C
f T
для сегнетоэлектрического конденсатора
43 7. Где применяются материалы, исследованные в работе каковы их электрические и физико-механические свойства 8. Какие из материалов, исследованных в работе, можно отнести к высокочастотным диэлектрикам 6. АНАЛИЗ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В КОНДЕНСАТОРАХ РЕЗОНАНСНЫМ МЕТОДОМ Цель работы изучение влияния диэлектрических потерь энергии в конденсаторе на частотную избирательность колебательного контура. 6.1. Основные понятия и определения При измерениях диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь на промышленной и звуковых частотах обычно используют мостовые схемы, а для измерений в диапазоне радиочастот наибольшее распространение получили резонансные методы. Существует несколько разновидностей резонансных методов измерения tg δ, различающихся по способу измерения добротности. Добротность Q является характеристикой резонансных свойств колебательного контура и равна отношению колебательной (реактивной) мощности, запасенной в контуре, к мощности потерь. Фактически добротность является величиной, обратной tg δ колебательной системы. Резонансный анализатор потерь энергии в конденсаторах представляет собой колебательный контур, составленный из индуктивности L и параллельно включаемого с ним одного из трех исследуемых конденсаторов С, С2 или С емкостью 100 пФ ± 10 % , отличающихся свойствами рабочего диэлектрика (рис. 6.1). Рис. 6.1. Схема резонансного анализатора потерь Возбуждение колебаний в контуре производится электромагнитным полем от катушки генератора высокочастотных колебаний, удаленного отколе бательного контура для обеспечения минимальной взаимосвязи. Частота генератора f может изменяться от 9,25 до 10,75 МГц. Наводимое в контуре переменное напряжение измеряется милливольтметром. Включив один из исследуемых конденсаторов и изменяя частоту f, можно снять амплитудно-частотную характеристику колебательного контура. Ее типичный вид представлен на рис. 6.2. Резонансной частоте f0 соответствует максимальная амплитуда напряжения max U. При отклонении частоты от резонансной в сторону уменьшения или увеличения наблюдается спад амплитуды. При этом разность частот f = f2 – f1 , соответствующих спаду амплитуды до уровня 0,7 max U (рис. 6 2), позволяет оценить добротность колебательного контура Q: Q = f0 / f. (6.1) Важно отметить, что индуктивность колебательного контура изготовлена из восьми витков медной проволоки большего диаметра, а измеряемое на контуре напряжение подается на затвор МДП-транзистора на входе измерителя напряжения. Таким образом, потерями, связанными с индуктивностью и нагрузкой колебательного контура, можно пренебречь и полагать, что добротность в основном связана с потерями энергии в конденсаторах. В этом случае тангенс угла потерь в конденсаторах tg δ можно определить по добротности контура Q: tg δ = 1/ Q. (6.2) f ff2 f1 f0 UUmax 0,7 Рис. 6.2. Амплитудно-частотная характеристика колебательного контура Рис Эквивалентная схема колебательного контура Известно, что на частоте резонанса f0 сопротивление контура – активное а. Это сопротивление в эквивалентной схеме контура (рис. 6.3) отражает потери энергии и может быть определено по формуле
45 а) Исследуемые конденсаторы относятся к классу керамических многослойных конденсаторов. В состав керамического материала конденсаторов
C
1
и C
2
входит диоксид титана, и потери в них в основном обусловлены электронно- и ионно-релаксационными видами поляризации. Диэлектрик конденсатора C
3
создан на основе алюмината тантала и титаната кальция. Потери в конденсаторе C
3
в основном связаны с конструкционными факторами, а релаксационные виды потерь проявляются незначительно.
6.2. Проведение измерений Включить прибор в сеть (выключатель на пульте прибора. Кнопочным переключателем включить в контур емкость С. Снять амплитудно- частотную характеристику U(f), те. зависимость показаний милливольтметра от частоты в области резонанса. При этом следует особо отметить резонансную частоту f
0
и две частоты f
1
и f
2
, соответствующие уровню 0,7 от максимального напряжения на частоте резонанса Повторить измерения с конденсаторами Си С
3
Результаты занести в таблицу 6.1. Таблица 6.1
f, кГц
U
1
, мВ
U
2
, мВ
U
3
, мВ В процессе испытаний обратите внимание на влияние потерь в конденсаторах на частотную избирательность колебательного контура, что имеет существенное практическое значение. Кроме того, чтобы не снижать добротность колебательного контура в электрических схемах, активное сопротивление его нагрузки н должно быть значительно выше, чем активное сопротивление а, вызванное диэлектрическими потерями.
6.3. Обработка результатов
1. Построить амплитудно-частотные характеристики.
2. Вычислить добротность контура Q при использовании каждого из
46 включаемых конденсаторов. 3. Оценить значения tg δ и Ra каждого из конденсаторов, используя (6.1), (6.2), (6.3). 6.4. Контрольные вопросы 1. Объясните сущность резонансного метода определения потерь в конденсаторах. Разъясните назначение отдельных элементов измерительного контура. 2. Сформулируйте определения ε и tg δ. 3. Назовите основные виды поляризации диэлектриков и механизмы диэлектрических потерь. В каких диэлектриках и при каких условиях их эксплуатации проявляется каждый механизм. 4. Какие виды поляризации обуславливают наибольшие потери энергии в диэлектриках 5. Какие механизмы поляризации в диэлектрике конденсатора предпочтительны для получения высокой частотной избирательности 6. Какие диэлектрические материалы применяются для работы на высоких частотах 7. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Цель работы исследование особенностей переполяризации сегнетоэлектриков осциллографическим методом и зависимостей диэлектрической проницаемости от напряженности поля и температуры. 7.1. Основные понятия и определения Сегнетоэлектрическими называют материалы, обладающие в отсутствие внешнего электрического поля спонтанной поляризацией в определенном интервале температур, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках возникает благодаря смещению ионов или упорядочению атомных групп, обладающих дипольным моментом. Разбиение кристалла на домены, те. области с различным направлением спонтанной поляризованности, уменьшает электростатическую энергию сегнетоэлектрика и поэтому энергетически выгодно. Однако, по мере разбиения кристалла на домены, увеличивается энергия, необходимая для образования доменных стенок и, таким образом, доменная структура определяется энергетическим компромиссом между этими факторами. Кроме того, на формирование доменной структуры влияет и наличие механических напряжений. Спонтанная поляризация в кристалле возникает в определенном кристаллографическом направлении, которое называется осью спонтанной поляризации. Поэтому число возможных направлений электрических моментов у доменов и доменная структура кристаллов зависят от числа осей спонтанной поляризации. Например, в одноосных сегнетоэлектриках типа триглицинсульфата домены имеют форму стержней с овальным сечением (риса. Направления спонтанной поляризованности соседних доменов, разделенных ми доменными стенками, направлены навстречу друг другу. В деполяризованном состоянии суммарные площади сечения доменов с разнонаправленной поляризованностью равны. В многоосных сегнетоэлектриках, например в титанате бария BaTiO 3 , находящемся в тетрагональной сегнетоэлектрической фазе, возможны шесть направлений спонтанной поляризованности, что существенно осложняет их доменную структуру (рис. 7.1, б. В этом случае домены разделяют как е, такие доменные стенки. Воздействие внешнего электрического поля приводит к перестройке доменной структуры, изменяет направление электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Этим объясняются свойственные сегнетоэлектрикам высокие значения диэлектрической проницаемости. Рис. 7.1. Схематическое изображение доменной структуры в одноосном сегнетоэлектрике – триглицинсульфате (аи в многоосном сегнетоэлектрике – титанате бария (б) при отсутствии внешних воздействий
48 Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических, только им присущих свойств. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость поляризованности (а также электрической индукции) от напряженности электрического поля, которая в переменных полях трансформируется в диэлектрический гистерезис, как показано на рис. 7.2. Петля гистерезиса является одной из наиболее важных характеристик сегнетоэлектриков и дает представление о динамической поляризуемости сегнетоэлектриков. Рис. 7.2. Типичная предельная петля диэлектрического гистерезиса сегнетоэлектриков Совокупность вершин гистерезисных петель, полученных при различных значениях амплитуды переменного поля, образуют основную кривую поляризации сегнетоэлектрика. В слабом электрическом поле, когда преобладают процессы обратимого смещения доменных границ, связь между Р и E носит приблизительно линейный характер (участок ОА). В области более сильных полей (участок АВ) смещение доменных границ уже необратимо. При этом разрастаются домены, у которых вектор спонтанной поляризации имеет наименьший угол с направлением внешнего электрического поля. Здесь кривая поляризации имеет наибольшую крутизну. По мере дальнейшего увеличения напряженности поля практически все домены оказываются ориентированными по полю, и наступает состояние технического насыщения (в точке С. Некоторое возрастание поляризованности в сегнетоэлектрике на участке С обусловлено процессами индуцированной (электронной, ионной) поляризации. Если в поляризованном до насыщения образце уменьшить напряженность поля до нуля, то поляризованность примет некоторое остаточное значение. При воздействии полем противоположной полярности поляризованность быстро уменьшается, и при напряженности поля, большей Е
с
(OF), называемой коэрцитивной силой, изменяет свое направление. При дальнейшем увеличении напряженности поля образец вновь переходит в состояние насыщения (точка G). Таким образом, процесс переполяризации сегнетоэлектриков в переменных полях сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает сильный поляризационный эффект. Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым смещением доменных границ и свидетельствует о дополнительном механизме диэлектрических потерь, связанном с затратами энергии на ориентацию доменов. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Нелинейность поляризации по отношению к электрическому полю и наличие гистерезиса обусловливают зависимость диэлектрической проницаемости и емкости сегнетоэлектрического конденсатора от режима работы ив первую очередь, от напряженности поля. Для характеристики свойств материала в различных условиях его работы используют понятия статической, начальной, реверсивной и других диэлектрических проницаемостей. Статическая диэлектрическая проницаемость ст определяется по основной кривой поляризации ст = P/(ε
0
E). Начальной называют диэлектрическую проницаемость нач, измеренную в очень слабых переменных электрических полях. Реверсивная диэлектрическая проницаемость р характеризует поляризацию сегнетоэлектрика на малом переменном сигнале при одновременном воздействии постоянного поля. Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном диапазоне температур. В процессе нагревания наблюдается увеличение диэлектрической проницаемости, пропорционально увеличивается и емкость сегнетоэлектрического конденсатора. Выше некоторой температуры спонтанная поляризация исчезает. Происходит распад доменов и изменение структуры материала. Температуру Т
К
такого фазового перехода называют сегнетоэлектрической точкой Кюри.
50 В точке Кюри диэлектрическая проницаемость достигает своего максимального значения. Обладая резко выраженными нелинейными свойствами, сегнетоэлектрики проявляют высокую чувствительность к внешним энергетическим воздействиями, следовательно, могут выполнять функции управляющих или преобразующих элементов. Как активные диэлектрики сегнетоэлектрические материалы применяются в нелинейных конденсаторах (варикондах, в запоминающих устройствах, в электрооптических модуляторах, датчиках температуры (позисторах), нелинейных СВЧ-элементах и т. д. В настоящей работе исследование свойств сегнетоэлектрических материалов проводится на примере сегнетокерамики на основе титаната бария.
7.2. Описание установки Свойства сегнетоэлектриков исследуются осциллографическим методом на промышленной частоте. Схема измерительной установки приведена на рис. 7.3, где использованы следующие обозначения Gl – регулируемый генератор переменного напряжения вольтметр для измерения входного напряжения Rl, R2 – делитель напряжения С – образцовый конденсатор для градуировки осциллографа образцовый конденсатор большой емкости PV3 милливольтметр для измерения падения напряжения на C
02
;
/\/
– осциллограф С
х
– испытуемый сегнетоэлектрический конденсатор C – разделительный конденсатор G2 – регулируемый генератор постоянного напряжения смещения PV2 – вольтметр для измерения постоянного напряжения смещения или температуры испытуемого сегнетоэлектрического конденсатора термопара. Для исследования сегнетоэлектриков по петлям гистерезиса на горизонтальный вход осциллографа (вход X) подается напряжение с резистора R2, пропорциональное полному напряжению на входе схемы, измеряемому вольтметром PV1. Приложенное напряжение падает в основном на испытуемом образце, так как его емкость С
х
много меньше емкости последовательно соединенного образцового конденсатора С, с которого снимается напряжение наверти- кальный вход осциллографа (вход Y).
51 Рис. 7.3. Схема установки для исследования сегнетоэлектриков В переменном поле заряды последовательно включенных конденсаторов равны, поэтому падение напряжения на конденсаторе С пропорционально заряду на нелинейном конденсаторе С
х
:
Q
02
= C
02
U
3
= Q
x
= Таким образом, на экране осциллографа можно видеть зависимость заряда сегнетоэлектрического конденсатора от напряжения на его обкладках. Для исследования реверсивной диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков используются регулируемые генераторы Gl и G2. Падение напряжения на образцовом конденсаторе C
02, пропорциональное заряду на С
х
, измеряется с помощью милливольтметра PV3. Постоянное напряжение генератора, измеряемое вольтметром PV2, управляет реверсивной емкостью сегнетоэлектрического конденсатора С
х
7.3. Проведение испытаний
7.3.1. Градуировка горизонтальной и вертикальной осей Включить осциллограф в сеть и дать ему прогреться в течение 5 мин. Ключ S2 поставить в положение 1. Добиться четкого изображения пятна в центре экрана. С помощью ключа S1 подключить образцовый конденсатор известной емкости C
01. Подать на измерительную схему питание от генератора переменного напряжения Gl и по вольтметру PV1 установить напряжение равное 142 В.
52 Ручкой Горизонтальное усиление развернуть луч на экране осциллографа по горизонтали натри деления (считая от центра, которым соответствует амплитуда приложенного напряжения. В дальнейшем ручку Горизонтальное усиление не трогать Ручкой Вертикальное усиление развернуть луч по вертикали натри деления (считая от центра, которым соответствует амплитуда напряжения на конденсаторе C
02
. В дальнейшем ручку Вертикальное усиление не тро- гать!
Зарисовать полученное изображение на кальку.
7.3.2. Исследование петель диэлектрического гистерезиса сегнетоэлектрического конденсатора С помощью ключа S1 подключить к схеме сегнетоэлектрический конденсатор С
х
Задавая различные значения напряжения с выхода генератора переменного напряжения Gl, которые устанавливаются через каждые 0,5 деления по горизонтальной осина экране осциллографа (от нуля до максимального значения, зарисовать на кальку с экрана осциллографа семейство петель гистерезиса при различных напряжениях. Таблица 7.1 Х, дел.
U
1m
, B Ем, дел.
Q
x
, Кл
С
ст,
Ф
ε
ст
Занести в табл. 7.1 координаты вершин (X и Y) полученных петель гистерезиса с экрана осциллографа. Выключить осциллограф.
7.3.3. Исследование зависимости реверсивной диэлектрической проницаемости от напряженности постоянного электрического поля Установить переключатель S3 в положение Включить милливольтметр PV2. Регулятором PV1 установить переменное напряжение на выходе генератора, равное 10 В. Переключатель S2 перевести в положение 2, те. подключить генератор постоянного напряжения G2. Изменяя регулятором «U
=
» напряжение на выходе генератора G2 по вольтметру PV2 через 50 Вот нуля до максимального значения, измерить с помощью милливольметра PV3 соответствующие значения падения напряжения З на эталонном конденсаторе C
02
. Данные занести в табл. 7.2. Таблица 7.2
U
2
, B Е, MB/M
U
1
= 10 B
U
1
= 25 B З, В
С
р,
Фр З, В
С
р,
Фр Повторить измерения при значении переменного напряжения U1 на выходе генератора G1, равном 25 В. Выключить генератор G2.
7.3.4. 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. Установить по вольтметру PV1 переменное напряжение на выходе генератора, равное 5 В и измерить напряжение на конденсаторе С 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. 7.3. Таблицам нач, 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
7.4. Обработка результатов
1. Поданным определить масштабы горизонтальной и вертикальной осей развертки осциллографа по формулам
1 1
2
m
U
U
u
X
X
,
54 где
m
U
1
– амплитудное значение приложенного напряжения U
1
– действующее значение напряжения, установленное по вольтметру Р X – отклонение по горизонтальной оси
02 3 02 2
Y
Y
Q
q
U C
, где Q
02
– заряд на обкладках конденсатора С Y – отклонение поверти- кальной оси U
3
= U
1
/(C
02
/C
01
+ 1) – напряжение на конденсаторе С
02
Значение емкостей и С указаны на испытательном стенде.
2. Поданным вычислить максимальные значения напряженности электрического поля и соответствующие им заряды по формулам
1 1max
m
U
uX
E
h
h
;
Y
x
Q
q
, где h – толщина сегнетоэлектрика. Толщина сегнетоэлектрика h и площадь электродов э сегнетоэлектрического конденсатора указаны на испытательном стенде. Результаты расчетов занести в табл. 7.1 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 ст, используя следующие формулы ст U
m
C
;
ст ст э
С h
S
, где ε
0
= 8,85 ∙ 10
−12
Ф/м – электрическая постоянная. Результаты расчетов занести в табл. 7.1 и построить зависимость статической диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля в виде кривой ст E
4. Поданным вычислить емкость С
р
, реверсивную диэлектрическую проницаемость ε
p и напряженность постоянного электрического поля Е по формулам
55 02 3 р 1 С UCU ; р р 0 э С hS ; 2 2 UEh , где U2 – постоянное напряжение смещения на сегнетоэлектрическом конденсаторе. Результаты занести в табл. 7.2 и построить зависимость реверсивной диэлектрической проницаемости от напряженности постоянного электрического поля р = Е) при неизменных значениях амплитуды переменного поля. Поданным вычислить емкость Снач и начальную диэлектрическую проницаемость нач по формулам 02 3 02 3 02 нач С С С U CUUUU ; нач нач э, где h и э – размеры исследуемого конденсатора. Результаты занести в табл. 7.3 и построить температурную зависимость начальной диэлектрической проницаемости нач = f( 0 t). По максимуму этой зависимости определить температуру Кюри исследуемого сегнетоэлектрического материала. 7.5. 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 стр. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Цель работы исследование основных магнитных свойств электротехнической стали, железоникелевого сплава (пермалоя) или нанокристаллического сплава на основе железа. 8.1. Основные понятия и определения К ферромагнитным относят материалы с большой положительной магнитной восприимчивостью м, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля H и температуры T. Ферромагнетикам присуща в интервале температур от 0 К до температуры Кюри Т 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 3 d, 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, те. о суммарном магнитном моменте единицы объема, который определяется видом атомов (ионов) сих 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 невыгодно, так как оно привело бык большому рассеянию магнитного потока в окружающее пространство, поэтому ферромагнетик самопроизвольно разбивается на отдельные макрообласти (домены, имеющие размеры порядка единиц микрометров.
57 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 скомпенсированными 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 объема) (рис. 8.1). Рис. 8.1. Схема изменения доменной структуры и ориентации спиновых магнитных моментов на различных стадиях намагничивания ферромагнетика Важнейшим свойством ферромагнетиков является нелинейная зависимость магнитной индукции Вот напряженности внешнего магнитного поля Н. Эту зависимость называют начальной кривой намагничивания ферромагнетика, так как она снимается из размагниченного состояния при монотонном увеличении H (рис. 8.2). 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 сна- правлением внешнего магнитного поля. В области более сильных магнитных полей смещение доменных границ приобретает необратимый характер. Доменные стенки под воздействием
58 внешнего поля срываются с мест закрепления. 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 (III). При этом доменные границы практически исчезают. Когда все магнитные моменты атомов ориентируются вдоль поля, наступает магнитное насыщение (IV). Рис. 8.2. Характерные зависимости магнитной индукции В и магнитной проницаемости ст ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля H Приняв во внимание, что B = μμ
0
H, по начальной кривой намагничивания ферромагнетика строится зависимость статической магнитной проницаемости ст от напряженности магнитного поля H. Величину статической магнитной проницаемости определяют по формуле ст = B/(μ
0
H),
(8.1) где μ
0
= 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, которое называют остаточной индукцией рис. 8.3). Чтобы довести магнитную индукцию до нуля, необходимо приложить поле противоположного направления с напряженностью, называемой коэрцитивной силой Н. В зависимости отчисленного значения Н, 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, 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 P
Г
и на вихревые токи P
ВТ
в единице массы образца описываются соответственно формулами
f
B
f
P
n
m
Г
Г
Э
;
2 2
ВТ
ВТ
Э
f
B
f
P
m
,
(8.2) где – коэффициент, зависящий от свойств материала В – максимальная индукция, достигаемая в данном цикле n – показатель степени от 1,6 до 2 для различных материалов – коэффициент, зависящий от удельной проводимости ферромагнетика и формы образца f – частота изменения магнитного поля. При высоких частотах заметный вклад в мощность потерь вносят потери на вихревые токи. Вихревые токи возникают в ферромагнитном материале
60 под действием ЭДС самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока. Величина вихревых токов зависит от удельного сопротивления материала. Для снижения мощности потерь на вихревые токи
ВТ
P
высокочастотные магнитные материалы должны иметь высокое сопротивление.
Ф
I
I
вт
Ф
разм
Рис. 8.3. Петли гистерезиса и основная кривая намагничивания ферромагнетика Рис. 8.4. 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. 8.4). 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 приданной частоте и соответствующее ему эффективное значение магнитной проницаемости μ
эф
В настоящей работе проводится исследование основных магнитных свойств электротехнической стали, железоникелевого сплава (пермаллоя) и
61 нанокристаллического магнитомягкого сплава на основе железа (по выбору преподавателя. Нанокристаллическая структура образуется в результате кристаллизации твердого аморфного сплава железа с химическими добавками с образованием зерен порядка 10 нм. Сплав, в котором достигается максимальное значение магнитной проницаемости, имеет примерный состав
73,5 1
3 13,5 9
Fe
Cu Nb Si
B . 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 способствует образованию на поверхности ленты магнитопровода защитных слоев MoO
3
, Магнитопровод изготавливают путем 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 540 С, 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 H
c
, а значит, малыми потерями на перемагничивание, и высокой индукцией насыщения В сравнении с электротехнической сталью и пермаллоем в нанокристаллическом сплаве начало спада магнитной проницаемости происходит на более высокой частоте.
8.2. Описание установки Испытания свойств ферромагнитных материалов проводятся на установке, схема которой приведена на рис. 8.5. Установка состоит из испытательного модуля (выделен штриховой линией, генератора G синусоидальных сигналов звуковой частоты, милливольтметра PU переменного напряжения и осциллографа. Испытуемый материал изготовлен в виде тороидального сердечника, на который нанесены две обмотки первичная с числом витков w
1
и вторичная с числом витков w
2
62 Рис. 8.5. Схема установки для исследования магнитных свойств материалов На пластины горизонтального отклонения осциллографа (вход канала Х) подается напряжение, снимаемое с резистора т (U
X
= U
R
). Это напряжение пропорционально току I, протекающему в обмотке w
1
, следовательно, пропорционально и напряженности магнитного поля Н. Напряженность магнитного поля вычисляется по выражению
1
ср т R
,
(8.3) где 2πr
ср
– средняя длина линий напряженности поля. На вертикальный вход осциллографа (вход канала Y) подают напряжение
U
Y
= U
C
, снимаемое с конденсатора Си интегрирующей цепочки (и Си, которое определяется выражением и
и
1
d
C
U
i
t
C
,
(8.4) где и – ток в интегрирующей цепочке. Если и
и
ω
1
C
R
, то и и, где Е – ЭДС во вторичной обмотке. Согласно закону Ленца
2 2
dB
E
w S
dt
, где S – сечение образца. В этом случае (8.4) принимает следующий вид
2 и и и и SB
U
E
t
R C
R C
,
(8.5) те пропорционально индукции в образце. Тогда
63 и и R C Bw S (8.6) При одновременном приложении напряжений UR и С к пластинам осциллографа на его экране можно наблюдать ПГ, характеризующую зависимость В( Н). Для исследования частотной зависимости эф в образце создается слабое магнитное поле, соответствующее начальному участку кривой намагничивания. Значение напряженности магнитного поля контролируется по величине напряжения UR на резисторе Rт Измеряя напряжение на входе схемы Uвх , можно найти величину напряжения на катушке индуктивности с исследуемым сердечником. 8.3. Проведение испытаний 8.3.1. 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 m
x и m
y
ив дальнейшем их не меняйте. Плавно увеличивая сигнал, получите на экране осциллографа изображение, развернутое по оси Хна четыре деления относительно центра, получив предельную петлю гистерезиса. Зарисуйте полученную петлю на кальку, отметив положение осей X и Y и деления по осям.
8.3.2. Исследование основной кривой намагничивания При помощи регулятора выходного напряжения генератора постепенно уменьшайте напряженность магнитного поля в образце от максимального значения, соответствующего четырем делениям по оси X, до нуля через ΔH, 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. 8.1. Таблица 8.1
X, дел.
U
Х
, В
H
m
, А/м
Y, дел.
U
Y
, В
B
m
, Тл ст
64 Зарисуйте на кальку семейство петель гистерезиса при различных значениях. Исследование частотной зависимости магнитных потерь На частоте 50 Гц зарисуйте на кальку предельную петлю гистерезиса изображение, развернутое по оси Хна четыре деления относительно центра. Установите частоту генератора 200 Гц и амплитуду сигнала с генератора, соответствующую насыщению образца (4 деления по оси Х. Зарисуйте петлю гистерезиса на туже 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.
8.3.4. 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, установить сигнал, при котором U
R
= 30 мВ (контролируется внешним милливольтметром. Таблица 8.2
f, Гц
U
R
, мВ
U
вх
, мВ
L, Гн
μ
эф
Переключив S в положение U
ВХ
, измерить величину входного напряжения. Результаты записать в табл. 8.2. По окончании работы выключить макет, генератор, осциллограф и милливольтметр.
8.4. Обработка результатов
1. Поданным рассчитать значения Хи, используя масштабы осей осциллографа и
y
m
по осями Пои) вычислить напряженность поля H
m
и магнитную индукцию в образце при т
= 10 Ом
γ
ср
= 0,021 ми Фи кОм S = 1∙10
−4
м
–2
Найти статическую магнитную проницаемость по (8.1). Результаты расчетов занести в табл. 8.1.
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. Поданным, полученным в 8.3.3, 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 п 1 1 100
S h b
d
,
(8.7) где d – плотность исследуемого материала (для электротехнической стали
d = 7700 кг/м
3
, для пермаллоя d = 8600 кг/м
3
, для нанокристаллического сплава d = 7500 кг/м
3
); п, мм – площадь ПГ (ее можно найти, наложив кальки с петлями гистерезиса на миллиметровую бумагу
1 т ср
2
x
m w
h
R
r
; и и 2
y
m C R
b
w S
, где и
y
m
– масштабы осей осциллографа по осями. Результаты расчетов занести в табл. 8.3. Таблица 8.3
f, Гц п, мм Э, Дж/кг
Э
г
, Дж/кг
Э
вт
, Дж/кг г, Вт/кг
P
вт
, Вт/кг
4. Построить частотную зависимость потерь энергии в образце в виде графика Э. Экстраполируя полученную прямую линию к f = 0 (те. до пересечения с вертикальной осью, найти потери энергии на гистерезис Э
г
Для каждого значения частоты определить потери на вихревые токи как
Э
вт
= Э – Э
г
Пользуясь (8.2), рассчитать мощности потерь на гистерезис Р
г и вихревые токи Р
вт
Результаты расчетов занести в табл. 8.3.
5. Поданным, полученным в 8.3.4, вычислить напряжение на катушке индуктивности с испытуемым сердечником по формуле
U
L
=
2 2
вх
R
U
U
66 Рассчитать ее индуктивность
2
L
U
L
fI
, где I = т протекающий вцепи ток. Определить эффективную магнитную проницаемость по формуле ср эф 0 1 2 Lr
w Расчет провести для всех частот. Результаты расчетов занести в табл. 8.2.
6. Поданным табл. 8.2 построить частотную зависимость эффективной магнитной проницаемости эф.
8.5. Контрольные вопросы
1. Какова природа ферромагнитного состояния вещества
2. Как классифицируют вещества по магнитным свойствам
3. Что называют намагниченностью вещества, в каких единицах ее измеряют. Что характеризует магнитная индукция В Дайте определение единицы измерения В.
5. Что называют основной кривой намагничивания
6. Объясните зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности магнитного поля.
7. Какие механизмы обусловливают гистерезисные свойства ферромагнетика. Каким образом на экране осциллографа можно получить петлю гистерезиса. Что характеризует площадь петли гистерезиса
10. Назовите основные виды потерь в ферромагнитных сердечниках. Какие потери и почему преобладают на высоких частотах Какие способы уменьшения магнитных потерь Вам известны
67 9. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФЕРРИТОВ
9.1. Основные понятия и определения Ферриты – это оксидные материалы, обладающие ферримагнитными свойствами с общей химической формулой MeFe
2
O
4
(или MeO∙Fe
2
O
3
), где
Me – символ двухвалентного металла (никеля, марганца, кобальта, цинка и др. Ферримагнетики, подобно ферромагнетикам, в определенном интервале температур характеризуются наличием спонтанной намагниченности и доменной структурой. Однако, если в ферромагнетиках магнитная упорядоченность обусловлена существованием макроскопических областей с параллельной ориентацией спиновых магнитных моментов, тов ферримагнетиках спонтанно возникает антипараллельная ориентация спинов. При этом одно из направлений ориентации преобладает, и результирующий магнитный момент оказывается отличным от нуля. Намагничивание ферритов, как и ферромагнитных материалов, происходит за счет смещения доменных границ (ДГ) и вращения вектора намагниченности. Ферриты обладают нелинейными магнитными свойствами, но по сравнению с ферромагнетиками имеют меньшую индукцию насыщения J
s
Магнитомягкие ферриты, обладающие достаточно большой магнитной проницаемостью μ и малой коэрцитивной силой H
c
, применяются в качестве материалов для изготовления сердечников любой формы. Они имеют невысокую стоимость. Достоинством их по сравнению с металлическими магнитными сердечниками является также большое удельное сопротивление ρ, что препятствует индуцированию в них вихревых токов. Поэтому в широком диапазоне частот магнитная проницаемость ферритов μ остается постоянной, а потери энергии практически обусловлены только потерями на гистерезис. Спад магнитной проницаемости феррита при частотах выше некоторого критического значения кр обусловливается в основном инерционностью процессов перемагничивания. Так, при работе в слабых полях, когда магнитная проницаемость практически равна начальной магнитной проницаемости, значение кр определяется подвижностью доменных границ. При приложении внешнего переменного магнитного поля ДГ колеблются относительно положения равновесия. Если частота внешнего поля выше частоты собственных колебаний доменных границ, то они не успевают следовать за изменением поля, амплитуда их колебаний уменьшается, магнитная
68 проницаемость также уменьшается. У поликристаллических ферритов, образованных из оксидов одних и тех же металлов, но отличающихся их процентным содержанием в феррите или размером зерен, частота кр обычно бывает меньше, если низкочастотное значение магнитной проницаемости μ
нч получается выше.
Кривая μ(f) у ферритов чаще всего имеет релаксационный характерна- чиная с кр, μ монотонно убывает. У некоторых ферритов спаду кривой μ(f) может предшествовать небольшой резонансный максимум. На основании того факта, что между значениями кр и ρ ферритов нет явной корреляции, можно утверждать, что вихревые токи не вносят существенного вклада в дисперсию магнитной проницаемости этих материалов в отличие от металлических ферромагнетиков. Действительно, расчет согласно теории влияния вихревых токов дает для ферритов кривые дисперсии, на которых спад эффективной магнитной проницаемости эф начинается при частотах, значительно превышающих экспериментальные значения f
кр
Эффективная магнитная проницаемость эф на частоте f с учетом размагничивающего влияния вихревых токов может быть определена по формуле
p
p
p
p
p
cos ch sin sh н.ч эф,
(9.1) где μ
н.ч
– экспериментальное значение магнитной проницаемости феррита на низкой частоте (на горизонтальном участке кривой зависимости р = l/∆ – отношение меньшего линейного размера поперечного сечения ферритового кольца к глубине проникновения электромагнитной поля ∆ в материал. Глубина проникновения электромагнитного поляна частоте кр рассчитывается как кр н.ч
0
f
,
(9.2) где ρ
– удельное сопротивление материала. Наибольшими значениями начальной магнитной проницаемости обладают поликристаллические марганец-цинковые ферриты. В зависимости от соотношения входящих в феррит оксидов марганец-цинковые ферриты имеют начальную магнитную проницаемостью от 700 (марка НМ) до 20 000 марка НМ. Кроме марганец-цинковых ферритов в частотном диапазоне от единиц килогерц до нескольких мегагерц широко используются никель-цинковые ферриты. Максимальным значением начальной магнитной проницаемости среди этой группы материалов обладает феррит 2000НН. В маркировке магнитомягких ферритов на первом месте стоит численное значение начальной магнитной проницаемости н, затем идут буквы, определяющие частотный диапазон применения, ограничиваемый сверху значением критической частоты f
кр
Ферриты для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот для краткости обозначают буквой Н (низкочастотные. Критическая частота их для разных марок может лежать в пределах от 0,1 до 50 МГц. В маркировке высокочастотных ферритов имеются буквы ВЧ, критическая частота их находится в диапазоне от 50 до 600 МГц. Далее в маркировке магнитомягких ферритов следуют буквы, означающие состав материала М – марганец- цинковый феррит, Н – никель-цинковый и т. д. Ферриты марок ВЧ по составу относятся к никель-цинковым. В настоящей работе проводится исследование свойств керамических марганец-цинковых и никель-цинковых ферритов, используемых в качестве материала тороидальных сердечников катушек индуктивности.
9.2. Описание установки Схема измерительной установки приведена на рисунке. Синусоидальное напряжение от генератора сигналов G подается с помощью переключателя на одну из катушек индуктивности L и последовательно соединенный с каждой образцовый резистор Вольтметр в зависимости от положения переключателя S2, может измерять напряжение на входе схемы U
вх или напряжение на резисторе
R
0
, которое пропорционально току I, протекающему через обмотку катушки индуктивности и, соответственно, напряженности магнитного поля Н, воздействующего на ферритовый сердечник. Параметры исследуемых катушек приведены в табл. 9.1.
70
PU
G
R
о
U
вх
U
R
S1
S2 1
2 3
4 Рис. 9.1. Схема для исследования свойств ферритов Таблица 9.1 Исследуемые зависимости Положение переключателя Катушка индуктивности Марка феррита Размеры сердечника,
D×d×h, мм Число витков обмотки w В, μ(H)
1
L1 2000НН
7×4×2 40 В, μ(H)
2
L2 НМ
7×4×2 40 В, μ(H), μ(f)
3
L3 НМ
10×6×3 40
μ(f)
4
L4 2000НН
7×4×2 20
μ(f)
5
L5 НМ
7×4×2 20 Удельное сопротивление исследуемых ферритов определяется на отдельных образцах толщиной h
R
= 2 мм, на которые с двух сторон нанесены электроды площадью S
R
= 30 мм. Выводы от этих электродов подсоединены к клеммам на лицевой панели испытательного модуля, к которым подключается внешний омметр.
9.3. Проведение испытаний
9.3.1. Исследование кривых намагничивания В
m
(Н
m
) и магнитной проницаемости от напряженности поля μ(Н
m
)
Соединить выход низкочастотного генератора с гнездом G лабораторного пульта, а милливольтметр подключить к гнезду PU. Включить приборы в сеть и дать прогреться в течение 5 мин. Установить переключатель S1 в положение 1, соответствующее испытанию катушки L1 на феррите 2000НН (табл. 9.1). Установить частоту сигнала генератора G, равную 10 кГц. Переключатель S2 поставить в положение U
R
. Регулируя выходное напряжение генератора, последовательно устанавливать необходимые значения U
R
(20, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600,
800,1000, 1500, 2000, 3000 мВ, контролируя их милливольтметром PU. При каждом значении U
R
, переключая S2 в положение U
вх
,измерять значения сигнала на входе измерительной схемы. Результаты измерений U
R
и U
вх записывать в табл. 9.2. Аналогичным образом провести измерения для катушки с ферритом НМ (переключатель S1 в положении 2). Установить частоту сигнала генератора G равную 1 кГц и провести измерения для катушки с ферритом НМ (переключатель S1 в положении) при следующих значениях U
R
: 10, 20, 30, 40, 50, 70, 100, 150, 300, 400,
500 мВ. Результаты измерений занести в табл. 9.2.
9.3.2. Исследование частотной зависимости магнитной проницаемости Установить переключатель в положение 3, соответствующее испытанию катушки L3 с ферритовым сердечником НМ (см. табл. 9.1). Переключатель S2 поставить в положение U
R
. Установить частоту сигнала генератора G, равную 1 кГц, и подать на напряжение, соответствующее U
R
= 15 мВ. Переключатель S2 поставить в положение U
вх и измерить напряжение на входе схемы.
Последовательно устанавливая необходимые значения частоты f (1, 2, 4,
6, 8, 10, 20, 40, 60, 80, 100 кГц, поддерживать напряжение U
R
= 15 мВ (S2 в положении U
R
), контролируя его милливольтметром PU. При каждом значении f, переключая S2 в положение U
вх
,измерять значения сигнала на входе измерительной схемы. Результаты измерений U
вх записывать в табл. 9.3. Аналогичным образом провести исследование катушки L4 с ферритом
2000НН (положение 4 переключателя S1) и катушки L5 с ферритом НМ положение 5 переключателя S1). Для этих катушек индуктивности измерения провести при следующих значениях частот 0,1; 0,15; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 МГц, установив соответствующий диапазон частот на генераторе G. Результаты измерений U
вх занести в табл. 9.3.
Таблица 9.2
L1 (2000НН), f = 10 кГц
L2 (НМ, f = 10 кГц
L3 (НМ, f = 1 кГц
U
R
, мВ
U
вх
, мВ
I, А
U
L
, мВ
L,
Гн
H
m
,
А/м
μ
B
m
,
Тл
U
R
, мВ
U
вх
, мВ
I, А
U
L
, мВ
L,
Гн
H
m
,
А/м
μ
B
m
,
Тл
U
R
, мВ
U
вх
, мВ
I, А
U
L
, мВ
L,
Гн
H
m
,
А/м
μ
B
m
,
Тл Таблица 9.3
L3 (НМ, U
R
= 15 мВ, I = .......... А
L4 (2000НН), U
R
= 15 мВ, I = .......... А L5 (НМ, U
R
= 15 мВ, I = .......... А
f, кГц
U
вх
, мВ
U
L
, мВ
L, Гн
μ
f, кГц
U
вх
, мВ
U
L
, мВ
L, Гн
μ
f, кГц
U
вх
, мВ
U
L
, мВ
L, Гн
μ Таблица 9.4
L3 (НМ) R = ....... Ом,
L4 (2000НН) R = ....... Ом,
L5 (НМ) R = ....... Ом,
f, МГц
ρ,
Ом∙м
Δ, мм
p = l / Δ эф, кГц
ρ,
Ом∙м
Δ, мм
p = l / Δ
μ
f, кГц
ρ,
Ом∙м
Δ, мм
p = l / Δ
μ
0,01 0,1 0,1 0,05 0,5 0,5 0,10 1,0 1,0 0,50 5,0 5,0 1,00 10 10 72
73
9.3.3. Определение удельного сопротивления ферритов Для определения удельного сопротивления подключить омметр земляным концом к клемме «
┴
» на измерительном стенде. Потенциальный конец поочередно подключать к клеммам, соответствующим ферритам разных марок, и измерить сопротивление R образцов. Результаты измерений занести в табл. 9.4.
9.4. Обработка результатов
1. Поданным вычислить амплитудные значения напряженности магнитного поля в ферритовых сердечниках катушек индуктивности по формуле) где I = ток в обмотке R
0
= 51,4 Ом. Конструктивные параметры катушек индуктивности взять из табл. 9.1. Результаты вычислений занести в табл. 9.2.
2. Вычислить магнитную проницаемость тороидальных ферритовых сердечников по формуле
2 0
(
)
(
)
L
D
d
w h D
d
,
(9.4) где
7 0
4 10
Гн/м. Индуктивность катушки с исследуемым сердечником в (9.4) вычисляется как
2
L
U
L
fI
(9.5) Падение напряжения на катушке индуктивности U
L в (9.5) определить как
2 2
вх
L
R
U
U
U
(9.6) Результаты вычислений занести в табл. 9.2.
3. Определить амплитудное значение магнитной индукции в сердечнике
0
m
m
B
H
74 Результаты занести в табл. 9.2. 4. Поданным табл. 9.2 построить кривые намагничивания Bm( Hm) и зависимости магнитной проницаемости от напряженности поля μ( Hm) для всех исследованных образцов. 5. Поданным, пользуясь (9.3)–(9.6), вычислить значения магнитной проницаемости образцов на разных частотах и занести их в табл. 9.3. 6. Поданным вычислить значения удельного сопротивления ферритов из соотношения ρ = Рассчитать эффективную магнитную проницаемость ферритов пос учетом (9.2) для частот из табл. 9.4. При определении параметра р полагать l = 1,5 мм для НМ и для НМ l = 2 мм (см. табл. 9.1). Результаты расчетов занести в табл. 9.4 7. Поданным табл. 9.3. построить экспериментальные частотные зависимости магнитной проницаемости μ( f) исследованных образцов, в полулогарифмическом масштабе (в логарифмическом масштабе ось абсцисс, ось ординат в линейном масштабе. На тех же графиках изобразить расчетные зависимости эф) поданным табл. 9.4. 9.5. Контрольные вопросы 1. Какие магнитные материалы называют ферритами В каких структурах они кристаллизуются 2. Как расшифровываются марки исследованных Вами материалов 3. В чем сходство и различие магнитных свойств ферритов и ферромагнетиков. Объясните ход кривой намагничивания и зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля. 5. Каковы частотные характеристики высокопроницаемых и низкопро- ницаемых ферритов 6. Какие причины обусловливают частотную дисперсию магнитной проницаемости магнитных материалов 7. Почему ферритовые сердечники можно использовать на высоких частотах. У какого из исследованных ферритов вихревые токи вносят вклад в частотную зависимость магнитной проницаемости в рассмотренном диапазоне частот и почему 9. Каковы области применения ферритов 10. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ГИГАНТСКОГО МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЯ Цель работы изучение влияния магнитного поляна сопротивление композиционных материалов с разной долей ферромагнитного наполнителя. 10.1. Основные понятия и определения Композиционными называют материалы, в состав которых входят отличающиеся по свойствам один от другого компоненты, разделенные в материале четко выраженными границами. Композиционным материалам присущи свойства, которыми не обладают отдельные компоненты, входящие в их состав. Весьма важным вариантом структуры композиционных материалов является структура, включающая матрицу и наполнитель. Матрица является основой композиционного материала, в которой равномерно распределены другие компоненты (наполнители. В данной работе используется материал с диэлектрической матрицей Al 2 O 3 , содержащей наполнитель – ферромагнитные гранулы кобальта Со, средний размер которых составляет от 10 до 100 нм, а расстояние между гранулами зависит от их объемной концентрации и составляет единицы – десятки нанометров. Эффект магнитосопротивления (МС) заключается в изменении электрического сопротивления материалов под влиянием внешнего магнитного поля. В гомогенных материалах он обусловлен искривлением траектории движения носителей заряда в магнитном поле под действием силы Лоренца, что снижает подвижность носителей заряда и, соответственно, повышает электрическое сопротивление. Изменение сопротивления по отношению к сопротивлению в отсутствии магнитного поля при этом незначительно и составляет в полях 10 кЭ 1 В композиционных материалах, исследуемых в данной работе, механизм возникновения эффекта МС иной в сравнении с гомогенными материалами. 1 В большинстве научных и учебных публикаций по эффекту МС используется эта единица измерений (СГС). 1 Э (1 эрстед) = 1000/(4π) м ≈ 79,5774715 А/м.
76 Малое расстояние между гранулами кобальта (единицы – десятки нанометров) обуславливает возможность туннелирования электронов между смежными гранулами в диэлектрической матрице Al
2
O
3. Кроме того, важной особенностью является то, что малый размер гранул обуславливает их однодоменность, те. одинаковую ориентацию магнитных моментов атомов в объеме гранулы. В отсутствие магнитного поля разные гранулы имеют разную ориентацию магнитных моментов. При наложении внешнего магнитного поля происходит поворот векторов намагниченности гранул в направлении приложенного поля, приводящий к сближению их взаимной ориентации. При этом вероятность туннелирования между смежными гранулами сквозь диэлектрический барьер возрастает для электронов, имеющих направление спинового момента близкое к направлению внешнего магнитного поля, что приводит к уменьшению электрического сопротивления материала. При значениях напряженности магнитного поля Н, вызывающих полную соориентацию магнитных моментов гранул, вероятность туннелирования электронов сквозь диэлектрический барьер между смежными гранулами, перестает зависеть от напряженности магнитного поля и магниточувстви- тельность достигает насыщения. Относительное изменение сопротивления в этих материалах может составлять и более в полях 10 кЭ. Данный эффект называется гигантским
магнитосопротивлением (ГМС). Эффект ГМС, исследуемый в данной работе, зависит от объемной доли х металлической фазы (Сов диэлектрической матрице (Al
2
O
3
). При малом содержании металлической фазы Со (рис. 10.1) вероятность соприкосновения гранул мала, а среднее расстояние между ними относительно велико, вследствие чего вероятность туннелирования электронов между гранулами ничтожна. Материал по свойствам близок к диэлектрическому, и эффект ГМС проявляется слабо. При увеличении объемной доли металлической фазы (рис. 10.1, б) уменьшаются зазоры между гранулами настолько, что становятся туннельно- прозрачными, что приводит к значительному увеличению эффекта ГМС. Наиболее сильное проявление эффекта ГМС будет в композите при
x = 0,48, в котором гранулы кобальта еще не сформировали сплошную сеть с металлической электропроводностью, но толщина диэлектрической прослойки между смежными гранулами весьма мала, те. условия для туннелирования наиболее благоприятны.
77 а б в Рис. 10.1. Структура гранулированного композита при разных объемных долях х металлической фазы Сов диэлектрической матрице а – малая доля металлической фазы (уединенные гранулы б – доля, при которой возникают частично контактирующие гранулы в – доля, при которой возникает сплошная сетка гранул
При дальнейшем возрастании доли металлической фазы образуется сплошная сетка гранул (рис. 10.1, в, по которой возникает металлическая электропроводность, а эффект ГМС значительно снижается. Экспериментально установлено, что пороговыезначения объемной доли х металлической фазы, при которых возникает сплошная проводящая сетка, находится в пределах x = Основные применения материалов с эффектом ГМС – это создание высокочувствительных головок для считывания информации с магнитных носителей (магнитные ленты, магнитные диски, а также создание сверхчувствительных датчиков напряженности магнитного поля.
10.2. Описание установки В данной лабораторной работе исследуется эффект ГМС на четырех образцах композиционного материала, в которых металлические гранулы кобальта Со находятся в диэлектрической матрице Пленки композиционного материала нанесены на керамические подложки размером 6 × 3 мм и на них нанесены платиновые контакты. Объемная доля металлической фазы кобальта х возрастает от образца к образцу (табл. 10.1), что позволяет моделировать ситуации, показанные на рис. 10.1: уединенные (квазиизолированные) гранулы (образец № 1); частично контактирующие гранулы (образцы № 2, 3); сплошная сетка контактирующих гранул (образец № 4). Все четыре образца закреплены на держателе, который перемещается вращением ручки Регулирование напряженности магнитного поля Н в зазоре между полюсами магнита. Значение напряженности поля при этом отмечено на шкале с подсветкой.
78 При этом вектор напряженности магнитного поля Н направлен не поперек, а вдоль пленки композита (между двумя контактами. Это обеспечивает большее влияние магнитного поляна сопротивление магниторезистивного элемента. В лабораторной установке используется мостовая схема измерений зависимости сопротивления магниторезистивных элементов
H
R
n
от напряженности магнитного поля (рис. 10.2), где n – номер исследуемого образца.
R
2
U
0
G
mv
1
R
3
PU
R
1 2
3 4
|
Скачать 0.84 Mb.