Териалы электронной техники

• Название: Териалы электронной техники
• Дата: 02.03.2022
• Размер: 2.56 Mb.
• Имя файла: MET_docx.doc
• Тип: Практикум; #379289
• страница: 9 из 10

6.3.3. Исследование зависимости реверсивной диэлектрической

проницаемости от напряженности постоянного электрического поля

Установить переключатель S3 в положение V.

Включить милливольтметр PV2.

Регулятором PV1 установить переменное напряжение на выходе генератора G1, равное 10 В.

Переключатель S2 перевести в положение 2, т. е. подключить генератор постоянного напряжения G2.

Изменяя регулятором «U ₌» напряжение на выходе генератора G2 по вольтметру PV2 через 50 В от нуля до максимального значения, измерить с помощью милливольметра PV3 соответствующие значения падения напряжения U_З на эталонном конденсаторе C₀₂. Данные занести в табл. 6.2.
Таблица 6.2

U2, B	Е2, MB/m	U1 = 10 B			U1 = 25 B
		UЗ, В	Ср, Ф	εр	UЗ, В	Ср, Ф	εр

Повторить измерения при значении переменного напряженияU1 на выходе генератора G1, равном 25 В.

Выключить генератор G2.

6.3.4. Исследование температурной зависимости начальной

диэлектрической проницаемости

Переключатель S3 перевести в положение «Т». Регулятор «Установка температуры» должен находиться в крайнем левом положении. Измерить температуру конденсатора С_02.

Установить по вольтметру PV1 переменное напряжение на выходе генератора G1, равное 5 В и измерить напряжение на конденсаторе С₀₂ с помощью милливольтметра PV3 .

Перевести регулятор «Установка температуры» в следующее положение и после стабилизации температуры (в течение 2–3 мин) повторить измерения. Далее продолжить измерения при всех положениях регулятора «Установка температуры».

Записать результаты измерений в табл. 6.3.

Таблица 6.3

t, °C	U3, мB	Cнач, Ф	нач

После снятия температурной зависимости диэлектрической проницаемости регулятор «Установка температуры» вернуть в крайнее левое положение, выключить термостат и измерительную установку (переключатель S3 перевести в положение « U₌») , милливольтметр PV3 выключить).

6.4. Обработка результатов

1. По данным п. 6.3.1 определить масштабы горизонтальной и вертикальной осей развертки осциллографа по формулам:

,

где – амплитудное значение приложенного напряжения, U₁ – действующее значение напряжения, установленное по вольтметру РV1, X– отклонение по горизонтальной оси;

,

где Q₀₂– заряд на обкладках конденсатора С₀₂ , Y – отклонение по вертикальной оси, – напряжение на конденсаторе С₀₂.

Значение емкостей C₀₁и С₀₂ указаны на испытательном стенде.

2. По данным п. 6.3.2 вычислить максимальные значения напряженности электрического поля и соответствующие им заряды по формулам:

;

,

где h – толщина сегнетоэлектрика.

Толщина сегнетоэлектрика h и площадь электродов S_э сегнетоэлектрического конденсатора указаны на испытательном стенде.

Результаты расчетов занести в табл.6.1 и построить основную кривую заряда сегнетоэлектрического конденсатора в виде зависимости Q_x = f(E_1max).

3. Вычислить значения емкости С_ст при различных напряжениях, а затем статической диэлектрической проницаемости ε_ст, используя следующие формулы:

;

,

где ε₀ = 8,85 ^. 10⁻¹² Ф/м – электрическая постоянная.

Результаты расчетов занести в табл.6.1 и построить зависимость статической диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля в виде кривой .

4. По данным п. 6.3.3 вычислить емкость С_р, реверсивную диэлектрическую проницаемость ε_p и напряженность постоянного электрического поля Е₂ по формулам:

; ; ,

где U₂ – постоянное напряжение смещения на сегнетоэлектрическом конденсаторе.

Результаты занести в табл.6.2 и построить зависимость реверсивной диэлектрической проницаемости от напряженности постоянного электрического поля ε_р = f(Е₂) при неизменных значениях амплитуды переменного поля E_1m.

5. По данным п. 6.3.4 вычислить емкость С_нач и начальную диэлектрическую проницаемость _нач по формулам:

;

,

где h и S_э – размеры исследуемого конденсатора.

Результаты занести в табл.6.3 и построить температурную зависимость начальной диэлектрической проницаемости ε_нач = f( ). По максимуму этой зависимости определить температуру Кюри исследуемого сегнетоэлектрического материала.

6.5. Контрольные вопросы

1. 
   Каковы основные свойства сегнетоэлектрических материалов?
   
2. 
   Назовите области применения сегнетоэлектриков.
   
3. 
   Почему на экране осциллографа можно наблюдать зависимость Q= f(U) для исследуемого сегнетоэлектрического конденсатора?
   
4. 
   Какие параметры сегнетоэлектрика можно определить по виду петли гистерезиса?
   
5. 
   Что называют точкой Кюри? Почему в точке Кюри диэлектрическая проницаемость максимальна?
   
6. 
   Что характеризует площадь петли гистерезиса? Как она изменится при увеличении температуры?
   
7. 
   Объясните ход зависимостей , .
   

7. 
   ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
   

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследование основных магнитных свойств электротехнической стали, железо-никелевого сплава (пермалоя) или нанокристаллического сплава на основе железа.

7.1. Основные понятия и определения

К ферромагнитным относят материалы с большой положительной магнитной восприимчивостью k_м, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля H и температуры T.

Ферромагнетикам присуща в интервале температур от 0 К до температуры Кюри Т_K спонтанная (самопроизвольная) намагниченность и их особые свойства обусловлены доменным строением.

Для осуществления спонтанной намагниченности необходимо выполнение, по крайней мере, двух условий:

• 
  в состав материала должны входить атомы или ионы металлов, имеющих не полностью заполненные внутренние, например 3d, электронные оболочки, создающие нескомпенсированный спиновый момент атома (иона) (к таким металлам относятся железо, никель, кобальт и др.);
  
• 
  структура материала или взаимное расположение атомов должны быть такими, чтобы силы обменного взаимодействия между этими атомами (ионами) приводили к взаимному упорядочению их магнитных моментов.
  

В ферромагнетиках упорядочение соответствует параллельной ориентации магнитных моментов. При этом можно говорить о спонтанной намагниченности материала, т. е. о суммарном магнитном моменте единицы объема, который определяется видом атомов (ионов) с их специфической величиной магнитного момента и количеством атомов (ионов) в единице объема, определяемом структурой материала.

В отсутствии внешнего магнитного поля состояние, при котором вектор спонтанной намагниченности имел бы во всем образце ферромагнетика одно направление, энергетически не выгодно, так как оно привело бы к большому рассеянию магнитного потока в окружающее пространство, поэтому ферромагнетик самопроизвольно разбивается на отдельные макрообласти (домены), имеющие размеры порядка единиц микрометров.

Внутри каждого домена магнитные моменты атомов имеют одинаковое направление, а моменты отдельных доменов ориентированы друг относительно друга по-разному, так что магнитный поток замкнут внутри ферромагнетика, а суммарный магнитный момент является скомпенсированным и равен нулю.

Соседние домены с различной ориентацией магнитного момента разделены доменными границами, в которых направление спиновых моментов изменяется плавно. Границы (стенки) доменов располагаются и закрепляются, как правило, в местах дефектов, присутствующих в ферромагнетике: (поры, немагнитные включения, границы кристаллитов и т. д.).

При воздействии на ферромагнетик внешнего магнитного поля происходит перестройка его доменной структуры, что и приводит к намагничиванию ферромагнетика (появлению нескомпенсированного магнитного момента единицы объёма). (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Схема изменения доменной структуры и ориентации спиновых магнитных моментов на различных стадиях намагничивания ферромагнетика

Важнейшим свойством ферромагнетиков является нелинейная зависимость магнитной индукции В от напряженности внешнего магнитного поля Н. Эту зависимость называют начальной кривой намагничивания ферромагнетика, так как она снимается из размагниченного состояния при монотонном увеличении H (рис. 7.2).

Рис.7.2. Характерные зависимости магнитной индукции В и магнитной проницаемости μст ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля H

На начальном участке кривой намагничивания (I) наблюдается монотонное возрастание магнитной индукции вследствие преобладания процессов обратимого смещения доменных границ. Доменные стенки «упруго прогибаются», как парус. При этом происходит увеличение объема тех доменов, направления магнитных моментов которых образуют наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля

В области более сильных магнитных полей смещение доменных границ приобретает необратимый характер. Доменные стенки под воздействием внешнего поля «срываются с мест закрепления». Здесь кривая намагничивания (II) 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. (III) При этом доменные границы практически исчезают. Когда все магнитные моменты атомов ориентируются вдоль поля, наступает магнитное насыщение (IV).

Приняв во внимание, что B= μ₀μ₀H, по начальной кривой намагничивания ферромагнетика строится зависимость статической магнитной проницаемости μ_ст от напряженности магнитного поля H. Величину статической магнитной проницаемости определяют по формуле
μ_ст = B/(μ₀H), (7.1)

где μ₀ = 4π ^.10⁻⁷ Гн/м – магнитная постоянная.

При увеличении напряженности магнитного поля магнитная проницаемость сначала растет, что связано с увеличением относительного изменения объемов соседних доменов за счет смещения доменных границ и за счет возрастания вклада процессов вращения векторов намагниченности. Далее она достигает максимального значения μ_max и затем уменьшается вследствие насыщения магнитной индукции.

Если после намагничивания образца до насыщения величину внешнего магнитного поля медленно уменьшить до нуля, то индукция в нуль не обратится, а примет значение В_r, которое называют остаточной индукцией (рис. 7.3). Чтобы довести магнитную индукцию до нуля, необходимо приложить поле противоположного направления с напряженностью, называемой коэрцитивной силой Н_c. В зависимости от численного значения Н_c, ферромагнетики делят на магнитомягкие (ММ) и магнитотвердые (МТ):

H_{c MM} < H_{c MT}.

Остаточная индукция и коэрцитивная сила являются параметрами статической предельной петли гистерезиса (ПГ), которую получают при медленном циклическом перемагничивании намагниченного до насыщения образца ферромагнетика.

Совокупность вершин статических ПГ, соответствующих разным Н_m, образуют основную кривую намагничивания.

Площадь статической ПГ характеризует потери энергии на гистерезис Э_г, обусловленные необратимыми процессами смещения доменных границ и вращения векторов намагниченности в единичном цикле перемагничивания. При достаточно быстром изменении Н по величине и знаку (при высокой частоте перемагничивания) 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 Э_вт.

Можно считать величину Э_г практически постоянной в достаточно широком диапазоне частот, в то время как величина Э_вт возрастает пропорционально частоте.

Мощности потерь на гистерезис и на вихревые токи в единице массы образца описываются соответственно формулами:

;	(7.2)
где - коэффициент, зависящий от свойств материала; - максимальная индукция, достигаемая в данном цикле; - показатель степени от 1.6 до 2 для различных материалов; - коэффициент, зависящий от удельной проводимости ферромагнетика и формы образца; - частота изменения магнитного поля.

При высоких частотах заметный вклад в мощность потерь вносят потери на вихревые токи. Вихревые токи возникают в ферромагнитном материале под действием ЭДС самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока. Величина вихревых токов зависит от удельного сопротивления материала.

Для снижения высокочастотные магнитные материалы должны иметь высокое сопротивление.

Рис.7.3. Петли гистерезиса и основная кривая намагничивания ферромагнетика	Рис. 7.4. Распределение вихревых токов в поперечном сечении ферромагнитного сердечника

Для металлических ферромагнетиков характерно уменьшение измеряемой величины магнитной проницаемости от частоты, наблюдаемое на достаточно низких частотах, когда инерционность процессов намагничивания еще не проявляется. Это объясняется размагничивающим действием вихревых токов.

Вихревые токи, индуцируемые в ферромагнитном сердечнике, создают, в соответствии с законом Ленца, собственный размагничивающий поток магнитной индукции Ф_разм, находящийся в противофазе с основным потоком Ф (рис. 7.4).

Плотность потока, создаваемого вихревыми токами, максимальна в центре сердечника и равна нулю на поверхности его. Поэтому результирующая магнитная индукция убывает от поверхности вглубь сердечника.

Относя измеренный поток ко всему сечению сердечника, мы определяем некоторое эффективное значение индукции при данной частоте и соответствующее ему эффективное значение магнитной проницаемости μ_эф.

В настоящей работе проводится исследование основных магнитных свойств электротехнической стали, железо-никелевого сплава (пермаллоя), сведения окоторых изложены в [2] и нанокристаллического магнитомягкого сплава на основе железа (по выбору преподавателя).

Нанокристаллическая структура образуется в результате кристаллизации твёрдого аморфного сплава железа с химическими добавками с образованием зёрен порядка 10 нм. Сплав, в котором достигается максимальное значение магнитной проницаемости, имеет примерный состав ,. Наличие бора и кремния способствует получению аморфной структуры в процессе быстрой закалки расплава. Медь увеличивает число центров кристаллизации при термоотжиге аморфного сплава, а ниобий сдерживает рост зародышей кристаллизации. Добавка молибдена способствуют образованию на поверхности ленты магнитопровода защитных слоев , .

Магнитопровод изготавливают путём сверхбыстрого охлаждения расплава, поступающего в зазор между вращающимися цилиндрическими валками. Толщина ленты составляет 25 мкм. После навивки ленты (кольцевого магнитопровода) проводится термический отжиг при температуре , вызывающей нанокристаллизацию. Затем кольцевой магнитопровод помещают в защитный контейнер (капролон), препятствующий механической деформации, способной ухудшить свойства материала.

Наноструктурированные материалы характеризуются высокой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях, достигающей μ = 100 000, малой коэрцитивной силой , а значит, малыми потерями на перемагничивание, и высокой индукцией насыщения B_m. В сравнении с электротехнической сталью и пермаллоем в нанокристаллическом сплаве начало спада магнитной проницаемости происходит на более высокой частоте.

7.2. Описание установки

Испытания свойств ферромагнитных материалов проводятся на установке, схема которой приведена на рис. 7.5.

Установка состоит из испытательного модуля (выделен штриховкой), генератора G синусоидальных сигналов звуковой частоты, милливольтметра PU переменного напряжения и осциллографа N.

Испытуемый материал изготовлен в виде тороидального сердечника, на который нанесены две обмотки: первичная с числом витков w₁ и вторичная с числом витков w₂.

Рис. 7.5. Схема установки для исследования магнитных свойств материалов

На пластины горизонтального отклонения осциллографа (вход канала Х) подается напряжение, снимаемое с резистора R_т (U_X = U_R). Это напряжение пропорционально току I, протекающему в обмотке w₁ следовательно, пропорционально и напряженности магнитного поля Н.

Напряженность магнитного поля вычисляется по выражению

, (7.3)

где 2πr_ср – средняя длина линий напряженности поля.

На вертикальный вход осциллографа (вход канала Y) подают напряжение U_Y = U_C, снимаемое с конденсатора С_и интегрирующей цепочки (R_и,С_и), которое определяется выражением:

, (7.4)

где i_и – ток в интегрирующей цепочке.

Если

, то ,

где Е₂ – ЭДС во вторичной обмотке.


Согласно закону Ленца –

,

где S – сечение образца.

В этом случае формула (7.4) принимает следующий вид:
, (7.5)
т. е. U_C = U_Y пропорционально индукции в образце. Тогда
(7.6)
При одновременном приложении напряжений U_R и U_С к пластинам осциллографа на его экране можно наблюдать ПГ, характеризующую зависимость В(Н).

Для исследования частотной зависимости μ_эф в образце создается слабое магнитное поле, соответствующее начальному участку кривой намагничивания. Значение напряженности магнитного поля контролируется по величине напряжения U_R на резисторе R_т.

Измеряя напряжение на входе схемы U_вх, можно найти величину напряжения U_L на катушке индуктивности с исследуемым сердечником.
7.3. Проведение испытаний

7.3.1. Подготовка к испытаниям

Включите питание генератора, осциллографа и милливольтметра. Осциллограф установите в режим работы характериографа (X−Y). Установите частоту сигнала, снимаемого с генератора, равную 50 Гц.

Установите масштабы осей на экране осциллографа в соответствии с указаниями, приведенными на стенде. Запишите эти масштабы и и в дальнейшем их не менять.

Плавно увеличивая сигнал, получите на экране осциллографа изображение, развернутое по оси Х на 4 деления относительно центра, получив предельную петлю гистерезиса.

Зарисуйте полученную петлю на кальку, отметив положение осей X и Y и деления по осям.

2. 
   Исследование основной кривой намагничивания
   

При помощи регулятора выходного напряжения генератора постепенно уменьшайте напряженность магнитного поля в образце от максимального значения, соответствующего 4 деления по оси X,до нуля черезΔH , которая соответствует половине деления сетки экрана осциллографа. Отсчитайте ординаты

по оси Y вершин наблюдаемых гистерезисных циклов. Полученные значения X и Y для каждого гистерезисного цикла записывайте в табл. 7.1.

Таблица 7.1

X, дел.	UХ, В	Hm, А/м	Y, дел.	UY, В	Bm, Тл	μст

Зарисуйте на кальку семейство петель гистерезиса при различных значениях X.

7.3.3. Исследование частотной зависимости магнитных потерь

На частоте 50 Гц зарисуйте на кальку предельную петлю гистерезиса (изображение, развернутое по оси Х на 4 деления относительно центра). Установите частоту генератора 200 Гц и амплитуду сигнала с генератора, соответствующую насыщению образца (4деления по оси Х). Зарисуйте петлю гистерезиса на ту же кальку, совмещая оси. Аналогично зарисовать петли гистерезиса на частотах 400, 600 и 800 Гц, устанавливая такую же амплитуду сигнала генератора (4 деления по оси Х).
7.3.4. Исследование частотной зависимости эффективной магнитной

проницаемости

Провести измерения при частотах 50, 75, 100, 150, 200, 400, 600 и 800 Гц следующим образом. На каждой частоте при положении переключателя S, соответствующем U_R, установить сигнал, при котором U_R= 30 мВ (контролируется внешним милливольтметром).

Таблица 7.2

f, Гц	UR, мВ	Uвх, мВ	L, Гн	μэф

Переключив S в положение U_ВХ, измерить величину входного напряжения. Результаты записать в табл.7.2. По окончании работы выключить макет, генератор, осциллограф и милливольтметр.

7.4. Обработка результатов

1. По данным п. 7.3.2 рассчитать значения U_Х и U_Y , используя масштабы осей осциллографа и по осям X и Y.

По формулам (7.3) и (7.6) вычислить напряженность поля H_m и магнитную индукцию в образце при R_т = 10 Ом; γ_ср = 0,021 м; w₁=100; w₂ = 1330; C_и= 10⁻⁶ Ф; R_и = 300 кОм; S = 1∙10⁻⁴ м^–2.

Найти статическую магнитную проницаемость по формуле (7.1).

Результаты расчетов занести в табл. 7.1.

2. По полученным данным построить на одном графике основную кривую намагничивания В_m(Н_m) и зависимость статической магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля μ_ст(Н_m) для исследованного ферромагнитного материала.

3. По данным, полученным в п. 7.3.3, определив площади предельных петель гистерезиса на разных частотах, рассчитать соответствующие им значения энергии магнитных потерь в единице массы ферромагнитного материала за один цикл перемагничивания по формуле :

Э = , (7.7)

где d – плотность исследуемого материала (для электротехнической стали d = 7700 кг/м³, для пермаллоя d = 8600 кг/м³, для нанокристаллического сплава d = 7500 кг/м³), S_п, мм²– площадь ПГ (ее можно найти, наложив кальки с петлями гистерезиса на миллиметровую бумагу),

;

,

где и – масштабы осей осциллографа по осям X и Y.

Результаты расчетов занести в табл.7.3.

Таблица 7.3

f, Гц	Sп, мм2	Э, Дж/кг	Эг, Дж/кг	Эвт, Дж/кг	Pг, Вт/кг	Pвт, Вт/кг