«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Калужский филиал

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Отчёт по лабораторной работе № 4 по дисциплине:

Материаловедение и материалы электронных средств

«Исследование магнитных материалов в переменном токе»

Выполнили: Корнеев А.

Рыжов Р.

Сафонов С.

Группа: РПД. Б-31

Проверил: Детюк В. И.

Калуга, 2012 г.

Цель работы:

Ознакомление с осциллографическим методом измерения динамических характеристик магнитных материалов, нахождение магнитной проницаемости как функции напряженности и частоты магнитного поля и определение потерь на вихревые токи и гистерезис в зависимости от частоты.

Приборы и исследуемые материалы:

Приборы:

1. Фазовращатель;

2. Конденсатор фазовращателя;

3. Звуковой генератор (ЗГ);

4. Осциллограф;

5. Усилитель осциллографа.

Материалы:

1. Электротехническая холоднокатаная текстурованная сталь;

2. Высоконикелевый пермаллой;

3. Марганец-цинковый феррит.

Краткие теоретические сведения. Основные характеристики ферромагнитных материалов.

Явление ферромагнетизма связано с образованием внутри некоторых материалов небольших областей (размером около 0,001-10 мм) - магнитных доменов. В каждом из них электронные спины (вращение электронов вокруг собственных осей) ориентированы параллельно друг другу и одинаково направлены.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов направлены самопроизвольно и в самых различных направлениях. Поэтому магнитный поток ферромагнитного материала во внешнем пространстве будет равен нулю. Под влиянием внешнего магнитного поля происходит намагничивание ферромагнитного материала.

Под влиянием внешнего магнитного поля происходит намагничивание ферромагнитного материала. При этом растут объёмы доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направлением напряженности поля –H , и магнитные моменты всех доменов ориентируются по направлению вектора. Схема ориентации магнитных моментов доменов при намагничивании ферромагнетика показана на рис.1.

В процессе намагничивания растёт величина индукции В ферромагнетика. Примерная форма зависимости В =f(H) - кривая намагничивания, изображена пунктиром на рис.2.

При определенной максимальной величине напряженности Н_тах происходит техническое насыщение материала, когда величина индукции достигает максимального значения В_тах , дальнейший рост её крайне незначителен.

При работе ферромагнетика в переменном магнитном поле (при изменении направления и величины Н) изменения индукции В имеет форму петли, изображенной сплошной линией на рис.2. Эта петля называется петлей перемагничивания. Петля, вершинами которой являются точки: (В_тах, Н_тах) и (-В_тах, -Н_тах) называется предельным гистерезисным циклом. Кроме величин В_тах и Н_тах этот цикл характеризуется коэрци­тивной силой Н_с и остаточной индукцией В_r (см. рис.2).

По величине Н_с предельного гистерезисного цикла ферромагнетики делят на магнитомягкие - с малыми значениями Н_с (менее 4 кА/м) и магнитотвердые - с большими значениями Н_с (большими 4 кА/м). Последние используются для изготовления постоянных магнитов. Петли гистерезиса, у которых отличие В_r от В_тах не превышает 2-5 % (т.е. 0,9 < В_r / В_тах <1), называют прямоугольными. Ферромагнетики с ППГ (с прямоугольными петлями гистерезиса) применяют в ячейках памяти электронно-вычислительных машин, магнитных усилителях и других устройствах автоматики.

Площадь петли перемагничивания в переменном магнитном поле пропорциональна потерям на перемагничивание за один цикл.

Рис.2 Петля магнитного гистерезиса

Потери на перемагничивание включают потери на гистерезис и вихревые токи. Потери на гистерезис связаны с необратимыми процессами смещения границ доменов и поворотом их магнитных моментов. Мощность, расходуемая на гистерезис, может быть определена по формуле:

, (1)

где

K_r - коэффициент, зависящий от материала;

f - частота тока;

n - показатель степени, равный 1,6- 2;

V - объём ферромагнетика.

Вихревые токи, индуцированные в ферромагнетике, вызывают потери. Мощность, расходуемую на вихревые токи, можно вычислить по формуле:

Pb = Kb f² B²_max V, (2)

где К_В - коэффициент, зависящий от типа ферромаг­нетика.

Как следует из выражений (1) и (2) величина Р_Г зависит от первой степени f а Р_В - от квадрата f. Т.е. с ростом час­тоты f потери Р_В резко возрастают и их приходиться учитывать в первую очередь. Вихревые токи и вызываемые ими потери снижаются за счет увеличения сопротивления ферромагнетика. Поэтому ферромагнетики, предназначенные для работы на повышенных и высоких частотах, должны иметь высокое удельное сопротивление. Важным параметром магнитного материала является от­носительная магнитная проницаемость µ, которая определяется по основной кривой намагничивания (пунктир на рис.2) как отношение индукции В к напряженности Н магнитного поля в данной точке кривой намагничивания.

Различают начальную магнитную проницаемость µ_нач при H=0 и максимальную проницаемость µ_max . Примерный вид зависимость µ=f(H) изображён на рис.3.Величины µ_max у ферромагнетиков значительно больше 1.