входе схемы UВХ, можно найти падение напряжения UL на катушке индуктивности с исследуемым сердечником. |
