ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

СНЯТИЕ ОСНОВНОЙ КРИВОЙ НАМАГНИЧИВАНИЯ ФЕРРОМАГНЕТИКА

Цель работы: построение основной кривой намагничивания и графика зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля ферромагнетика.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

1. Изучить классификацию магнитных материалов.

2. Снять основную кривую намагничивания ферромагнитного материала методом вольтметра и амперметра.

3. Исследовать основные магнитные характеристики ферромагнитных материалов.

4. Оформить отчет.

Основные теоретические положения

Известно, что в каждом электрическом аппарате и в каждой электрической машине для нормальной работы должен существо­вать магнитный поток, поэтому при конструировании любого элек­трооборудования возникает необходимость в материалах, которые были бы хорошими проводниками магнитного потока и создавали бы нужную для работы конфигурацию магнитного поля. Для этого служат магнитные материалы, которые в электрических машинах и аппаратах выполняют роль проводников магнитного потока, или, как их называют, магнитопроводов. Они же могут служить и ис­точниками магнитного потока.

Из сказанного следует, что магнитные материалы являются основой современных генераторов, двигателей, трансформаторов, приборов автоматики и измерительной техники. От качества маг­нитных материалов зависят габариты электрических машин и их мощность на единицу веса.

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. Для характеристики намагничивания вещества вводятся величины: В − магнитная индукция (Тл), Н − напряжен­ность магнитного поля (А/м), J − намагниченность (А/м), − магнитная восприимчивость, μ − магнитная проницаемость, Ф − магнитный поток (Вб).

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля соотношением

. (1)

В соответствии с магнитными свойствами все материалы делят­ся на следующие группы: диамагнитные (диамагнетики), парамаг­нитные (парамагнетики), ферромагнитные (ферромагнетики), анти­ферромагнитные (антиферромагнетики), ферримагнитные (ферримагнетики).

Намагниченность вещества может, как усиливать, так и осла­блять магнитное поле. Если намагниченность направле­на так, что усиливает внешнее магнитное поле, то вещество назы­вают парамагнетиком, а если ослабляет, то диамагнетиком.

К парамагнетикам относятся щелочные и щелочноземельные металлы, соли железа, кобальта, никеля, алюминий, олово, титан, цирконий, эбонит. Это вещества с не полностью заполненными электронными оболочками, и при отсутствии внешнего поля атомы парамагнетиков обладают магнитными моментами.

К диамагнетикам относятся золото, серебро, медь, цинк, свинец, кремний, германий и инертные газы. Это вещества с полностью за­полненными электронными оболочками, т.е. не обладающие маг­нитными моментами при отсутствии внешнего поля

Магнитная восприимчивость парамагнетиков и диамагнетиков очень незначительная и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. В парамагнетиках и диамагнетиках усиление и ослабление магнитного поля происходит очень незначительно. На­пример, магнитная восприимчивость парамагнетиков составляет от 10^-3 до 10^-6, а диамагнетиков от − 10^-6 до − 10^-7. Эти вещества называют слабомагнитными, При практических расчетах элек­тротехнических устройств их магнитные свойства не учитывают­ся.

Наряду со слабомагнитными веществами, существуют и силь­номагнитные вещества, которые усиливают магнитное поле в де­сятки тысяч раз. Такие вещества называют ферромагнетиками, поскольку их главным представителем является железо (Fе) и его сплавы.

К ферромагнетикам относятся: железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и др. При отно­сительно низких температурах ферромагнитами являются некоторые редкозе­мельные элементы (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий и тулий).

Все ферромагнетики характеризуются:

• кристаллическим строением;

• большим положительным значением магнитной восприимчивости (магнитной проницаемости), а также существенной и нелинейной ее зависимостью от напряженности поля и температуры;

• способностью намагничиваться до насыщения при обычных темпера­турах даже в слабых полях;

• гистерезисом − зависимостью магнитных свойств от пред­шествующего магнитного состояния («магнитной предыстории»);

• точкой Кюри, т. е. температурой, выше которой материал теряет фер­ромагнитные свойства.

Химические соединения оксида железа (Fе₂O₃) с оксидами других металлов называют ферримагнетиками, или ферритами. Подобно ферромагнетикам, они также обладают высокой магнит­ной восприимчивостью. Ферримагнетики отличаются от ферромаг­нетиков меньшей индукцией насыщения и тем, что имеют более высокое значение удельного электрического сопротивления за счет того, что они не являются металлами.

Наряду с ферромагнетиками, существуют и антиферромагнетики. В антиферромагнетиках происходит антипараллельная ори­ентация магнитных моментов соседних ионов, и магнитные момен­ты взаимно компенсируются. К антиферромагнетикам относятся хром и марганец.

В качестве магнитных материалов техническое применение в электротехнике находят ферромагнитные и ферримагнитные веще­ства.

Магнитные свойства ферромагнетиков харак­теризуются зависимостями магнитной индукции В или намагниченности J от на­пряженности поля Н и потерь на перемагничивание Р от индукции и частоты.

Магнитная индукция В зависит от величины напряженности магнитного поля Н, определяемой намагничивающим током I и конфигурацией обтекаемого им проводника, и задается обычно в виде кривой В = f(H).Эта зависимость не имеет точного аналитического выражения и обычно находится экспериментальным путем. В общем случае магнитная индукция В не является однозначной функцией напряженности магнитного поля Н, а зависит и от магнитного состояния, в котором пребывал ферромагнетик до воздействия на него внешнего магнитного поля.

Во многих случаях для получения кривых намагничивания в качестве ис­ходного принимают размагниченное состояние образца, при котором в отсутст­вие внешнего поля индукция равна нулю и нет преимущественного направления намагничивания доменов, т. е. их магнитные моменты расположены статистиче­ски равновероятно.

Наилучшее размагничивание возможно при нагреве материала выше точки Кюри и последующего охлаждения при отсутствии внешнего поля, однако в тех­нике этот способ применяют редко в связи с неудобствами его практического осуществления. Чаще всего образец размагничивают, воздействуя на него пере­менным полем с убывающей до нуля амплитудой, используя для этой цели спе­циальные устройства или измерительную схему.

При намагничивании предварительно размагниченного образца различают следующие типы зависимостей:

начальную (нулевую) кривую намагничивания, которую получают при монотонном увеличении Н;

безгистерезисную (идеальную) кривую намагничивания, получаемую при одновременном действии постоянного поля и переменного поля с убываю­щей до нуля амплитудой;

основную (коммутационную) кривую намагничивания, представляющую собой геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса, полу­чающихся при циклическом перемагничивании.

Основная кривая намагничивания является важнейшей характеристикой магнитных материалов, отвечает требованиям хорошей воспроизводимости и широко используется для характеристики намагничивания материалов в постоян­ных полях.

На основной кривой намагничивания принято различать три участка: на­чальный, соответствующий нижнему колену кривой, участок быстрого возраста­ния индукции (намагниченности) и участок насыщения (выше верхнего колена кривой).

В основу расчета магнитных цепей приборов, машин и аппаратов кладется кривая первоначального намагничивания В = f(Н) (рис.1). Для построения кривой В = f(Н), размагниченный образец из ферромагнитного материала помещают в монотонно и медленно нарастающее магнитное поле, отмечая значения Н и В, отвечающие одному и тому же моменту времени.

Рис. 1. Кривая первоначального намагничивания ферромагнитного материала

Различают относительную и абсолютную магнитные проницаемости вещества (материала), которые между собой связаны соотношением

,

где – магнитная постоянная, = 4π·10^-7 Гн/м; – относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина).

Для описания свойств магнитных материалов применяют относительную магнитную проницаемость (чаще называемую магнитная проницаемость), а для практических расчетов используют абсолютную магнитную проницаемость , вычисляемую по уравнению

, (2)

где В – магнитная индукция поля в магнетике, Тл; Н – напряженность намагничивающего (внешнего) магнитного поля, А/м.

Имея кривую первоначального намагничивания, можно установить и построить зависимость величины абсолютной магнитной проницаемости _а ферромагнетика от напряженности магнитного поля Н, т. е. кривую _а = f(H). Величина абсолютной магнитной проницаемости _а является важнейшей характеристикой ферромагнитных материалов и показывает способность материала намагничиваться в том или ином магнитном поле (рис. 2.).

Рис. 2. Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности

Магнитного поля

Как видно из кривой _а = f(Н), абсолютная магнитная проницаемость ферромагнетиков изменяется в весьма широких пределах от ₀ (при Н = 0 и Н = ) до _амакс (при Н = Н'). Наибольшее значение абсолютной магнитной проницаемости _амакс можно определить непосредственно по кривой первоначального намагничивания. Для этого из начала координат 0 проводят касательную 0А к кривой В = f(Н) и находят координаты Н', В' точки касания А (рис.1). Отношение В' к Н' определяет собой наибольшее значение абсолютной магнитной проницаемости _амакс

_амакс. (3)

Для ферромагнитных материалов, подвергающихся воздействию переменного по величине и направлению магнитного поля, основной характеристикой является петля гистерезисного цикла, изображающая зависимость величины магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н, т. е. В = f(H).

После нескольких (около 10) циклов изменения напряженности от положительного до отрицательного максимальных значений зависимость B = f(H) начнет повторяться и приобретет характерный вид симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса. Гистерезисом называют отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля. Явление гистерезиса характерно вообще для всех процессов, в которых наблюдается зависимость какой-либо величины от значения другой не только в текущем, но и в предыдущем состоянии, т.е. B₂ = f(H₂, H₁) − где H₂ и H₁ − соответственно текущее и предыдущее значения напряженности.

Петли гистерезиса можно получить при различных значениях максимальной напряженности внешнего поля H_m (рис. 3). Геометрическое место точек вершин симметричных циклов гистерезиса называется основной кривой намагничивания. Основная кривая намагничивания практически совпадает с начальной кривой.

Рис. 3. Изменение магнитной индукции в зависимости от величины

Напряженности магнитного поля при постепенном уменьшении Hm

Симметричная петля гистерезиса, полученная при максимальной напряженности поля H_m (рис. 3), соответствующей насыщению ферромагнетика, называется предельным циклом.

Для предельного цикла устанавливают также значения индукции B_r при H = 0, которое называется остаточной индукцией, и значение H_c при B = 0, называемое коэрцитивной силой. Коэрцитивная (удерживающая) сила показывает, какую напряженность внешнего поля следует приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля.

Важной магнитной характеристикой ферромагнетиков в быстроменяющемся магнитном поле является его абсолютная амплитудная или динамическая проницаемость _а~ определяемая как:

, (4)

где и − соответственно максимальные магнитная индукция и напряженность магнитного поля.

Определяется по динамической кривой намагничивания, являющейся геометрическим местом вершин динамических петель. При небольшой частоте f намагничивающего тока и тонких листах ферромагнитного материала динамическая кривая намагничивания практически совпадает с кривой первоначального намагничивания, получаемой при медленно нарастающем значении напряженности магнитного поля, так что _а~ = _а.

В данной работе для получения основной кривой намагничивания В(Н) ис­пользуется метод, заключающийся в следующем: на кольце из ферромагнитного материала расположены две обмотки (рис. 3). Первичная (намагничиваю­щая) обмотка содержит w₁ витков, а вторичная с числом витков w₂ предназначена для измерения величины магнитной индукции В.

Рис. 3. Схема электрическая функциональная установки для получения