Практикум по курсам Электротехническое материаловедение, Материалы электронной техники
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
Внимание! Прежде, чем выключить установку, не забудьте вы- полнить п. 11! Контрольные вопросы 1. Укажите границы диапазонов значений (по порядку величины) удельного объемного сопротивления полупроводниковых и проводнико- вых материалов при комнатной температуре. 2. Чем определяется сопротивление металлов при температурах выше температуры Дебая? 3. Укажите возможные знаки ТКС для полупроводниковых и про- водниковых материалов для различных диапазонов температур. 4. Назовите основные и неосновные носители заряда в собствен- ных и примесных полупроводниках. 5. Что понимается под подвижностью носителей в полупроводни- ках? Как зависит подвижность носителей от температуры? 63 Лабораторная работа № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ Цель работы — изучение процессов, протекающих в магнитомяг- ких материалах в магнитном поле; исследование основных характеристик магнитомягких материалов по кривой намагничивания. Общие положения Магнитные параметры материалов Магнитными материалами называются вещества, обладающие магнитными свойствами, т.е. способностью намагничиваться в магнит- ном поле и тем самым приобретать магнитный момент. Результирующий макроскопический магнитный момент представляет собой сумму элементарных магнитных моментов для атомов данного вещества: ∑ Магнитные свойства вещества характеризуются магнитной восприим- чивостью , где — магнитный момент единицы объема веще- ства или намагниченность в магнитном поле напряженностью Магнитное поле в вакууме, создаваемое некоторой системой про- водников с током или совокупностью постоянных магнитов, характери- зуется векторами магнитной индукции и напряженности поля свя- занными через магнитную постоянную Магнитное поле в материале, кроме напряженности поля , созда- ваемой током в намагничивающей обмотке, зависит также от магнитных свойств материала. Полная магнитная индукция в материале составляет + , где первый и второй члены правой части представля- ют собой соответственно составляющие внешнего и внутреннего поля. Одним из основных магнитных параметров материала является магнитная проницаемость. Различают абсолютную ( ) и относительную магнитные проницаемости материала. Откуда для магнитной восприимчивости имеем Классификация магнитных материалов По значению магнитной восприимчивости χ, ее зависимости от напряженности магнитного поля, температуры и других факторов выде- ляют следующие пять основных видов магнитных материалов: диа-, пара- и антиферромагнетики образуют группу слабомагнитных материалов; 64 ферро- и ферримагнетики относятся к группе сильномагнитных материа- лов. В изделиях электротехники и электроники наиболее часто приме- няются ферромагнетики. Все ферромагнетики характеризуются: большим значением χ, способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых полях, гистерезисом — зависимостью маг- нитных свойств от предшествующего состояния, точкой Кюри — пре- дельной температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и другие материалы. Ферромагнетизм заключается в существовании в веществе обла- стей — доменов, в пределах которых материал намагничен до состояния насыщения. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков достигает значений 10 5 — 10 6 и существенно зависит от температуры и напряжен- ности магнитного поля. Петля гистерезиса Магнитные свойства материалов описываются зависимостями В от Н и потерь на перемагничивание Р от магнитной индукции и частоты внешнего поля. Зависимость вида В(Н) называют кривой намагничива- ния. При циклическом перемагничивании кривая намагничивания обра- зует петлю гистерезиса. Различают следующие типы зависимостей (рис. 1): Частная петля 1 гистерезиса — петля, полученная при цик- лическом изменении напряженности, если Предельная петля 2 гистерезиса — петля, полученная при циклическом изменении напряженности Основная кривая намагничивания 3 представляет собой геометри- ческое место вершин симметричных петель гистерезиса, получающихся при циклическом перемагничивании или при монотонном увеличении напряженности поля в предварительно размагниченном образце. Основные параметры петли гистерезиса: Остаточная индукция — индукция, которая остается в предва- рительно намагниченном образце после снятия внешнего магнитного по- ля; Коэрцитивная сила — размагничивающее поле, которое должно быть приложено к образцу, чтобы индукция стала равной нулю. Потери на гистерезис в единице объема образца магнитного при одном цикле перемагничивания определяются площадью петли гстерези- са. 65 Рис. 1. Петля гистерезиса при различных значениях амплитуды магнитного по- ля По основной кривой намагничивания могут быть определены так- же: начальная магнитная проницаемость ( ) и дифференциальная магнитная проницаемость Магнитные свойства материалов характеризуются также реверсив- ной (обратимой) магнитной проницаемостью , которая измеряется на переменном сигнале малой амплитуды на фоне большого смещающего поля. Реверсивная проницаемость обусловлена явлением гистерезиса в магнитных материалах. Перемагничивание магнитных материалов в переменных полях возбуждает вихревые токи, магнитное поле которых направлено встреч- но внешнему полю. В результате напряженность магнитного поля в ма- териале падает с удалением вглубь от поверхности. Вихревые токи вно- сят вклад в потери на перемагничивание. Для уменьшения потерь на вихревые токи на высоких частотах следует применять магнитомягкие высокочастотные материалы (магнитодиэлектрики, ферриты), у которых значение удельного сопротивления значительно больше, чем у низкоча- стотных материалов — электротехнических сталей, пермаллоев. Таким образом, потери на перемагничивание состоят в основном из потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи: 66 Магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы Различают магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы. Магнитомягкие материалы характеризуются значительными магнитной проницаемостью, индукцией насыщения, малой коэрцитивной силой (не более 4 кА/м) и, следовательно, узкой петлей гистерезиса. К магнитомяг- ким материалам относятся: технически чистое железо, электролитические железо, крем- нистые стали (содержат 0,5—5% кремния), карбонильное железо, пермаллой - сплав железа с никелем; магнитомягкие ферриты — системы окислов железа, цинка, никеля, марганца и некоторых других металлов; магнитодиэлектрики — спрессованные мелкодисперсные по- рошки высокопроницаемых материалов с изолирующей связкой; альсиферы — тройные сплавы железа с кремнием и алюми- нием. Магнитотвердые материалы, напротив, имеют большую коэрци- тивную силу, высокие значения объемной плотности энергии, малую магнитную проницаемость. К магнитотвердым материалам относятся стали с высоким содержанием углерода; алнико — сплавы железа с алю- минием, никелем, кобальтом; магнитотвердые ферриты; викаллой — сплав железа с ванадием; соединения на основе редкоземельных элемен- тов — самария, празеодима и др. Кроме указанных групп магнитных материалов, все большее рас- пространение в технике находят магнитные материалы с цилиндриче- скими магнитными доменами, магнитострикционные, тонкопленочные, аморфные магнитные материалы, магнитные жидкости. Методика измерений Петлю гистерезиса при перемагничивании феррита можно полу- чить на экране осциллографа. Для этого нужно поместить исследуемый материал в переменное магнитное поле, на входные клеммы осцилло- графа по осям "X" и "Y" подать соответственно напряжения, пропорцио- нальные напряженности внешнего поля и магнитной индукции в ферритовом образце. Такой метод можно реализовать по схеме, изобра- женной на рис. 2. Здесь на ферритовом тороиде имеются две обмотки. Первичная обмотка питается переменным током от генератора Г через сопротив- ление Внутри этой обмотки напряженность магнитного поля ( ) ( ) 67 где — число витков в первичной обмотке; — длина пути маг- нитного потока в тороиде ( ); и — внешний и внутренний радиусы тороида). Напряжение подаваемое на вход "X" осциллографа с сопротив- ления , будет пропорционально ( )): ( ) ( ) Рис. 2. Схема для наблюдения петли гистерезиса: Г — генератор синусоидальных сигналов с частотой = ω 0 /(2π); T — ферритовый то- роид Во вторичной обмотке будет возникать ЭДС электромагнитной индукции: ( ) ( ) где Ф — поток вектора магнитной индукции В через витки вторичной обмотки. Если S — площадь одного витка, то ( ) ( ) ( ) ( ) Поскольку ЭДС индукции пропорциональна ( ) , то в схеме при- менена интегрирующая цепочка на резисторе и конденсаторе С. Такая цепочка интегрирует подаваемое на нее напряжение, если время переза- рядки конденсатора много больше периода колебаний сигна- ла, т.е. При выполнении условия ( ) — напряжение на кон- денсаторе пропорционально величине магнитной индукции В в тороиде. Таким образом, координаты электронного луча на экране осцилло- графа будут меняться пропорционально ( ) по оси Х и ( ) по оси Y. Поскольку ( ), то по изменению величины магнитной ин- дукции В мы можем судить о намагниченности М изучаемого образца; 68 отметим, что при Н = 0 остаточная индукция В oст с точностью до множи- теля μ 0 равна остаточной намагниченности М ocт Изменяя амплитуду тока I 1 в первичной обмотке, мы будем менять U х , а значит, и размеры петли гистерезиса, следовательно, для построе- ния кривой первоначального намагничивания необходимо зафиксиро- вать координаты вершин петель гистерезиса при различных амплитудах сигнала генератора и, перенеся их на график, последовательно соединить. Описание автоматизированного стенда Состав аппаратной части стенда Стенд выполнен на базе персонального компьютера, к которому подключается измерительный блок со сменными образцами магнитомяг- ких материалов (пермаллой, феррит 2000НМ). Измерительный блок включает в себя усилитель намагничивания (УН) и интегрирующий уси- литель (ИУ), которые используются соответственно для формирования напряженности магнитного поля и преобразования сигнала магнитной индукции в образце. Для ввода/вывода измерительной информации в ПК используется звуковая карта. С помощью ПК осуществляется управление измеритель- ным экспериментом и наблюдение результатов на экране монитора как в графическом виде (петли гистерезиса, временные зависимости напряжен- ности и индукции магнитного поля), так и в табличном. Магнитные преоб- разователи (МП) с образцами исследуемых материалов подключаются через гнезда, установленные на передней панели блока. Вставить МП в гнезда можно только в определенном положении, соответствующем пра- вильному подключению обмоток. Структурная схема стенда и принцип измерений ПК при помощи звуковой карты вырабатывает синусоидальное напряжение в диапазоне частот 40—1000 Гц. Переменное напряжение по- ступает на вход УН, к выходу которого подключена намагничивающая об- мотка МП. МП представляет собой образец исследуемого магнитного ма- териала в форме кольца с намотанными на него двумя обмотками: намагни- чивающей обмоткой 1 и измерительной обмоткой 2 (рис. 2). Напряжение с измерительного резистора подается на один из ли- нейных входов звуковой карты в ПК. Амплитуда напряженности поля устанавливается программно с помощью элемента регулировки в окне характериографа программного приложения. ЭДС, наводимая в измерительной обмотке 2 МП, пропорциональна производной от индукции магнитного поля В в исследуемом образце. Напряжение обмотки интегрируется ИУ, на выходе которого напряжение измерительного сигнала пропорционально уже непосредственно В. Напряжение с выхода ИУ подается на второй линейный вход звуковой 69 карты в ПК. Таким образом, в ПК поступает информация о напряженно- сти Н, индукции В магнитного поля в исследуемом образце, на основании этой информации осуществляется построение кривых намагничивания и расчет всех магнитных параметров материалов. Рабочее задание 1. По частным петлям гистерезиса постройте на экране монитора основную кривую намагничивания ( ) для феррита и пермаллоя. 2. Получите предельную петлю гистерезиса ( ) на заданной пре- подавателем частоте для феррита и пермаллоя. 3. Oпределите значения параметров предельной петли гистерезиса по графику кривой на экране монитора для феррита и пермаллоя. 4. Определите коэффициент прямоугольности петли К п для перм- аллоя. 5. Определите влияние на параметры петли гистерезиса частоты измерительного сигнала в диапазоне 40—1000 Гц для ферритового об- разца 6. Постройте графики относительной магнитной проницаемости µ(Н) для феррита и пермаллоя 7. Дайте качественную характеристику магнитных свойств иссле- дуемого материала. 8. Определите потери на гистерезис в ферритовом образце при ма- лых магнитных полях, пользуясь соотношением Рэлея и квадратичной аппроксимацией петли гистерезиса. Порядок проведения работы Измерение петли гистерезиса Лабораторная работа реализована в виде компьютерного стенда, функционирующего под управлением программы, обеспечивающей с помощью элементов экранного интерфейса управление отображением измерений и обработку результатов. Включите лабораторный стенд и компьютер. В появившемся меню загрузки компьютера выберите Microsoft Windows. Будет загружена операционная система Windows 98, под управлением которой работает программное обеспечение стенда Для запуска программы необходимо дважды кликнуть пиктограм- му Магнитные материалы на рабочем столе. Главное окно программы содержит меню со следующими пункта- ми: Измерение, Буфер обмена , Настройки , Отчет , Окно , Справка . Не- которые из них содержат подменю. Перед проведением измерений необ- ходимо выбрать исследуемый образец. Для этого , выберите подпункт Образец меню Настройки, выбрав в появившемся окне Параметры об- 70 разца название образца, кликнув мышью на записи с именем образца и нажав кнопку . Данные выбранного образца: площадь сечения, длина магнитного контура и числа витков обмоток образца используются в расчетах физических величин, отображаемых на экране. После выбора образца необходимо перейти к измерениям, выбрав пункт меню Измере- ние. При первом выполнении работы будет предложено выполнить тест. Появится окно Вопросы для самопроверки. Необходимо выбрать пра- вильный вариант ответа для каждого из вопросов. Выбор правильного варианта ответа осуществляется прокруткой возможных вариантов нажа- тием стрелок-треугольников вправо-влево с последующим подтвержде- нием нажатием кнопки Да. Если правильный вариант ответа отсутствует, то необходимо выбрать вариант ответа Нет. Если попытка сдачи теста не завершена успешно, то предлагается пересдать тест. После успешной сдачи теста появится окно Измерение, в котором отображается кривая перемагничивания (петля гистерезиса). В левой части окна имеются пе- реключатели Частота выбора частотного диапазона измерений и эле- менты регулировки значений частоты Част. и амплитуды Ампл. маг- нитного напряженности магнитного поля. При изменении амплитуды сигнала автоматически изменяется масштаб по осям В и Н в окне изме- рения. Автоматическое изменение масштаба можно отключать и вклю- чать. Для этого используется кнопка на панели инструментов. Результаты измерения следует сохранить в базе данных, нажав кнопку (запись измерений), при этом на экране монитора появляется окно с сообщением Сохранение данных. Измерение временных характеристик напряженности поля и индукции С помощью специальных настроек в окне измерений помимо кри- вой перемагничивания можно также отображать временные зависимости H(t), B(t). Для переключения между этими двумя режимами использу- ется кнопка на панели инструментов. Для изменения вида характеристик через контекстное меню подве- дите курсор мыши к окну отображения кривой перемагничивания и нажмите правую кнопку. В появившемся меню выберите команду Вид. Измерение основной кривой намагничивания Основная кривая намагничивания строится по значениям точек максимума и минимума частных петель гистерезиса, поэтому измерения проводят следующим образом: - выберите пункт меню Измерение; 71 - зафиксируйте предельную петлю гистерезиса, задавая амплитуду магнитного поля, предельная петля характеризуется малым изменением индукции при изменении напряженности магнитного поля; - уменьшайте амплитуду напряженности магнитного поля и фик- сируйте координаты вершин частных петель с помощью кнопки (фиксация точки) панели инструментов. Для фиксации точки с помощью контекстного меню подведите курсор мыши к окну отображения кривой намагничивания и кликните правой кнопкой. В появившемся кон- текстном меню выберите команду Фиксация точки; - зафиксируйте 10—15 вершин петель гистерезиса (чем больше зафиксированных точек, тем более точной получается основная кривая). Зафиксируйте точку при нулевой амплитуде сигнала, чтобы кривая начиналась из начала координат. Не забудьте сохранить полученные ре- зультаты в базу данных с помощью кнопки (запись измерений). Просмотр и анализ результатов измерений из базы данных После того как проведены и сохранены в базе данных результаты измерений, переходим к анализу результатов измерений. Отобразите ок- но базы данных, выбрав команду |