|
|
Тема 23. ЭТМ - ЛР (2). Учебнометодическое пособие по лабораторным работам для студентов направления 11. 03. 04 Электроника и наноэлектроника
Лабораторная работа № 2. Измерения параметров магнитных материалов.
1. Цель работы
Целью работы является изучение методики расчета основных характеристик и исследования свойств магнитных материалов, а также физических процессов, связанных с магнетизмом.
2. Теория. Влияние магнитного поля на свойства ферромагнетика
Производство электроэнергии, ее преобразование, измерение и применение в значительной степени связано с использованием магнитных материалов.
Под магнитными материалами (ферромагнетиками) в технике подразумевают такие материалы, которые обладают высокой магнитной проницаемостью и в достаточно сильных полях высокой индукцией. Для них часто также характерна способность сохранять намагниченность и после того как внешнее поле прекратит свое действие.
При внесении магнитного материала в магнитное поле напряженностью Н происходит его намагничивание. В этом случае магнитный материал характеризуется намагниченностью j или индукцией В.
Чаще всего магнитная индукция В выражается в зависимости от намагничивающего поля соотношением:
В=µ·Н,
где µ = f(H) - относительная магнитная проницаемость, определяемая по экспериментальной кривой намагничивания.
На рис.1 даны зависимости В = f(H) и µ = f(H) для особо чистого железа (кривая 1) и для технически чистого железа (кривая 2).
В системе СИ:
где μ0 = 4 к · 10-7 Гн/м - магнитная постоянная вакуума.
Магнитная проницаемость μ (рис.1б) определяется по основной кривой намагничивания (рис. 1а) как отношение величины индукции В к значению напряженности магнитного поля Н в данной точке кривой намагничивания.
Рисунок 1- Зависимости В = f(H) (а) и µ = f(H) (б) для особо чистого железа(1) и для технически чистого железа(2)
Магнитная проницаемость μ при Н = 0 называется начальной проницаемостью. Она определяется в очень слабых полях (Н
0,08 А/м).
Наибольшее значение магнитной проницаемости называется максимальной проницаемостью µmах.
При сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость стремиться к единице.
При анализе вопросов, связанных с одновременным действием на магнитный материал постоянного H0 и переменного H
магнитных полей и при H
<< H0 пользуются дифференциальной проницаемостью:
При воздействии на магнитный материал переменного магнитного поля он будет перемагничиваться, причем перемагничивание из-за инерционности магнитных процессов происходит с запаздыванием. Процесс перемагничивания магнитного материала характеризуется петлеобразной кривой, выражающей зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля и называемой циклом (петлей) гистерезиса. Форма этой кривой для данного материала зависит от максимального значения напряженности намагничивающего поля (рис. 2).
Наибольший цикл магнитного гистерезиса в условии насыщения называется предельным циклом магнитного гистерезиса (рис. 2, кривая 1).
Основными параметрами предельного цикла магнитного гистерезиса являются:
максимальная индукция Bm (Bs) - значение индукции, достигаемое при намагничивании до насыщения;
остаточная индукция Вг - значение индукции при Н=0 в процессе размагничивания образца, намагниченного до насыщения;
задерживающая (коэрцитивная) сила Нс - напряженность ноля, при которой образец полностью размагничивается.
Геометрическое место вершин гистерезисных циклов, полученных при различных значениях напряженности поля (рис.6.2, кривые 3, 4, 5, 6), дает основную кривую намагничивания (рис.2, кривая 2).
Рисунок 2. Гистерезисные петли при различных предельных значениях
напряженности внешнего магнитного поля
Чем выше коэрцитивная сила, т.е. чем шире цикл гистерезиса, чем труднее идет процесс перемагничивания, тем больше рассеивается при этом энергии, потери которой в единице массы магнитного материала за один цикл перемагничивания численно равны площади, ограниченной кривой гистерезисного цикла:
Pг=Sпетли=∫HdB.
При намагничивании магнитного материала переменным полем петля гистерезиса, характеризующая затраты энергии за один цикл перемагничивания, расширяется (увеличивает свою площадь) за счет возникновения потерь на гистерезис Рг, на вихревые токи Рв и на дополнительные потери Рд.
Потери на гистерезис при частоте перемагничивания f определяются по формуле:
где V- плотность материала, кг/м3.
Потери на вихревые токи зависят не только от магнитных, но и от электрических свойств материала (удельного сопротивления) и формы сердечника.
Дополнительные потери нельзя рассчитать аналитически, они определяются как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи:
РД = Р-(Р+РВ).
Магнитные материалы разделяются на магнитомягкие, магнитотвердые и материалы специального назначения.
Характерными свойствами магнитомягких материалов являются их способность намагничиваться до насыщения уже в слабых полях (высокая магнитная проницаемость) и малые потери на перемагничивание.
Магнитотвердые материалы (материалы для постоянных магнитов) имеют большую остаточную индукцию Вг и коэрцитивную силу Нс.
Следовательно, магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса и небольшую коэрцитивную силу, а магнитотвердые - широкую петлю с большой коэрцитивной силой.
Для современных магнитомягких материалов - Нс < 800 А/м (10Э), для магнитотвердых - Нс > 4000 А/м (50Э).
К группе магнитных материалов специального назначения относятся материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для СВЧ, магнитострикционные, термомагнитные и некоторые другие.
3. Программа работы
1.Изучить методическое указание для работы с генератором звуковых частот (ЗГ).
2.Изучить методические указания для работы с осциллографом.
3.Познакомиться с установкой для выполнения работы и методикой измерения магнитных характеристик.
4.Получить осциллограммы гистерезисного цикла в координатах В, Н при различных предельных значениях напряженности внешнего магнитного поля.
Построить основную кривую намагничивания исследуемого образца.
Нанести масштабы на координатные оси.
7.Определить максимальную Вт и остаточную Вг- индукции, коэрцитивную силу Нс, начальную μн, статическую и дифференциальную магнитные проницаемости, а также удельные потери Руд.
8.Сделать письменно выводы по проделанной работе.
4. Описание установки для исследования свойств магнитных материалов.
На рис. 3 дана принципиальная схема лабораторной установки, а на рис.4 - ее упрощенная схема.
Испытуемый магнитный материал имеет форму кольца, на которое намотана первичная W1 и вторичная W2 обмотки. На первичную обмотку через сопротивление R, подается переменное напряжение с генератора звуковых частот ЗГ.
Рисунок 3- Принципиальная электрическая схема лабораторной установки
Рисунок 4 - Упрощенная схема лабораторной установки
Напряженность магнитного поля в испытуемом образце Н пропорциональна току в намагничивающей обмотке W1. Следовательно, напряжение на активном сопротивлении Rl пропорционально напряженности магнитного поля. Это напряжение подается на горизонтально отклоняющиеся пластины электронного осциллографа (ЭО).
Под действием магнитного поля в обмотке W2 возникает эдс Е2. С конденсатора C1 напряжение, пропорциональное Е2, подается на вертикально отклоняющиеся пластины осциллографа.
Напряжение на конденсаторе:
 ,
где С1 - емкость конденсатора интегрирующей цепочки; i - ток в интегрирующей цепочке.
При R2 >>1/ ω·С ток i ≈ E2/R2 , ЭДС вторичной обмотки
E = W2S(dB/dt),
где S - сечение магнитопровода тороидального трансформатора. При подстановке в формулу значения Е2 получим:
т.е. напряжение на конденсаторе пропорционально индукции в образце магнитного материала.
Если на вертикально и горизонтально отклоняющиеся пластины электронного осциллографа напряжения подаются одновременно, то на его экране изображается кривая зависимости магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н, т.е. на экране осциллографа можно наблюдать гистерезисный цикл испытуемого магнитного материала.
Геометрическое место вершин гистерезисных циклов, полученных при
различных значениях напряженности поля, дает основную кривую намагничивания.
Для измерения магнитных свойств материала с генератора звуковых частот ЗГ переменное напряжение через сопротивление подается на первичную обмотку W1 тороидального трансформатора Т, магнитопроводом которого является испытуемый магнитный материал (рис.3).
С сопротивления R1 напряжение, пропорциональное току первичной обмотки, через контакты 5,4 переключателя П подается на горизонтально отклоняющиеся пластины «X» осциллографа.
Со вторичной обмотки W2 трансформатора Т напряжение подается на интегрирующую цепочку C1R2, параметры которой изменяются переключателями S1, S2, конденсатора С напряжение подается на отклоняющиеся пластины «Y» осциллографа. При этом на экране осциллографа будет изображен гистерезисный цикл.
Для определения масштаба по осям В и Н необходимо выполнить калибровку полученного сигнала, т.е. калибровку осциллографа. Порядок выполнения калибровки изложен в инструкции по эксплуатации осциллографа и в методике работы с осциллографом (методика прилагается). Следует помнить, что при калибровке сигнала по входу «Y» переключатели S1 иS2 необходимо поставить в положение «О», чтобы интегрирующая цепочка не шунтировала вход «Y» осциллографа.
5. Указания к выполнению работы
Перед началом измерений на генераторе звуковых частот ручку плавной регулировки напряжения установить в положение «минимальное напряжение», ручку ΔdВ в положение 0, тумблер «внутренняя нагрузка» в положение «выключено», ручку «множитель» - в положение1.
Подготовка осциллографа к работе, органы управления и работа с осциллографом изложены в «Методике работы с осциллографом».
Подключить к схеме трансформатор с испытуемым образцом.
Подать питание на генератор звуковых частот и осциллограф и дать им
прогреться в течение 3-5 минут.
Подготовить осциллограф для работы - отрегулировать яркость и фокусировку луча и установить его в центре экрана.
По указанию преподавателя установить необходимую частоту генератора звуковых частот и переключателями St и S2 выбрать параметры интегрирующей цепочки.
Увеличивая выходное напряжение генератора звуковых частот и подбирая усиление по каналам «X» и «У» осциллографа, добиться получения на экране изображения предельного гистерезисного цикла. Изображение гистерезисной петли по горизонтали и вертикали должно быть таким, чтобы координаты вершин петли были равны 40-50 мм.
При дальнейших измерениях ручки усиления по каналам «X» и «У» остаются в одном положении.
Перевести на кальку изображение предельного гистерезисного цикла.
Для снятия основной кривой намагничивания необходимо постепенно уменьшить напряжение на выходе генератора звуковых частот от максимального значения до нуля. На той же кальке отмечать вершины гистерезисных петель через каждые 3-5 мм. Не снимая кальки с экрана, изобразить на ней координатные оси.
Для определения масштаба координатных осей выполняется калибровка осциллографа.
М
асштаб по горизонтальной оси вычисляется по формуле, (А/мм дел.):
где W1 - число витков намагничивающей обмотки;
Uh – чувствительность осциллографа по оси «Н», [В/дел];
Rt - величина сопротивления, Ом;
lср- средняя длина силовых линий магнитного поля, м.
М
асштаб по вертикальной оси вычисляется по формуле, (Тл/дел.):
где W2 - число витков измерительной обмотки;
UB - чувствительность осциллографа по оси «В», [В/дел.];
С1- емкость конденсатора интегрирующей цепочки, Ф;
R2 - величина сопротивления интегрирующей цепочки, Ом;
S-площадь сечения магнитопровода, м2.
Нанести масштаб на координатные оси.
По полученной предельной петле гистерезиса и по основной кривой намагничивания определить Вм, Вr, Нс, дифференциальную магнитную проницаемость µr, µrнач, µгmах, Руд - удельные потери, которые рассчитываются по формуле, (Вт/кг):
г
де Sn - площадь петли гистерезисного цикла, дел2; D - плотность материала, кг/м3;
f- частота, Гц.
Площадь петли определить, как минимум двумя различными способами с той точностью, которую удастся достичь (способы выбрать самостоятельно). Например, в качестве одного из способов можно использовать формулу Пика. Для увеличения точности рекомендуется разделить клетки экрана осциллографа на меньшие части (например, на четвертики). Результаты способов сравнить между собой.
6. Содержание отчета
Цель работы.
Программа работы.
Описание лабораторной установки и методики проведения опыта.
Краткое изложение последовательности выполнения работы и полученных результатов в виде графиков.
Теоретические и практические выводы, вытекающие из анализа полученных результатов.
7. Вопросы для самоконтроля
Перечислите основные характеристики магнитных материалов. Какова их размерность?
Как влияют различные факторы на основные характеристики магнитных
материалов?
Чем отличаются магнитомягкие материалы от магнитотвердых?
Где применяются магнитные материалы?
От каких факторов зависят потери в магнитных материалах, какие применяются меры для уменьшения потерь?
Как зависят характеристики магнитного материала от частоты магнитного поля?
Какими процессами обусловлены потери в магнитных материалах?
9. Изобразите на рисунке магнитное поле и путь индуцированных токов в магнитопроводе испытуемого образца?
Как по основной кривой намагничивания определяются µaµmax и µдиф?
Рекомендуемая литература
Богородицкий, Н.П. Электротехнические материалы / Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. – Ленинград : Энергия, 1977. – 352 с.
Пасынков, В.В. Материалы электронной техники / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. – М. : Высш. шк., 1986. – 367 с.
|
|
|
Скачать 0.67 Mb.