книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

ции Института электродинамики АН УССР для переменных магнит­ ных полей частотой 30 Гц — 10 кГц с пределами 40—100—200 мТ

ипогрешностью 2,5°о и др.

Несколько реже, чем аффект Холла, используется в магнитных измерениях эффект Гаусса, суть которого состоит в том, что электрическое сопротивление

Преобразователи из висмута обычно имеют вид плоской спирали Архимеда, навитой из висмутовой проволоки. Наилучшей формой преобразователя из полу­ проводника является диск.

Существенным недостатком преобразователей Гаусса является значительная температурная зависимость, которая может быть уменьшена схемным путем. Кроме того, ведутся работы по улучшению характеристик преобразователей.

Внастоящее время получены образцы термостабильных преобразователей Гаусса

стемпературным коэффициентом 0,03 проц/град.

Измерительной схемой при использовании преобразователей Гаусса обычно служит одинарный мост. Применяют эти преобразователи для измерения боль­ ших индукций — порядка 0,5—ЗТ.

Использование явления изменения магнитного состояния ферро­ магнитных материалов в магнитном поле. Приборы, использующие это явление, называют феррозондовыми, а преобразователи — соот­ ветственно — феррозондами.

Работа феррозонда основана на особенностях изменения магнит­ ного состояния ферромагнитного материала при одновременном воз­ действии на него переменного и постоянного магнитных полей (либо двух переменных полей различных частот). Если на ферромагнитный материал воздействует только переменное (синусоидальное) магнит­ ное ноле напряженностью то магнитное состояние его изменяется по симметричным динамическим магнитным циклам; кривая индук­

переменной составляющей индукции і?_ станет несимметричной отно­ сительно оси времени, т. е. в составе этой кривой наряду с нечетными появятся четные гармоники, причем степень асимметрии зависит от величины ноля Н=. По величине э. д. с. четных гармоник, индуциро­ ванных в обмотке измерительной катушки, в частности по э. д. с. второй гармоники, можно судить о напряженности постоянного поля #='.

Принципиальная схема феррозондового прибора представлена на рис. 193.

Обозначения на схеме: ФЗ — феррозонд; С — сердечники; Г — ге­ нератор; Ф — фильтр, настроенный на вторую гармонику (2/);

270

У — усилитель; ФВ — фазочувствительный выпрямитель; И — ука­ зывающий прибор.

На каждый из двух идентичных по размерам и свойствам сердеч­ ников С, набранных из пластин или стержней из пермаллоя (ма­ териала с высокой магнитной проницаемостью), наматывают одина­

наложить постоянное поле Н= (измеряемое), вектор напряженности

Для повышения точности измерения характеристик магнитного поля с помощью феррозондов в этих приборах часто используют компенсационный метод измерения, при котором измеряемое ноле II = компенсируется нолем, равным ему по величине и противополож­ ным по направлению. На рис. 194 приведена структурная схема одного из приборов с автоматической компенсацией измеряемого поля.

271

Напряжение частоты / от генератора Г через фильтр Ф, подается на обмотку возбуждения феррозонда ФЗ. При наложении на неремен­

и после усиления на вход фазочувствительного выпрямителя ФИ. Постоянный ток с выхода фазочувствительного выпрямителя посту­ пает в компенсационную обмотку феррозонда и компенсирует измеряе­ мое поле. В цепь компенсационной обмотки включен измеритель / / (миллиамперметр), шкала которого может быть проградуироваиа в единицах напряженности магнитного поля. Опорное напряжение на ФВ подается от генератора Г через удвоитель частоты Уч.

Фазочувствительный выпрямитель необходим в схеме, так- как направление измеряемого поля может изменяться на 180°, следова­ тельно, должно изменять свое направление и компенсирующее поле. Из описания работы прибора видно, что в схеме применена глубокая отрицательная обратная связь, что повышает ее точность.

Приборы с феррозондом в качестве чувствительного элемента обладают высокой чувствительностью, высокой точностью измере­ ния, позволяют вести непрерывные измерения.

Основные технические характеристики некоторых феррозондовых

делы 440 и 2200 нТ (могут быть расширены до 11 000 нТ), порог чув­

Использование внутриатомных явлений. Все более широкие познания в области строения вещества позволяют использовать для построения измерительных преобразователен и некоторые внутри­ атомные явления. Наиболее широко в настоящее время используется явление ядерной прецессии.

Ядра атомов вещества, обладающие не только моментом коли­ чества движения, но и магнитным моментом, при помещении во внеш­ нее магнитное поле начинают прецессировать вокруг вектора магнит­ ной индукции внешнего поля. Напомним, что прецессией называют движение, при котором ось собственного вращения тела перемеща­ ется по поверхности конуса, вершина которого совпадает с неподвиж­ ной точкой тела (см. рис. 195). Угол при вершине конуса ф называют углом прецессии.

Частота прецессии ядер атомов вещества связана с магнитной индукцией внешнего поля простым соотношением:

где «о — частота прецессии; у — гиромагнитное отношение — отно­ шение магнитного момента ядра атома к моменту количества движе­ ния; В — магнитная индукция.

Гиромагнитное отношение определяется для ряда веществ с вы­ сокой точностью (до 10~4%). Следовательно, измерив частоту пре­ цессии, можно найти магнитную индукцию. Частота прецессии опре­ деляется различными методами. Можно применить, например,

272

явлешіе ядерного .магнитного резонанса, которое состоит в сле­ дующем.

Если на измеряемое постоянное ноле В - (см. рис. 11)5) наложить под углом 90 переменное поле В^, частоту которого можно плавно изменять, то при совпадении частоты прецессии с частотой вспомога­ тельного переменного ноля будет наблюдаться явление ядерного

достоинством приборов, использующих внутриатомные явления, является их высокая точность, достигающая приблизительно 10 3 % .

Основные технические характеристики некоторых приборов, ис­ пользующих внутриатомные явления: измеритель напряженности

0,01 % при неоднородности поля не более 0,02 % на сантиметр; ядерный магнитометр типа ЯМ-1 — пределы измерения от 5 - Ю - 2 до 2,5 Т, погрешность 0,003—0,01 % при неоднородности поля 1 % на санти­ метр и др.

36. Основные характеристики магнитных материалов

Статические характеристики. При испытаниях магнитных мате­ риалов различают статические и динамические характеристики. Статическими называют характеристики, полученные в постоянных либо квазипостоянных магнитных полях. Они определяются маг­ нитными свойствами материала и технологией его обработки. Маг­ нитный материал характеризуется тем, что даже при отсутствии внешнего магнитного поля отдельные его области (так называемые области самопроизвольного намагничивания) намагничены до на­ сыщения. Однако вследствие хаотического расположения векторов намагниченности отдельных областей в пространстве суммарный вектор намагниченности равен нулю. Если образец из магнитного материала поместить в магнитное поле, то он поляризуется, т. е. сам становится источником дополнительного поля, так как векторы намагниченности отдельных областей будут ориентироваться в на­ правлении приложенного магнитного поля.

273

Основной характеристикой магнитного материала являются за­ висимости J - / (Я) или В f (Я). Эти зависимости сложны и воспроизводятся обычно экспериментальным путем. Для того чтобы придать им аналитическую форму, введены понятия «магнитная вос­ приимчивость» A'j, и магнитная проницаемость р вещества. Магнит­ ная восприимчивость и магнитная проницаемость характеризуют способность вещества намагничиваться в данном поле и являются коэффициентами пропорциональности соответственно между намаг­ ниченностью / и напряженностью поля Я , индукцией В и напряжен­ ностью ноля //, т. е.

/ = киН и В = \іи\іН.

Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость не яв­ ляются величинами постоянными, они зависят от напряженности поля Я . Величины р и кы связаны между собой соотношением р. -=

= 1 + Агм.

Кривая намагничивания. Намагниченность магнитного материала зависит как от действующего в данный момент значения напряжен­ ности поля Н, так и от ее предшествующих значений. Одному и тому же значению напряженности намагничивающего поля H может отвечать несколько различных значений намагниченности / , это зависит от предыдущего состояния образца (от его магнитной «исто­ рии») . Для исключения многозначности в определении / — / (Я) эта зависимость относится всегда к некоторому начальному состоя­ нию вещества, за которое принято состояние полного размагничива­ ния, при котором одновременно равны нулю и намагниченность и напряженность намагничивающего поля / / . Для достижения состоя­ ния полного размагничивания необходимо образец нагреть до тем­ пературы выше точки Кюри, а затем охладить при отсутствии маг­ нитного поля. На практике делается иначе — образец помещается в знакопеременное поле с убывающей до нуля амплитудой. В этом случае состояние образца несколько отличается от состояния пол­ ного размагничивания, однако для практических целей его можно считать достаточно близким к состоянию полного размагничивания.

Если полностью размагниченный образец, в котором одновременно

состояние вещества будет изменяться по так называемой начальной

участка. В области слабых магнитных полей магнитная индукция В почти про­

274

Петля гистерезиса. Если предварительно размагниченный образец намагнитить монотонно возрастающим полем Н, то состояние его будет изменяться по кривой намаг-

не по кривой аО, а по кривой аб„ Если, далее, изменить знак намаг­ ничивающего поля и увеличить поле по абсолютной величине до

—Т/макс, то магнитное состояние образца будет изменяться по кривой

бег и при возрастании поля от —Нм а к о До + / / М а к с по кривой гдеа'.

Приведенная на рис. 198 петля гистерезиса является неустановив­ шейся — незамкнутой. Петля гистерезиса становится замкнутой лишь после многократного (5—10) изменения намагничивающего

275

поля от +Я„акс до —Ямале и обратно. Каждому значению намагни­ чивающего поля //макс соответствует своя петля гистерезиса. Изме­

изменяются, растут лишь ее безгистерезисные участки (рис. 199). Та­ кая петля называется предельной петлей гистерезиса. Точки пересе­

являются весьма важными характеристиками ферромагнитных ма­ териалов.

Все возможные петли гистерезиса, кроме предельной, называются частными циклами. Они могут быть симметричными ( ; М/чакс —

— '. —//макс ) и несимметричными, например расположенными пол­ ностью в одном квадранте.

Характерной для петли гистерезиса является и ее площадь, про­ порциональная энергии, затраченной на неремагничивание вещества.

Основная кривая индукции. Рассмотренная выше (рис. 197) начальная кривая индукции применяется в технике для характери­ стики материалов редко, обычно пользуются так называемой основ­ ной кривой намагничивания, которая близка к начальной кривой, но имеет значительно лучшую воспроизводимость, т. е. меньше зави­ сит от условий опыта.

Основной кривой называется геометрическое место вершин сим­ метричных установившихся петель гистерезиса.

Основная кривая намагничивания позволяет определить ряд дру­ гих важных характеристик — индукцию насыщения, различные виды проницаемости и т. д.

Все характеристики, рассмотренные выше, относятся к харак­ теристикам магнитного вещества, и при их определении магнитная цепь образца должна быть замкнута. Идеальным с этой точки зрения

Динамические характеристики. Характеристики, полученные в пе­ ременных магнитных полях, называют динамическими. Они в зна­ чительной степени зависят не только от качества самого материала, но и от ряда других факторов — формы и размеров образца, формы кривой и частоты намагничивающего поля и т. д., т. е. динамические характеристики, по существу, являются характеристиками образца,

276

а не только материала, и, строго говоря, по ним можно судить о при­ годности материала для данных конкретных условий намагничивания (толщина листов, частота поля и т. д.).

Характер динамической петли определяется не только гистерезнснымп явлениями, но и влиянием вихревых токов, которые воз­ никают в материале и создают своп магнитные поля, взаимодействую­ щие с основным полем, явлением магнитной вязкости и др. Пло­ щадь динамической петли определяет полную энергию, рассеиваемую за цикл перемагничивания, т. е. потери энергии за счет гистерезиспых явлений, вихревых токов, магнитной вязкости и др. Форма дина­ мической петли зависит также от амплитуды намагничивающего поля. В слабых нолях форма ее близка эллипсу.Эллиптическую форму петля приобретает и при возрастании частоты намагничивающего поля. Семейство симметричных динамических петель характеризует магнит­ ный материал при данных размерах образца, форме кривой и частоте намагничивающего поля. Геометрическое место вершин динамиче­ ских петель называется динамической кривой намагничивания.

Вследствие нелинейности зависимости В = / (Н) индукция и намагничивающее поле не могут быть одновременно синусоидаль­ ными. В зависимости от режима намагничивания — режима синусои­ дальной индукции или режима синусоидальной напряженности намаг­ ничивающего поля — изменяются форма и размеры динамической петли. В режиме несинусоидальной индукции площадь динамиче­ ской петли возрастает, так как увеличиваются потери на вихревые токи за счет гармоник индукции. Поэтому при испытаниях ферромагнит­ ных материалов в переменных магнитных полях оговаривается режим, при котором производится испытание.

Важными характеристиками магнитных материалов при намагни­ чивании в переменных магнитных полях являются различные виды магнитной проницаемости. В этом случае, если динамическая петля имеет форму эллипса либо может быть заменена эквивалентным эл­ липсом, можно определять амплитудную проницаемость как отноше­ ние амплитуд индукции и напряженности поля:

Замена реальной динамической петли эквивалентным эллипсом, имеющим ту же площадь, была предложена В. К. Аркадьевым.

Так как в случае эллиптической формы динамической петли ин­ дукция и напряженность поля могут быть представлены в виде сину­

Этот вид проницаемости называется комплексной магнитной проницаемостью.

277

Модуль комплексной проницаемости ц л = ]. uj-j-uj называется амплитудной проницаемостью, аргумент комплексной проницаемости

ô — углом потерь, причем Ig о— ||2 .

Понятие амплитудной проницаемости часто применяется и в слу­ чае несинусоидальности одной из величин: В или //.

В зависимости от метода определения магнитной индукции и напряженности поля различают два вида амплитудной проницае­ мости. Если метод измерения обеспечивает определение амплитудных значений магнитной индукции и напряженности поля независимо от формы кривой, то получают действительное значение амплитудной проницаемости

Большинство же методов измерения позволяет определять дей­ ствующие значения э. д. с. или ее первых гармоник в измерительной обмотке и тока в намагничивающей обмотке образца. По действующим значениям а. д. с. и тока затем находят максимальные (амплитудные) значения индукции и напряженности намагничивающего поля. Так как одна из величин (В или Н) обязательно несинусоидальна, то получают максимальное значение одной из величин для эквивалент­ ной синусоиды (чаще для напряженности поля Н).

В этом случае амплитудная проницаемость

Выше было отмечено, что при намагничивании и переменных магнитных полях процесс намагничивания магнитного материала осложняется рядом фак­ торов — действием вихревых токов, магнитной вязкостью и другими явлениями. Это делает невозможным в настоящее время точно определить характеристики самого вещества.

Индукция по сечению образца неравномерна, н полученное при использо­ вании большинства методов измерения се значение является усредненным. Измеренное обычным путем (по току в намагничивающей обмотке) значение на­ магничивающего поля также отличается от действительного поля в веществе хотя бы из-за размагничивающего действия вихревых токов. Исходя ігз этого, резуль­ таты испытания магнитного материала для правильного их использования сле­ дует сопровождать сведениями об условиях испытаний — данными о форме и размерах образцов, частоте и форме кривой намагничивающего поля, толщине пластин в пакете, режиме испытаний и т. д.

Динамические характеристики магнитных материалов изменяются, если на материал, кроме переменного поля, действует еще и посто­ янное, которое часто называют подмагничивающим полем. Магнитное состояние материала в этом случае изменяется по несимметричному частому циклу, форма и размеры которого зависят от соотношения величин постоянного и переменного полей и свойств материала.

Часто при рассмотрении режима одновременного намагничива­ ния пренебрегают явлением гистерезиса и потерями в материале. В этом случае характеристика материала определяется семейством кривых одновременного намагничивания Вт = / (НтЭ)н_, т. е. сово-

278

купностью зависимостей значения переменной составляющей индук­ ции от значения напряженности переменного намагничивающего поля при различных величинах напряженности постоянного подмагничивающего поля (рис. 200).

Весьма важной характеристикой при одновременном намагничи­ вании является магнитная проницаемость. При этом обычно разли­ чают два вида магнитной проницаемости — проницаемость для посто­ янной составляющей магнитного поля

В_

и проницаемость для переменной составляющей поля

Последняя проницаемость может быть нескольких видов в зави­ симости от значении В^, и Н^. Чаще всего пользуются так называ­ емой средней проницаемостью на ча­ стном цикле

Вп

Цср:

Изменение динамических характе­ ристик материала при одновремен­ ном намагничивании постоянным и переменным полем вызывает необхо­ димость их определения, причем ис­ пытание следует проводить для кон­ кретных условий намагничивания.

Характеристики магнитных мате­ риалов в режиме импульсного на­ магничивания. Для оценки магнит­ ного материала с точки зрения ис­ пользования его в режиме импульс­ ного намагничивания представляют

интерес как статические, так и динамические характеристики. Основ­ ной статической характеристикой является уже известная нам предельная петля гистерезиса, из которой определяется ряд полез­ ных параметров — остаточная индукция, коэрцитивная сила, коэф­ фициент прямоугольности для материалов с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ).

Динамические характеристики для режима импульсного намаг­ ничивания специфичны. Состояние магнитного материала в режиме импульсного намагничивания определяется частным динамическим

поля при намагничивании образца однополярным импульсом тока.

Динамические характеристики, определяемые в режиме импульс­ ного намагничивания во многом являются условными, так как зави-

279