Материалы и компоненты электронных средств [РТФ, Самохвалов, 4 семестр] / Материалы электронных средств

меняют в качестве магнитных изделий (разнообразных сердечников, магнитопроводов, полюсных наконечников, телефонных мембран, магнитных экранов и т. д.) в различных приборах и аппаратах: реле, дросселях, трансформаторах и т. д.

При изучении магнитных свойств ферромагнитных материалов используют образцы кольцевой формы. При использовании таких сердечников истинная напряженность магнитного поля внутри образца, к которой нужно отнести измеренное значение магнитной индукции, равна напряженности внешнего магнитного поля, создаваемого током, протекающим в намагничивающей обмотке катушки индуктивности.

3 МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Для наблюдения петель гистерезиса на экране осциллографа к пла-

стинам горизонтального отклонения (вход X) прикладывают напряжение UR, снимаемое с образцового резистора R0. Напряженность поля в соленоиде и падение напряжения на резисторе пропорциональны току во входной цепи. Отсюда следует, что напряженность магнитного поля и падение напряжения UR связаны линейной зависимостью.

Рис. 1. Схема установки для испытания ферромагнитных материалов:

G – генератор синусоидальных токов; М – испытуемый образец магнитного материала;

R0 – образцовый резистор; Rи, Си – интегрирующая цепочка

41

На вертикальный вход осциллографа (Y) подают напряжение Uc, снимаемое с конденсатора Си интегрирующей цепочки. Напряжение на конденсаторе можно рассчитать по формуле

Uc 1 (1) Cи

где iи – ток в интегрирующей цепочке. Если Rи >> I / С, то

Таким образом, напряжение, подаваемое на пластины вертикального отклонения осциллографа, пропорционально индукции в образце магнитного материала. При одновременном приложении напряжений UR и UС к пластинам осциллографа на его экране получится гистерезисная петля, характеризующая зависимость магнитной индукции в образце от напряженности магнитного поля.

Для измерения частотной зависимости начальной магнитной проницаемости с помощью генератора синусоидальных сигналов во входной обмотке соленоида создается слабое магнитное поле, соответствующее начальному участку кривой намагничивания образца. При этом значение на-

42

пряженности поля контролируется по падению напряжения UR, измеряемому ламповым вольтметром на резисторе R0. Измеряя суммарное напряжение Uвх на входе схемы, можно легко определить падение напряжения UL на катушке индуктивности с исследуемым сердечником. В слабом поле потерями по перемагничиванию сердечника можно пренебречь и полагать, что сопротивление катушки носит чисто индуктивный характер, т. е. падение напряжения на катушке сдвинуто по фазе относительно тока на /2. Наличие вторичной обмотки, замкнутой на интегрирующую цепочку с высокоомным сопротивлением Rн, практически не влияет на результаты (т. е. вторичную цепь можно считать разомкнутой).

Напряженность магнитного поля внутри кольцевого ферромагнитного сердечника связана с током в намагничивающей обмотке соотношением

где 1 – число витков в первичной обмотке на образце испытуемого ферромагнетика; 2 rcp – средняя длина линий магнитной индукции для кольцевого сердечника; rср – средний радиус образца (мм).

где UH – напряжение, подаваемое при градуировке на вход осциллографа, В; R0 – сопротивление образцового резистора, Ом; x0 – горизонтальное отклонение луча осциллографа под действием напряжения UН, мм.

С учетом выражения (3) масштаб вертикальной оси вычисляют по формуле

43

где UВ – напряжение, подаваемое при градуировке на вертикальный вход осциллографа, В; Си – емкость конденсатора интегрирующей цепочки, Ф; Rи – сопротивление резистора интегрирующей цепи, Ом; 2 – число витков вторичной обмотки сердечника; S – площадь поперечного сечения сердечника, м2; у0 – вертикальное отклонение луча осциллографа под действием напряжения, мм.

Напряженность магнитного поля и соответствующая ей магнитная индукция в образце определяется по формулам:

Hm mH x; Bm mB y,

где х и у – координаты кривой намагничивания.

Относительная магнитная проницаемость вычисляется из соотношения

Для определения магнитной проницаемости рассчитывается индуктивность обмотки с сердечником на различных частотах при постоянной напряженности магнитного поля. Индуктивность L вычисляется по формуле

L UL , Гн, 2 f I

где UL – падение напряжения на катушке индуктивности, В; I – ток в цепи, А.

Полагая, что сопротивление катушки носит чисто индуктивный характер, напряжение UL можно вычислить по формуле

UL Uвх2 U2R .

По измеренному значению падения напряжения на образцовом резисторе определяется ток во входной цепи

44

I UR .

R0

Магнитная проницаемость образца вычисляется из соотношения

L 2 r2ср .

0 1 S

Напряженность поля, соответствующая полученному значению магнитной проницаемости, находят по формуле (4).

Энергию, поглощаемую в единице массы магнитного материала за один цикл изменения внешнего поля, определяют по формуле

ЭГ Sп mн mв d , Дж/кг,

где Sп – площадь гистерезисной петли, мм2, d – плотность исследуемого материала. Площадь гистерезисной петли можно определить с помощью кальки и миллиметровой бумаги.

Удельная мощность потерь на перемагничивание вычисляется в виде РГ ЭГ f , Вт/кг.

4 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Подготовка к испытаниям Вход генератора сигналов подключить к гнездам 1 и 3 стенда. Со-

единить точки 2 и 3 с горизонтальным входом осциллографа, а на вертикальный подать напряжение с гнезда 4. Вывести на минимум регулятор выходного напряжения генератора сигналов. Включить осциллограф и генератор сигналов, настроив его на частоту 50 Гц.

При помощи регулятора выходного напряжения получить гистерезисную петлю на экране осциллографа и, плавно увеличивая напряжение, довести индукцию в образце до насыщения. Ручками усиления осциллографа произвести коррекцию гистерезисной петли с таким расчетом, чтобы координаты ее вершин по осям Х и Y равнялись 30 мм сетки экрана, считая от центра.

45

При дальнейших измерениях ручки горизонтального и вертикального усиления не трогать.

2. Градуировка осей осциллографа Отключить осциллограф и генератор сигналов от испытательного

стенда. Выход генератора соединить с горизонтальным входом осциллографа, а зажимы вертикального входа закоротить. С помощью регулирующего потенциометра установить такое выходное напряжение генератора, чтобы максимальное отклонение луча точно соответствовало отклонению по горизонтальной оси при наблюдении гистерезисного цикла (30 мм). Полученное напряжение на выходе генератора измерить вольтметром. Результат измерений внести в табл. 1.

Градуировку вертикальной оси осциллографа произвести аналогичным способом с тем отличием, что следует закоротить горизонтальный вход осциллографа. Измеренное значение напряжения записать в табл. 2.

3. Получение основной кривой намагничивания и зависимости потерь в образце от магнитной индукции.

Подключить осциллограф для наблюдения гистерезисной петли. При помощи регулятора выходного напряжения постепенно увеличивать напряженности магнитного поля в образце от нуля до максимального значе-

46

ния через Н, которое соответствует х=5 мм на сетке экрана осциллографа. При каждом установленном значении Н зарисовать на кальку форму петли гистерезиса. Измерить координаты вершин гистерезисных циклов и данные опытов занести в табл. 3. При работе в слабых магнитных полях рекомендуется переключатель «ослабление» вертикального входа установить в положение 1:1.

Таблица 3

Х, мм Hm, A/m Y, мм Bm, Тл Sп, мм2 ЭГ, Дж/кг lg ЭГ lg В

4. Определение частотной зависимости потерь Установить частоту генератора сигналов равной 200 Гц. Регулятором

выходного напряжения добиться напряженности магнитного поля в образце соответствующей 30 мм сетки на экране осциллографа. Полученную гистерезисную петлю зарисовать на кальку. То же самое повторяют для частот 400, 600, 800 Гц. Результаты измерений заносят в таблицу 4.

5. Определение частотной зависимости начальной магнитной проницаемости

Отсоединить осциллограф от испытательного стенда и вывести на минимум регулятор выходного напряжения генератора сигналов. Подключить ламповый вольтметр параллельно резистору R0 (заземленным выводом к гнезду 3). На частоте 50 Гц с помощью регулятора выходного напряжения установить на резисторе напряжение UR = 30 мВ. Переключить по-

47

тенциальный вывод вольтметра к гнезду 1 и измерить общее напряжение на входе схемы Uвх. Провести аналогичные испытания на частотах 75, 100, 150, 200, 400, 600 и 800 Гц. Результаты измерений занести в таблицу 5. (Измерения U можно выполнять с помощью осциллографов).

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1.Свойства и классификация магнитомягких материалов.

2.Пояснить, используя принципиальную схему установки, каким образом на экране осциллографа получить петлю гистерезиса в координатах

Ни В.

3.Объясните зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности магнитного поля.

4.Какую характеристику материала сердечника характеризует площадь петли гистерезиса в координатах Н и В?

5.Как объяснить влияние частоты на значение начальной проницаемости ферромагнетика?

6.Применение магнитомягких материалов.

48

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

«ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФЕРРИТОВ»

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Ознакомление с основными магнитными характеристиками ферритов

и методами их определения.

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Ферриты — это ферримагнитная керамика, сочетающая в себе вы-

сокие магнитные свойства и высокое удельное сопротивление и, следовательно, низкие потери на вихревые токи, что позволило их применять в области ВЧ и СВЧ, т. е. там, где металлические магнитомягкие материалы применять невозможно.

Ферритами называют магнитные материалы, являющиеся двойными окислами железа и двухвалентных (реже – одновалентных) металлов, соответствующие следующей общей формуле: МеО – Fe2О3, где Me – символ двухвалентного металла. Ферриты отличаются от ферромагнетиков меньшей величиной индукции насыщения, имеют более сложную температурную зависимость индукции и повышенное, а для некоторых материалов и очень высокое, значение удельного сопротивления. Первые два отличия упрощенно могут быть объяснены наличием в структуре сложного материала двух подрешеток, создающих встречные нескомпенсированные магнитные потоки, третье – тем, что эти материалы относятся к неметаллам.

Индукция насыщения у ферритов составляет 0,1—0,4 Тл (значительно ниже, чем у магнитомягких сплавов). Однако у сплавов в высокочастотных полях индукция насыщения становится ниже, чем у ферритов, из-за высоких размагничивающих вихревых токов. Применяющиеся в технике ферриты называют за рубежом также оксиферами.

49

По свойствам и применению ферриты разделяют на следующие группы: а) магнитомягкие ферриты для радиочастот (НЧ и ВЧ), б) ферриты СВЧ, в) ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), г) магнитотвердые ферриты. Магнитомягкие ферриты применяются при изготовлении катушек, фильтров, сердечников импульсных трансформаторов и т. д. Свойства ферритов и соответственно изделий из них сильно зависят от их состава и технологии получения. Полученные ферритовые изделия являются твердыми и хрупкими и не позволяют производить механическую обработку, кроме шлифовки и полировки.

3 МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Принципиальная схема установки для определения полевой и час-

тотной зависимости магнитной проницаемости приведена на рис.1. На испытуемый ферритовый сердечник намотана измерительная обмотка с числом витков W. Последовательно с катушкой индуктивности L включен резистор R, падение напряжения на котором UR пропорционально току I и напряженности магнитного поля Н, воздействующего на образец.

Рис. 1. Принципиальная схема установки для измерения магнитных свойств ферритов

Ток в обмотке катушки индуктивности определяется как

I URR ,

где R = 5 Ом.

50