8 Мэт. 8 мэт. Исследование свойств металлических ферромагнитных
 Скачать 152.41 Kb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра МНЭ ОТЧЕТ по лабораторной работе №8 по дисциплине «Электротехническое материаловедение» Тема: Исследование свойств металлических ферромагнитных материалов Студент гр. 0403 Подгорнов Е.С. Преподаватель Комков О.С. Санкт-Петербург 2022 Цель работы Исследование основных магнитных свойств электротехнической стали, железоникелевого сплава (пермалоя) или нанокристаллического сплава на основе железа. 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 темпера- туры 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. При воздействии на ферромагнетик внешнего магнитного поля происходит перестройка его доменной структуры, что и приводит к намагничиванию ферромагнетика (появлению нескомпенсированного магнитного момента единицы объема). 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.1). На начальном участке кривой намагничивания (I) наблюдается моно- тонное 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). Рис.3 Характерные зависимости магнитной индукции В и магнитной проницаемости μст ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля H Величину статической магнитной проницаемости определяют по формуле где μ 0 = 4π ∙ 10 −7 Гн/м – магнитная постоянная. 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): 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 Нm, 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 намагничивании до одинакового предельного значения индукции площадь динамической ПГ металлических ферромагнетиков больше площади статической ПГ на величину, характеризующую потери энергии на вихре- вые токи Э ВТ Мощности потерь на гистерезис P Г и на вихревые токи P ВТ в единице массы образца описываются соответственно формулами: где – коэффициент, зависящий от свойств материала; В m – 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. Рис.4 Петли гистерезиса и основная кривая намагничивания ферромагнетика. 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. Описание установки Испытания свойств ферромагнитных материалов проводятся на установке, схема которой приведена на рис. 5. Установка состоит из испытательного модуля (выделен штриховой линией), 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 w 1 и вторичная с числом витков w 2 Рис.5 Схема установки для исследования магнитных свойств материалов |