6. Исследование свойств магнитных материалов

С ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛОГРОФА

Цель работы: Исследование зависимости индукции В, относительно магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля Н и мощности потерь Р от частоты изменения электрического поля.

Сведения из теории. Все ферромагнитные материалы обладают нелинейной зависимостью магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н. Указанная нелинейность объясняется доменной структурой этих материалов. При воздействии внешнего поля на магнитный материал, его домены ориентируются в направлении этого поля. С этого момента практически прекращается рост магнитной индукции при увеличении напряженности магнитного поля, то есть наступает насыщение.

На рисунке 6.1. показана кривая намагничивания ОА и петля гистерезиса АВДН. Гистерезисный цикл можно получить при монотонном изменении поля Н последовательно от +Нмакс до –Нмакс и обратно. Площадь гистерезисного цикла зависит от приложенной напряженности магнитного поля Нмакс. Однако увеличение площади гистерезисного цикла с некоторого значения напряженности Н прекращается и наступает насыщенность образца.

Если образец намагнитить до насыщения, а затем снять внешние намагничивающие поля, то магнитная индукция уменьшится до значения В, которое называется остаточной индукцией. Чтобы уменьшить индукцию от значения В до нуля, необходимо приложить обратно направленную напряженность поля –Нс, называемую коэрцитивной силой. На рисунке 6.2 дана зависимость магнитной проницаемости μ от величины напряженности магнитного поля Н. Её можно определить по кривой намагничивания и формуле: Гн/м.

К основным характеристикам магнитного материала относятся начальная магнитная проницаемость μ_н и максимальная магнитная проницаемость μ_max . Всё вышесказанное относится к кривым, снятым на постоянном токе, которые называются статическими. При снятии этих же зависимостей на переменном токе получаются динамические кривые.

Площадь гистерезисной петли в последнем случае пропорциональна потерям на перемагничивание и вихревые токи. Потери на перемагничивание могут быть определены по формуле:

(6.1)

где η – коэффициент зависит от свойств материала; f – частота тока; Вмах – максимальная индукция, достигаемая в данном цикле; n – показатель степени (в пределах от 1,6 до 2).

Потери на вихревые тока определяются по формуле:

, (6.2)

где К – коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления материала ферромагнитного сердечника и его формы.

При низких частотах можно не учитывать потери на вихревые токи по сравнению с потерями на перемагничивание. С увеличением частоты потери, связанные с возникновением вихревых токов, также возрастают. Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечника выполняются не сплошными, а разделенными на отдельные пластины, изолированные друг от друга.

Для работы на более высоких частотах ферромагнитные сердечники изготавливаются из порошка, который смешивается с изолирующим материалом, а затем прессуется в виде сердечников необходимой формы. Такие материалы называются магнитодиэлектрическими. Они имеют малую величину коэффициента магнитной проницаемости.

Другим видом высокочастотного материала, имеющего большую магнитную проницаемость, являются ферриты и оксиферы (μ_max≈10^-2 Гн/м). По всей структуре они представляют собой феррокерамику. Указанные материалы имеют малое значение потерь на вихревые токи.

Исследование свойств магнитных материалов в данной работе производится с помощью электронного осциллографа, на экране которого фиксируется гистерезисная петля.

Схема для определения динамической петли гистерезиса при помощи электронного осциллографа показана на рисунке 6.3, где Г – генератор переменного тока; R₀ – сопротивление, обеспечивающее работу генератора в режиме «заданного» тока; R₁ – калиброванное сопротивление; ИО – испытуемый образец с двумя обмотками; R₂C – интегрирующая цепь; ЭО – электронный осциллограф.

К горизонтальному входу (Х) осциллографа подводятся напряжение, снимаемое с калиброванного сопротивления R₁. Падение напряжения на нём будет пропорционально намагничивающемуся току I.

Максимальная напряженность магнитного поля определяется из выражения:

(6.3)

где ω₁ – число витков первичной обмотки; I₁ – действующая величина тока; – средняя длина силовой линии магнитного потока, замыкающегося в испытуемом сердечнике.

Максимальная индукция в сердечнике определяется по формуле:

(6.4)

где U₂ – напряжение, индуцированное на входных зажимах вторичной обмотки; ω₂ – число витков на вторичной обмотке; f – частота тока, на которой производятся измерения; S – площадь сечения магнитопровода сердечника.

Порядок выполнения работы.

1. Образец магнитного материала (феррита) подключить к схеме как указано на рис.3. Включить питание генератора, установив частоту 1000 Гц. Для получения гистерезисной петли на экране осциллографа необходимо предварительно установить ручку вертикального и горизонтального усиления примерно в среднее положение. Снимаемое с генератора напряжение, увеличить с помощью ручки «рег.вых.напряж.» так, чтобы получить на экране осциллографа гистерезисную петлю в режиме насыщения образца. Поставить положение ручек усиления по горизонтальному и вертикальному входам осциллографа с таким расчетом, чтобы вершина гистерезисной петли соответствовала значениям:

Нмакс=4 см, Вмакс=3 см.

2. Произвести градуировку чувствительности по осям осциллографа. Чувствительность горизонтальной оси осциллографа определить по формуле:

(6.5)

где - максимальное отклонение луча на экране осциллографа по горизонтальной оси в метрах; - ток в амперах, измеренный по миллиамперметру, включенному в первичную обмотку образца (рис. 3).

Градуировку чувствительности по вертикальной оси осциллографа произвести по вольметру, включенному во вторичную обмотку испытуемого образца, и определить по формуле:

(6.6)

где - максимальное отклонение луча на экране осциллографа по вертикальной оси в метрах; - напряжение по вольтметру в вольтах.

После градуировки чувствительности положение ручек «усиление» на осциллографе не изменять до конца испытания.

3. Снять кривую намагничивания образца. Для чего ручкой «регулировка выхода» на генераторе установить по оси Х h_х=0,5; I: 1,5; 2; 2,3; 2,5; 3; 3,5; 4 см и записать в таблицу соответствующие значения h_х , . Рассчитать хотя бы одно значение μ₂.

Таблица 6.1

hх, м	, м	Н, А/м	В, Тл	μ, Гн/м	μ2

Одновременно зарисовать все гистерезисные петли магнитного образца на одном графике.

4. Определить потери в образце магнитного материала при разных частотах от 0 до 1000 Гц. При изменениях потерь необходимо для каждой частоты определить ширину гистерезисной петли Q_x и её полную высоту Q_y (рис.5.3.). Результаты измерений занести в таблицу 2 и зарисовать гистерезисные петли.

Таблица 6.2

f, Гц	Qx, м	Qy,м	S, м2	Р, Вт

5. По результатам измерений произвести расчёты.

Вычисление максимального напряжения произвести по формуле:

A/m (6.7)

где

Максимальную индукцию в сердечнике определить по формуле:

Тл, (6.8)

где ; S=42·10^-6м².

Величину потерь в образце ферромагнитного материала найти из выражения:

, Вт, (6.9)

где S –площадь гистерезисной петли в м² .

Вычисление площади гистерезисной петли произвести из графика (рисунок 6.3) приближенным методом по формуле:

м² (6.10)

Магнитную проницаемость образца рассчитать по формуле:

Тл/м, (6.11)

где μ – абсолютная величина магнитной проницаемости.

Для магнитных материалов в литературе указывается относительная магнитная проницаемость μ₂, а абсолютная магнитная проницаемость рассчитывается по формуле:

(6.12)

где =42·10^-7=1,26·10^-6 Гн/м.

Отсюда находим относительную магнитную проницаемость.

(6.13)

Отчет по работе должен содержать:

1. Схема установки.

2. Краткое изложение сущности метода.

3. Описание материалов, с которыми студенты ознакомились в данной работе.

4. Результаты вычислений и наблюдений в виде таблицы формул, по которым производились расчёты.

5. Зарисовки циклов намагничивания для образца материала и степени намагничивания.

6. График основной кривой намагничивания B=f(H).

7. График магнитной проницаемости μ=f(H) и график потерь P=φ(f) от частоты тока.

Рисунок 6.4

Рыбаков Валерий Алексеевич,

Хомутов Станислав Олегович