Елманов Физические свойства 2014

дефекты помешают границам доменов вернуться в исходное положение. Процессы необратимого смещения границ доменов обусловливают эффект Баркгаузена, заключающийся в том, что при плавном увеличении напряженности поля величина намагниченности возрастает не плавно, а скачкообразно. Следовательно, наиболее крутой подъем на кривой намагничивания при более детальном исследовании представляет собой непрерывный ряд скачкообразных изменений намагниченности.

Петля гистерезиса и магнитные характеристики ферромаг-

нитных материалов. Поскольку при насыщении все магнитные моменты атомов ориентированы вдоль поля, то величина намагниченности насыщения Iнас определяется только числом электронов,

находящихся на незаполненных 3d-оболочках, в частности для железа при температуре 0 К Iнас.Fe = 2,22MБ.NFe, а для никеля – Iнас.Ni = = 0,6MБ.NNi, где N – число атомов в единице объема.

Если после получения основной кривой намагничивания предварительно размагниченного образца уменьшать значение магнитного поля, то значения намагниченности не будут совпадать с основной кривой (рис. 2.9). Это явление называется магнитным ги-

стерезисом.

Значение намагниченности (магнитной индукции), получаемое при равной нулю напряженности магнитного поля, называется

остаточной намагниченностью Iост (остаточной индукцией Bост).

Значение магнитного поля, при которой индукция станет равной нулю, называется коэрцитивной силой Hк. При полном цикле перемагничивания кривая намагничивания приобретает вид симметричной замкнутой петли, называемой петлей гистерезиса.

Рис. 2.9. Гистерезис намагничивания ферромагнетика

При уменьшении амплитуды изменения внешнего магнитного поля петля гистерезиса сужается, и при малой амплитуде, когда

41

намагничивание происходит только за счет обратимого перемещения доменных стенок (стадия 1 намагничивания), петля вырождается практически в прямую линию. Площадь, ограниченная петлей гистерезиса, пропорциональна работе, затрачиваемой на перемагничивание образца за один цикл.

Остаточная намагниченность ферромагнетиков является струк-

турно-зависимой характеристикой (в отличие от намагниченности насыщения) и определяется, в первую очередь, наличием текстуры в образце и ориентацией внешнего магнитного поля по отношению к направлению легкого намагничивания образца. Для изотропного материала и случая, когда намагничивание происходит главным образом за счет необратимого поворота векторов намагничивания доменов в одно из направлений легкого намагничива-

ния, Iост 0,5Iнас (из-за усреднения проекций векторов намагничивания доменов на направление поля).

Коэрцитивная сила также является структурно-зависимой характеристикой, но определяется главным образом дефектностью кристаллической решетки: торможением перемещения доменных стенок в периодически изменяющимся поле механических напряжений, а также их закреплением на включениях немагнитных фаз. Заметим, что для эффективного закрепления доменных стенок включения должны иметь размер порядка толщины стенки.

Пластическая холодная деформация (т.е. ниже температуры ре-

кристаллизации) вызывает искажения пространственной решетки. Внутренние напряжения, обусловленные искажением решетки, затрудняют процессы намагничивания и размагничивания ферромагнетиков. Магнитная проницаемость при наклепе понижается, и тем значительнее, чем больше степень обжатия. Коэрцитивная сила, наоборот, возрастает с повышением степени обжатия. Рекристаллизационный отжиг действует противоположно наклепу: повышает проницаемость, понижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис, приводя значения этих свойств приблизительно к исходным величинам, которые имели место до наклепа.

При нагревании ферромагнетика наблюдается понижение намагниченности, причем это понижение происходит сначала медленно, а затем намагниченность резко падает и при температуре Кюри становится практически равной нулю (остается парамагнитная составляющая намагниченности).

42

ной силой Hк 4 кA/м. Намагничивание происходит за счет вращения вектора намагниченности, хотя в некоторых сплавах на основе редкоземельных элементов преобладает смещение междоменных границ. Основное применение этих материалов постоянные магниты и магнитные носители информации.

К магнитотвердым материалам относятся: сплавы на основе Fe- Ni-Al-(Co) и Nd-Fe-B; интерметаллическое соединение SmCo5; магнитотвердые ферриты МО Fe2O3, где М Ba, Co, Sr.

2.3.Содержание работы

Внастоящей работе проводится определение магнитной проницаемости и изучение ее температурной зависимости, определение

температуры Кюри, а также изучение изменения формы петли гистерезиса перемагничивания при нагреве ферромагнетиков.

2.4. Методика измерений

В настоящей работе для определения магнитных свойств образцов используется явление электромагнитной индукции. Образцом является сердечник тороидальной формы с намагничивающей и измерительной обмотками. Первая служит для создания переменного магнитного потока, а вторая – для измерения возникающей электродвижущей силы (ЭДС) индукции. Тороидальный образец с обмотками помещается в печь для проведения измерений при различных температурах. Схема установки приведена на рис. 2.11.

Установка позволяет:

определять значения магнитной проницаемости ферромагнетиков;

получать петлю гистерезиса перемагничивания ферромагнетиков;

получать температурные зависимости проницаемости и параметров петли гистерезиса.

Если через намагничивающую катушку протекает переменный

ток I = I0sin t, то напряженность магнитного поля, создаваемого этим током, будет

где N1 – количество витков первичной обмотки (N1 = 50); r – средний радиус тороида (r =18,5 мм).

44

Рис. 2.11. Принципиальная схема установки для исследования магнитных свойств

Возникающая в измерительной обмотке ЭДС индукции равна:

порционален напряженности магнитного поля (току через нее), а сигнал с измерительной обмотки UB = Uэф – магнитной индукции и магнитной проницаемости.

2.5. Порядок выполнения работы

1. Включить используемые в работе приборы (и дать им прогреться):

а) генератор сигналов низкочастотный ГЗ-109, питающий то-

ком заданной частоты f первичную обмотку кольцевого образца;

45

б) осциллограф С1-55, используемый для наблюдения петли гистерезиса;

в) вольтметр универсальный цифровой В7-16, предназначен-

ный для измерения напряжения UH на сопротивлении RH в первичной обмотке и напряжения UB на вторичной обмотке кольцевого образца;

г) источник питания постоянного тока Б5-8, используемый для питания цепи нагрева образца (печь электросопротивления), при этом ручки ступенчатой установки и плавной регулировки выходного напряжения должны находиться в исходном положении;

д) цифровой измеритель температуры Ф266, предназначенный для определения температуры образца с использованием термопарных датчиков различных типов (ХА – хромель-алюмель; ХК – хромель-копель; ПП – платино-платинородиевый); обычно используется термопара первого типа и, соответственно, прибор работает в режиме ХА.

Время установления рабочего режима (время прогрева) для разных приборов – разное и указывается в технических описаниях приборов. Следует иметь в виду, что пределы допускаемых основных погрешностей измерений устанавливаются для нормальных условий применения средств измерений, при которых влияющие на их показания величины (температура, питающее напряжение и др.) имеют нормальные установленные значения или находятся в пределах нормальной области значений. Нормальные условия указываются в технических описаниях и инструкциях к приборам и иногда на шкалах средств измерений. Для электроизмерительных приборов за нормальные условия обычно принимают следующие: температуру окружающей среды в пределах 20 2 ºС; отклонение величины питающего переменного напряжения не более 2%; частоту питания в пределах 49-51 Гц. При отклонении от нормальных условий в результаты измерений необходимо вводить поправки, рекомендованные в технических описаниях приборов.

2. Подготовить приведенную табл. 2.2 для записи результатов измерений, необходимых для построения температурной зависимости магнитной проницаемости μ, а также зарисовки трех петель гистерезиса при различных температурах образца ТО: комнатной

температуре Ткомн; температуре ТЗ (170 ºС ТЗ 195 ºС), заданной преподавателем; максимальной температуре измерений, соответ-

ствующей переходу образца в парамагнитное состояние.

46

Таблица 2.2 Результаты измерений и расчета для определения магнитных

характеристик ферромагнитного сплава

47

Нумерация рисунков «Вид петли гистерезиса» в таблице начинается с 2, так как в отчете рисунком под номером 1 будет являться схема установки.

Записать в таблицу следующие исходные данные:

номер образца;

значение комнатной температуры ТК (определяется по термометру, используемому в лаборатории);

частоту сигнала f;

ток цепи нагрева образца IH (задается преподавателем);

температуру образца ТЗ, при которой необходимо будет сделать рис. 3 вида петли гистерезиса (задается преподавателем).

Слева вверху листа с таблицей записывается фамилия и инициалы студента, а также номер группы. В табл. 2.2 приняты следующие обозначения:

ТП – показание цифрового прибора, показывающее разницу

между температурой образца ТО и комнатной температурой Ткомн (при отсутствии корректировки показаний прибора на комнатную температуру); ТО = ТП + Ткомн – фактическая температура образца;

Н – напряженность магнитного поля, создаваемого первичной (намагничивающей) обмоткой; рассчитывается по результатам из-

мерений при их обработке;

UH – напряжение на первичной намагничивающей катушке (пропорционально напряженности магнитного поля H);

UB – напряжение на измерительной обмотке (пропорционально

магнитной индукции B и магнитной проницаемости );

ТК – температура точки Кюри (определяется по окончании измерений).

3.Ручкой «Установка частоты» генератора сигналов ГЗ-109 установить заданную частоту f на шкале частот «Нz» генератора.

4.Ручкой потенциометра «Регулировка выхода» (в дальнейшем «РВ») генератора ГЗ-109, регулирующей амплитуду выходного сигнала, получить на экране осциллографа С1-55 оптимально рас-

положенную петлю гистерезиса для исследуемого образца. При этом сигнал UH по оси Х пропорционален напряженности магнитного поля Н, создаваемого первичной (намагничивающей) обмоткой, а UB по оси Y – магнитной индукции В в образце.

5.Зарисовать в координатах Х(Н) – Y(В) петлю гистерезиса при комнатной температуре образца ТО = Ткомн (см. рис. 2 табл. 2.2). Записать в подрисуночной подписи к рисунку значение напряжения

48

на первичной катушке UH по шкале вольтметра В7-16 (для чего установить «Переключатель измерений» в положение «UH») и

температуру образца ТО.

6. Ручкой «РВ» уменьшить амплитуду выходного сигнала генератора ГЗ-109 так, чтобы на экране осциллографа была короткая (~ 12–15 мм) практически прямая линия, расположенная под углом к оси Х. Эту операцию иногда называют сверткой петли гистерезиса, а обратную ей – разверткой. Свертка петли гистерезиса до ее вырождения в «псевдопрямую» проводится для получения однозначной линейной зависимости B(H), необходимой для последующего расчета величины магнитной проницаемости (см. рис. 2. 9).

Внимание! Во время дальнейших измерений до температуры образца ТЗ, при которой вид петли гистерезиса надо будет изобра-

зить на рис. 3 табл. 2.2, амплитуду сигнала нельзя изменять.

7.В положении «Переключателя измерений» на «UH» измерить

спомощью цифрового вольтметра В7-16 напряжение на первичной катушке UH. Измеренное значение UH записать в таблицу без округлений. В соответствующую графу таблицы записать исходное показание прибора ТП в ºС.

8.Поставить «Переключатель измерений» в положение «UB» и

измерить с помощью цифрового вольтметра В7-16 напряжение UB на вторичной обмотке. Результат измерения занести в таблицу.

9.Измерения UH и UB провести при комнатной температуре Ткомн не менее 8 раз.

10.Ручками ступенчатой и плавной регулировки выходного

напряжения источника питания постоянного тока Б5-8 установить по зеркальному стрелочному амперметру постоянного тока заданный ток нагрева Iн. Время начала нагрева записать в таблицу.

11. В процессе нагрева примерно через каждые 12 ºС необходимо однократно измерять соответствующие данной температуре значения падений напряжений UH и UB, записывая результаты в соответствующие графы таблицы. Измерения с указанным интервалом температур проводятся до заданной температуры образца ТЗ, при которой должен быть сделан следующий рисунок вида петли гистерезиса (см. рис. 3 табл. 2.2).

12. При достижении температуры ТЗ развернуть петлю гистерезиса, для чего следует установить «Переключатель измерений» в положение «UH» и регулятором выхода «РВ» генератора ГЗ-109 установить значение напряжения UH равным значению, при кото-

49

ром был сделан первый рисунок петли гистерезиса. На экране осциллографа С1-55 должна появиться петля гистерезиса, несколько отличающаяся по своему виду от петли на предыдущем рисунке (см. рис. 2. табл. 2.2). Зарисовать петлю, записав под рисунком фактические значения UH и температуры ТО (см. рис. 3 табл. 2.2).

13.Регулятором выхода «РВ» генератора ГЗ-109 свернуть петлю

до «псевдопрямой» линии, установив значение UH, равное последнему измерению перед разверткой петли гистерезиса.

14.В дальнейшем измерения падений напряжений UH и UB делать примерно через каждые 5 ºС, записывая в таблицу все три ве-

личины (ТП, UH и UB ). Сделав измерение, «Переключатель измерений» следует ставить в положение «UB». Когда величина UB начнет заметно уменьшаться, измерения ТП, UH и UB делать при заранее намечаемых фиксированных значениях UB, например при 0,95; 0,90; 0,85; 0,80; 0,75; 0,70; 0,60; 0,50 В и т.д. в зависимости от ско-

ние «UH» и регулятором «РВ» генератора ГЗ-109 установить значение UH, приблизительно равное значению UH , при котором был сделан рис. 2 табл. 2.2. На экране осциллографа вместо петли должна появиться практически прямая линия со слабым наклоном. Зарисовать ее, записав под рисунком фактические значения UH и температуры ТО (см. рис. 4 табл. 2.2).

15. Ручки ступенчатой установки и плавной регулировки выходного напряжения источника питания Б5-8 установить в исходное положение (IН = 0), и тумблером «Сеть» выключить источник питания. Записать время выключения. Поставив регулятор выхода «РВ» в исходное положение, выключить генератор сигналов ГЗ109, осциллограф С1-55, цифровой вольтметр В7-16 и прибор для определения температуры.

16. После окончания работы таблица с результатами измерений должна быть подписана преподавателем. Подписанная таблица является первичным документом, предъявляемым при сдаче лабораторной работы (входит в отчет по работе).

50