Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элементы и устройства магнитоэлектроники. Лабораторный практикум
.pdf
Обозначения к программе расчетов
10
10
1
10
f
μ
0
1
10
f
1
10
f
μ
1
10
f
ϕ
0
f
μ
0
f
μ
ϕ
f
ϕ
№
п/п
1 MUR
2
3 EPSR
4 EPS
5 МUI
6 EPST
Символ
программы
AMUR
Физическое обо-
значение
μ′
μ′
(в подпрограмме)
ε′
ε′
0
(в подпрограмме)
μ″
ε″
Физический смысл
Вещественная магнитная
проницаемость
То же
Вещественная диэлектриче-
ская проницаемость
То же
Мнимая магнитная прони-
цаемость
Мнимая диэлектрическая
проницаемость
7 А а Ширина волновода
8 T t Толщина феррита
9 RE l
10 RM l
11 X
x =
130
120
f
Длина резонатора Н
Длина резонатора Н
Приведенная частота неко-
торого конкретного резона-
тора
12 XOM
13 XOE
14 ХМU
15 ХЕР
16 ДХОМ
17 ДХОЕ
18 ДХМU
19 ДХЕР
0
ε
ϕ
ε
δ
δ
f
δ
δ
0
0
0
0
ε
Приведенная частота пусто-
го резонатора Н
120
Приведенная частота пусто-
го резонатора Н
130
Приведенная частота резо-
натора Н
с ферритом
120
Приведенная частота резо-
натора Н
с ферритом
130
Ширина резонансной линии
пустого резонатора Н
Ширина резонансной линии
пустого резонатора Н
Ширина линии резонатора
Н
с ферритом
120
Ширина линии резонатора
Н
с ферритом
130
130
120
120
130
61
4.6. Отчет о работе
Отчет
должен содержать:
–
цель работы;
краткое теоретическое введение;
–
–
блок-схему установки и типы приборов;
–
порядок измерений;
–
расчетные уравнения;
таблицу вводных данных для ЭВМ и таблицу измеренных зна-
–
чений fϕ и δf
таблицу рассчитанных электромагнитных параметров феррита;
–
анализ экспериментальных погрешностей при измерении (ис-
–
.
ϕ
точники, меры устранения, относительная роль);
–
выводы.
Литература
1. Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах. М., 1973. Гл. VI.
С. 279–285.
2.
Ферриты и магнитодиэлектрики: Справ./ Под ред. Н.Д. Горбу-
нова. М.: Сов. радио, 1968.
Контрольные вопросы
допуска к работе
Для
В чем сущность метода измерения?
1.
2.
Как должен размещаться образец в резонаторе для измерения ε′; μ′
μ′
, для измерения μ′1; μ′⊥ ?
3
Каковы требования к образцу для измерений?
3.
4.
Каковы требования к измерительным резонаторам?
5.
Каковы источники погрешностей измерения и возможные пути
их устранения?
Нарисуйте блок-схему установки, объясните назначение ее узлов.
6.
Для защиты работы
1.
В чем достоинства и недостатки резонаторного метода измере-
ния параметров ферритов и диэлектриков?
2.
Каковы пределы возможных значений измеряемых параметров
в ферритах-шпинелях, ферритах-гранатах?
62
;
2
3. Как измерить рассмотренным методом компоненты тензора
магнитной проницаемости подмагниченных ферритов? Каковы ограничения метода при измерении подмагниченных ферритов?
Каковы основные методы расчета параметров электродинами-
4.
ческих устройств с ферритами?
5.
Какие возможности для изменения параметров ε′; ε″; μ′; μ″
имеются в распоряжении материаловеда, технолога?
В чем достоинства и недостатки предлагаемой схемы измере-
6.
ний, метода обработки экспериментальных данных?
63
Лабораторная работа 5
tg ,
μ
μ
.
i
μ=μ+μ
ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ В ФЕРРИТАХ
ПРИ ВЫСОКОЙ ИНДУКЦИИ ПЕРЕМЕННОГО
МАГНИТНОГО ПОЛЯ
(2 часа)
5.1. Цель работы
Освоить
методику измерения удельных магнитных потерь в ферри-
тах, установить и исследовать зависимости удельных потерь от химического состава, рабочей температуры, индукции переменного поля.
5.2. Теоретическое введение
Высокопроницаемые
ферритовые материалы, используемые в низ-
кочастотных радиотехнических устройствах (до 107 Гц), как правило,
работают в определенном режиме динамического перемагничивания,
характеризуемом величиной переменного поля намагничивания или
соответствующей рабочей индукции. Катушки индуктивности, антенные сердечники эксплуатируются при сравнительно малых рабочих индукциях (В
< 0,1 Тл), сердечники силовых трансформаторов, блоков
∼
формирования изображения в телевизионных устройствах – при значительно больших индукциях (В
> 0,2…0,25 Тл).
∼
Есть и такие ферритовые элементы, которые должны работать эффективно при сильно изменяющейся индукции. Например, сердечник
магнитофонной универсальной головки в режиме записи работает при
индукции В
> 0,2 Тл, в режиме воспроизведения сигнала – при очень
∼
малой индукции.
Низкочастотные магнитные потери
Магнитные
потери, неизбежные в любом магнитном материале
при его перемагничивании, характеризуются при работе в слабых
полях относительной величиной
′′
δ=
μ
′
где μ′ и μ″ – соответственно действительная и мнимая составляющие
магнитной проницаемости вида
64
′′′
При работе в сильных полях магнитные потери могут быть доста-
26
10 ,
tg tg tg tg ,
точно велики, они ведут к заметному изменению температурного режима работы устройства в целом, поэтому целесообразно измерять
их абсолютную величину. Удельными магнитными потерями Р
уд
на-
зывается тепловая мощность, выделяемая при определенном режиме
работы, например при индукции В
нитного материала на 1 Гц частоты перемагничивания,
Р B
где В
– индукция переменного поля, Тл;
∼
– относительные магнитные потери в феррите.
tgδ
μ
=π ⋅
уд ~
= 0,2 Тл (2000 Гс), в 1 см3 маг-
∼
Вт
3
см Гц
⋅
tg
δ
μ
−
μμ
0
(5.1)
.
Качественный анализ природы магнитных потерь можно провести, считая, что в сильных полях сохраняются закономерности, отмеченные для слабых полей, и действует формула [1]:
где tgδ
tgδ
δ= δ + δ + δ
μ
– гистерезисные магнитные потери ферромагнетика;
н
– потери, обусловленные возникновением вихревых токов
в
Н f
нвп
(5.2)
при перемагничивании;
Н – амплитуда переменного поля;
f –
частота переменного поля;
tgδ
– потери на магнитное последействие, объединяющие раз-
п
личные релаксационные процессы.
Природа гистерезисных потерь обусловлена движением доменной
границы при перемагничивании через кристалл (или кристаллит),
содержащий различные несовершенства (скопления вакансий, дислокации, микронеоднородности намагниченности, немагнитные
включения и поры). Из перечисленных дефектов в ферритах наиболее существенны внутризеренные поры, тормозящие движение доменной границы. Увеличение напряженности магнитного поля вынуждает границу преодолевать области дефектов кристаллического
строения, но часть магнитной энергии при этом необратимо переходит в тепло.
65
«Вихревые» потери обусловлены локальными (возможно, внутри-
d.d
t
10
()
()
Р TT
кристаллитными) токами, которые возникают в среде с конечным
сопротивлением при изменении магнитного потока. Во многих ферритах обычно мала концентрация электронов проводимости, но высокопроницаемые Mn – Zn ферриты всегда содержат некоторый избыток ионов железа, что приводит к образованию Fe
сти электронных переходов между Fe
2+
и Fe
3+
. Ионы Fe
2+
и возможно-
2+
можно рассматривать как примесные центры в решетке шпинели с энергией
активации около 0,02…0,1 эВ. Дрейфовая подвижность носителей в
ферритах, в Mn- и Mn – Zn шпинелях, весьма мала μ ≈ 0,3 см
2
/(В⋅с).
Зависимость вихревой компоненты потерь от частоты обусловлена
возрастанием скорости изменения магнитного потока и соответственно ЭДС:
=−
eK
в
Ф
(5.4)
Вихревая компонента потерь, следовательно, будет весьма чувст-
вительна к составу феррита, температуре, частоте.
Потери на магнитное последействие для условий использования
ферритов в сильных полях не играют существенной роли. Они связаны с диффузией электронов в область доменной границы, поэтому с
ростом частоты и амплитуды магнитного поля их относительный
вклад в общие потери должен уменьшаться.
Температурная зависимость удельных потерь складывается из
температурных ходов гистерезисной и вихревой частей потерь, которые должны быть весьма различны. Гистерезисные потери убывают
с повышением температуры, так как коэрцитивность дефектов, их
тормозящее действие убывает, а доменные границы становятся более
подвижными. Вихревая часть магнитных потерь с ростом температуры возрастает, поскольку концентрация свободных носителей увеличивается. Закон увеличения концентрации при столь малых подвижностях носителей, как в ферритах, может отличаться от обычного
экспоненциального, температурная зависимость магнитных потерь
характеризуется коэффициентом (%)
РР
−
ТТ
ТКР
=
Т
10
0
, (5.5)
−
66
где Т
– обычно комнатная температура;
0
Т
– принимает значение –60 или + 120
1
о
С.
Так как сердечники мощных радиокомпонентов саморазогревают-
ся в процессе работы, желательно, чтобы ТКР
имел малое и отри-
+120
цательное значение. Типичный вид оптимальной температурной зависимости магнитных потерь приведен на рис. 5.1.
Таким образом, для анализа потерь в ферритах в сильных магнитных полях необходимо измерить потери в функциях частоты и амплитуды переменного поля, а также в температурном интервале.
Рис. 5.1. Характерная зависимость потерь
от температуры в Mn – Zn феррите 2500 НМС2
Методика измерения магнитных потерь
Измерение
магнитных потерь проводят на установке, основанной
на использовании метода резонанса (рис. 5.2). Измеряемый сердечник с двумя обмотками и перестраиваемая эталонная емкость образуют резонансный контур, питаемый генератором частот звукового
диапазона. Фазометр Ф2-1 служит для подстройки контура на минимальный сдвиг фазы.
67
Рис. 5.2. Блок-схема установки для измерения магнитных потерь:
1
2
генератор Г3-33; 2 – образец с обмотками; 3 – фазометр Ф2-1;
1 –
высокоомные вольтметры
4–6 –
Высокоомные вольтметры V
ния: V
– напряжения на выходе генератора, V2 – напряжения на
1
опорном эталонном сопротивлении (R
оценки резонансного тока в контуре, V
, V2, V3 служат для точного измере-
1
= 1 Ом), т.е. по существу для
эт
– напряжения во вторичной
3
обмотке сердечника, это напряжение при известном соотношении
ω
первичной и вторичной обмоток пропорционально рабочей ин-
ω
дукции в сердечнике. Таким образом, произведение напряжений
пропорционально мощности, выделяющейся в контуре.
Если омические потери в первичной обмотке индуктивности и в
соединительных проводах пренебрежимо малы, можно считать, что
теряющаяся в контуре мощность – это только магнитные потери в
сердечнике.
Рабочая индукция В, устанавливаемая ОСТом для тех или иных
групп ферритов, определяет напряжение U
на вторичной обмотке
3
индуктивности
U
68
= 4,44 B S
3
f.10–3, (5.6)
lω2
где S
1
,eeUUU
()
,
ln( / )
Dd
Dd
()
.
2
h
– эффективное сечение исследуемого магнитопровода, мм2;
l
ω
– число витков во вторичной обмотке;
2
f –
частота сигнала, кГц.
Для ферритов, работающих при повышенной индукции (например, марок 2500 НМС1, 2500 НМС2) измерения проводятся при
В = 0,2 Тл.
Расчет магнитных потерь в феррите проводится после измерения
напряжений U1 и U
в момент резонанса в контуре по формуле
2
−
()
P
=
22
(5.7)
lS f
где U
, U2 – напряжения на вольтметрах V1, V2, В;
1
– эффективная длина магнитной силовой линии сердечника, см;
l
e
S
– эффективное магнитное сечение сердечника, см2;
e
f – частота измерения, Гц.
Погрешность измерения удельных потерь описанным методом при
использовании приборов, рекомендованных ОСТом, составляет ±5 % с
вероятностью 0,997. Существенное значение имеет минимальное собственное сопротивление проводов и соединений в контуре.
Используемые в формуле (5.7) значения l
и Se для сердечников
e
различных промышленных конфигураций рассчитываются по специальным методикам и приводятся в справочной литературе для стандартных типоразмеров [2].
Для кольцевых сердечников можно воспользоваться формулами
вующих средних геометрических значений кольцевых сердечников,
благодаря чему учитывается неоднородность плотности магнитного
потока в сердечнике.
туре сопротивление намагничивающих обмоток должно быть минимально, поэтому обмотки делаются маловитковые.
l
e
S−=
e
Получающиеся значения l
π−
=
Dd
несколько отличаются от соответст-
e
(5.8)
(5.9)
При измерении потерь на перемагничивание в параллельном кон-
69
5.3. Описание установки
-схема установки приведена на рис. 5.2. Генератор звуковых
Блок
частот ГЗ-33 работает на частоте 16 кГц, контур подключается к низкоомному (R
три ступенчатых переключателя и подстроечный плавный регулятор
емкости и обеспечивает регулировку в пределах 10
Вольтметры V
= 6, Ом) выходу генератора. Магазин емкостей имеет
вых
4
пФ…0,1 мкФ.
, V2, V3 заменяет один высокоомный вольтметр ВЗ-38,
1
подключаемый с помощью галетного переключателя в соответствующие точки контура, точность измерения ±0,5 мВ.
Для измерений используются тороидальные образцы с размерами
∅ 20 × 12 × 4
мм, ∅ 32 × 20 × 6 мм или серийные сердечники, для
радиотелевизионной аппаратуры типа ШК-13, ПК-20, ПК-13 и т.п.
Значения S
эфф
и l
для этих образцов приведены в справочной лите-
эфф
ратуре. Первичная обмотка измерительной катушки имеет 10 витков
провода ПЭЛ-0,8, вторичная – 1 виток того же провода. Измерения в
температурном интервале выполняются в малогабаритной термокамере с железным антимагнитным экраном для защиты образца от
магнитного поля нагревательной обмотки.
5.4. Порядок проведения работы и указания
по охране труда
Ознакомьтесь
с общими указаниями по охране труда и руковод-
ствуйтесь ими при выполнении работы.
1.
Измерить штангенциркулем геометрические размеры кольце-
вых образцов.
Включить генератор ГЗ-33, фазометр и вольтметр ВЗ-38, под-
2.
ключить к контуру обмотки измеряемого образца.
3.
Установить на выходе генератора напряжение около 0,5 В, час-
тоту 16 кГц.
Регулировкой магазина емкостей настроить контур в резонанс
4.
при максимальном показании вольтметра в положении V
и мини-
2
мальном (ϕ ~ 0°) показании фазометра.
Установить переключатель в положение V
5.
и, регулируя выход-
3
ное напряжение генератора, установить на вторичной обмотке значение U
, рассчитанное по формуле (5.6). Требуемое значение B
3
задает
∼
преподаватель.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]