Дослідження властивостей магнітних матеріалів

Мета роботи

Метою роботи є вивчення властивостей магнітних матеріалів, вимірювання кривої намагнічення та дослідження впливу напруженості магнітного поля на основні параметри цих матеріалів.

Основні положення

Властивості феромагнітних матеріалів характеризують залежністю магнітної індукції В від напруженості магнітного поля Н

(5.5.1)

де - магнітна постійна, = ,

- відносна магнітна проникність, яка показує у скільки разів магнітна

індукція поля у даному матеріалі більша ніж у вакуумі.

Якщо феромагнітний матеріал намагнічувати полем, напруженість якого буде змінюватись від +H до -H, а потім знову до +H, то магнітна індукція буде змінюватись по кривій, яка називається петлею гістерезису.

Кожному, змінюючим таким чином, значенню напруженості H_i буде відповідати своя петля гістерезису, а для декількох значень напруженості можна отримати сімейство гістерезисних петель. Петля гістерезису , що не змінює своїх розмірів при зростанні напруженості, а тільки видовжує кінцеву безгістерезісну частину називається граничною петлею (рис.5.5.1). Точка перетину граничної петлі гістерезису з віссю В координат дає можливість визначити залишкову індукцію B_r (значення індукції магнітного поля в матеріалі при відсутності напруженості поля), а точка перетину цієї петлі з віссю Н координат

дає можливість визначити коерцитивну силу H_c (намагніченість магнітного поля, при якій індукція в матеріалі дорівнює нулю.)

Максимальне значення індукції, визначене по граничній петлі гістерезису, називають індукцією насичення B_S .

Г

Рисунок 5.5.1 - Сімейство петель

гістерезису

еометричне місце вершин петель гістерезису, отриманих при циклічному перемагнічуванні матеріалу, називають основною кривою намагнічення, яка дає можливість визначити відносну магнітну проникність точки кривої та для кожної

побудувати її залежність від

напруженості магнітного поля.

При намагнічуванні магнітного матеріалу магнітним полем, що періодично змінюється, магнітна індукція змінюється по кривій, яка називається динамічною петлею гістерезису.

Форма динамічної петлі залежить від амплітуди, частоти та форми кривої поля, яким намагнічується матеріал. Вона близька до еліпсу в слабких полях та при підвищеній частоті. Внаслідок нелінійності функції В(Н) індукція та напруженість поля не можуть бути одночасно синусоїдними, тому слід розрізняти режим намагнічення, при якому форма кривої магнітної індукції синусоїдна та режим, при якому форма кривої напруженості синусоїдна. Більш доцільним в електроенергетиці є режим синусоїдної магнітної індукції.

Геометрічне місце вершин динамічних петель називають динамічною кривою намагнічення. Характеристикою магнітних матеріалів в змінних магнітних полях є динамічна магнітна проникність , яку визначають по співвідношенню

, (5.5.2)

де В_а , Н_а – амплітудні значення індукції та напруженості магнітного поля, відповідно, у кожному циклі намагнічення.

Значення початкової і максимальної проникності разом із значеннями індукції насичення В_S і коерцитивної сили Н_С складають основні магнітні параметри матеріалів.

В даній роботі використано осцилографічний метод визначення динамічної кривої намагнічення та цих основних параметрів ( рис.5.5.2).

Рисунок 5.5.2 Принципова схема для визначення динамічних характеристик

магнітних матеріалів осцилографічним методом

На кільцеподібне осереддя зразка намагнічення (ЗН), виготовленого із магнітного матеріалу, що досліджується, намотано дві обмотки: намагнічення - ОН та вимірювальна ОВ з кількістю витків та відповідно. Джерелом живлення кола намагнічення є генератор G синусоїдної напруги із регульованою частотою f. На горизонтальний вхід “X” електропроменевого осцилографа (ЕПО) подається напруга пропорційна напруженості Н поля намагнічення, а на вертикальний вхід “Y” ЕПО подається напруга , пропорційна індукції В в матеріалі зразку ЗН.

Для того, щоб отримати напругу пропорційну напруженості Н, в коло струму намагнічення підключено зразковий резистор . Тоді (враховуючи, що по закону повного струму ) отримаємо

де ( = ) - довжина середньої лінії потоку намагнічення;

- середній діаметр кільця;

- кількість витків обмотки намагнічення ОН;

- опір резистора ;

Щоб отримати напругу, пропорційну магнітній індукції В, до зажимів вимірювальної обмотки ОВ приєднане інтегруюче коло. Оскільки електрорушійна сила на зажимах ОВ

то напругу на конденсаторі можна визначити по виразу

,

де Ф - магнітний потік в матеріалі ЗН;

-площа перетину осереддя зразка намагнічення;

С - ємність конденсатора С.

Для визначення амплітудних значень В_а та Н_а необхідно провести градуювання осцилографа. Для цього на горизонтальний “X” та вертикальний “Y” входи ЕПО подаються напруги з відомими діючими значеннми та , відповідно, та обчислюються масштаби

; (5.5.3)

де - довжини(mm) променевих полосок по горизонталі та вертикалі на екрані ЕПО, що відповідають подвійним амплітудам (размаху) напруг, відповідно.

Таким чином, встановивши за допомогою генератора G напругу та частоту в колі намагнічення, можна на екрані осцилографа отримати зображення петлі гістерезісу. Змінюючи напругу генератора при постійній частоті можна отримати сімейство петель гістерезису та побудувати динамічну криву намагнічення.

Значення напруженості Н_а та індукції В_а можна розрахувати по формулам

; (5.5.4)

де - масштаб напруженості , ;

- масштаб індукції , ;

- відхілення променя ЕПО по горизонталі та вертикалі, відповідно, mm.

Схема вимірювань та аппаратура

Схема вимірювань наведена на рис. 5.5.2.

У лабораторній роботі використана така аппаратура:

• генератор;

• електронний осцилограф;

• електронний вольтметр;

• лабораторний макет магнітного осереддя.

Домашнє завдання

1. Вивчіть тему “Магнітні матеріали” [1,с.267-296].

2. З’ясуйте мету та методику вимірювання основної та динамічної кривих намагнічування за допомогою електронного осцилографа, а також основні магнітні параметри матеріалу.

3. Наведіть схему експериментального дослідження.

4. Складіть план роботи в лабораторії.

Лабораторне завдання

1. Проведіть градуювання осцилографа та визначіть масштаби m_x, m_y за формулами (5.5.3). Заповніть таблицю 5.5.1.

Таблиця 5.5.1

N1 витків	N2 витків					C,F

2. Проведіть відповідно мети та розробленного плану дослідження за заданим викладачем значенням частоти напруги. Для цього зареєструйте за допомогою ЕПО сімейство петель гістерезису, побудуйте їх. Визначте координати вершин сімейства петель гістерезису . За формулами (5.5.2) та (5.5.4) обчисліть значення Н_а, В_а та . Результати вимірюварь та розрахунків внести в табл. 5.5.2 (зразок).

Таблиця 5.5.2

№ п/п			Ha, A/m	Ba, T

3. За даними вимірювань та обчислень побудуйте криву намагнічення матеріалу. Визначіть значення початкової і максимальної магнітних проникностей дослідженого матеріалу.

4. Побудуйте, користуючись методом графічного диференціювання, залежність динамічної магнітної проникності від напруженості магнітного поля.

5. По зображенню граничної петлі гістерезису визначте значення індукції

насичення B_S , залишкової індукції B_r та коерцитивну силу Н_С. Результати розрахунків

внесіть до таблиці 5.5.3.

Таблиця 5.5.3

					Матеріал магнітопроводу

6. Порівняйте отримані значення із довідковими та визначте матеріал досліджуваного зразка.

7. За підсумками досліджень зробіть висновки про зв’язок основних параметрів магнітних матеріалів з параметрами магнітного поля. Надайте коротку характеристику дослідженого матеріалу і вкажіть основні галузі використання магнітом’яких матеріалів.

Додаток А

Таблиця Д1- Властивості металів при 20

Метал	Питомий опір,	Густина,	Температура розплаву,	Питома теплоємність,	ТК питомого опору,	Коефіцієнт теплопровідності,
Мідь, Cu	0,017	8,94	1083	385	43	390
Алюміній, Al	0,028	2,7	657	922	42	209
Залізо, Fe	0,098	7,87	1535	452	60	73
Цинк, Zn	0,059	7,14	420	390	-	111
Свинець, Pb	0,21	11,40	327	130	37	35
Золото, Au	0,024	19,3	1063	126	38	293
Срібло, Ag	0,016	10,5	961	234	40	415
Олово, Sn	0,12	7,31	232	226	44	65
Вольфрам, W	0,055	19,3	3380	218	46	168

Додаток Б

Матеріал	Марка	Залишкова індукція Вr, Т	Коерцитивна сила Hc, кА/m	Питома максимальна магнітна енергія, J/m3	Коефіцієнт повернення, ρ∙10-6 G/m	Коефіцієнт опуклості, a
Вуглецева сталь	-	0,9	3,5	800	53	0,77
Хромиста сталь	ЕХ3	0,9	4,61	960	51	0,74
Вольфрамова сталь	Е7В6	1,0	4,94	1160	46	0,77
Кобальтова сталь	ЕХ5К5	0,85	7,95	1550	26	0,79
Кобальтово-ванадієвий сплав	Вікалой-1	0,88	24	4000	13	0,64
Нікелево-мідний сплав	Куніфе-1	0,58	47	7800	1,8	0,86
Алюмінієво-нікелево-мідний сплав	ЮНД4	0,5	40	3600	5,6	0,56
Алюмінієво-нікелево-кобальтовий сплав	ЮНДК15	0.75	48	6000	8.5	0.45
- // -	ЮНДК18	0.9	55	9700	5.9	0.64
- // -	ЮНДК24	1.23	44	16000	2.5	0.91
Феріт барія	0,7БІ	0,19	120	3000	1,4	0,09
Платіно-кобальтовий сплав	-	0,45	210	19000	1,57	0,65

Таблиця Д2 - Характеристики магніто твердих матеріалів

Додаток В

Таблиця Д3 - Головні (усереднені) електричні параметри ізоляційних матеріалів

№	Матеріал	ε, (при 50Hz)	,	,	(при 50Hz)	Eпр , (при 50 Hz)
1	Поліетилен	2,3	1015	1014	3·10-4	15
2	Полістирол	2,5	1015	1015	2·10-4	25
3	Фторопласт -3	2,3	1016	1017	2·10-2	20
4	Фторопласт-4	2,0	1016	1017	2·10-4	30
5	Поліхлорвініл	4,0	1014	1014	6·10-2	15
6	Поліметіл метакрилат (органічне скло)	4,0	1012	1012	5·10-2	25
7	Епоксидні смоли	3	1013	1013	2·10-2	60
8	Поліамідні смоли	3	1012	1012	3·10-2	15
9	Фенолформальдетідні смоли (бакеліт)	6	1012	1012	6·10-2	15
10	Полівінілхлорід (вініпласт)	3,5	1013	1014	3·10-2	20
11	Полікарбонат	3,2	1015	1015	6·10-3	30
12	Ебоніт	3,7	1014	1013	10-2	20
13	Мікалекс	7	1012	1012	6·10-3	15
14	Ультрафарфор	8	1012	1012	6·10-4	30
15	Гетинакс	5,5	1010	1010	7·10-2	20
16	Текстоліт	7	1010	1010	7·10-2	7
17	Склотекстоліт	9	1010	–	6·10-2	120
18	Ситал	6	1012	–	1·10-3	60
19	Слюда-мусковіт	7	1013	1012	6·10-3	–
20	Слюда-флогоніт	6,5	1012	1011	10-2	–

38