Лабник по эл тех мату

2.Рассчитать изменение сопротивления (в процентах) сплава двух материалов с одинаковыми по модулю, но разными по знаку ТКС, приняв в качестве эквивалентной схемы замещения образца последо- вательно-параллельную цепочку резисторов с разными по знаку ТКС.

3.Измерить зависимости сопротивления образцов № 1, 2, 3 от температуры.

4.Для образцов № 1, 2 построить графики зависимости сопротивления от температуры и по графикам определить ТКС.

5.Для образца № 3 построить зависимость lnσ = f (1/T) и определить энергию активации проводимости.

6.Для образца № 1 рассчитать длину свободного пробега и подвижность электронов.

Порядок проведения работы

1.Включите установку нажатием кнопок «СЕТЬ» на задней панели измерительного устройства и затем на передней панели объекта исследования. На индикаторе измерительного устройства установятся температура окружающей среды, сопротивления — «0». На блоке с исследуемым образцом светится индикатор «СЕТЬ».

2.Дайте прогреться установке в течение 3—5 минут.

3.Переключателем «ОБРАЗЕЦ» выберите нужный образец.

4.Нажмите кнопку «НАГРЕВ» (при этом на индикаторе появится надпись «Warm», а в печи засветится лампочка).

5.По индикатору измерительного устройства следите за показаниями температуры. При достижении температуры меньше необхо-

димой на 4—5 С повторно нажмите кнопку «НАГРЕВ» (при этом лампочка в печи должна погаснуть).

6.Включите вентилятор нажатием кнопки «ВЕНТ» ( при этом на индикаторе появится надпись «Cool»). Показания индикатора температуры будут сначала возрастать, а затем уменьшаться.

7.При достижении необходимой температуры выключите вентилятор (на индикаторе должна исчезнуть надпись «Cool»).

8.Нажмите кнопку «СТОП ИНД» (на индикаторе появится надпись «Fixed»). Запишите значения температуры и сопротивления.

9.Повторно нажмите кнопку «СТОП ИНД».

10.Повторить пп. 4—9 последовательно на трех образцах. Заполнить таблицу:

T, С

R, Ом

53

При выполнении работы на компьютере надо заполнить электронную таблицу.

11.Нажать кнопку «ВЕНТ» и охладить образцы до температуры окружающей среды. Повторно нажать кнопку «ВЕНТ».

12.Выключить установку, нажав кнопку «СЕТЬ».

13.Переключатель «ОБРАЗЕЦ» переведите в положение «0».

Внимание! Прежде, чем выключить установку, не забудьте выполнить п. 11!

Контрольные вопросы

1.Укажите границы диапазонов значений (по порядку величины) удельного объемного сопротивления полупроводниковых и проводниковых материалов при комнатной температуре.

2.Чем определяется сопротивление металлов при температурах выше температуры Дебая?

3.Укажите возможные знаки ТКС для полупроводниковых и проводниковых материалов для различных диапазонов температур.

4.Назовите основные и неосновные носители тока в собственных и примесных полупроводниках.

5.Что понимается под подвижностью носителей в полупроводниках? Как зависит подвижность носителей от температуры?

54

Лабораторная работа № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы — изучение процессов, протекающих в магнитомягких материалахв магнитном поле; исследованиеосновныххарактеристик магнитомягкихматериалов по кривой намагничивания.

Общие положения

Магнитные параметры материалов

Магнитными материалами называются вещества, обладающие магнитными свойствами, т.е. способностью намагничиваться в магнитном поле и тем самым приобретать магнитный момент. Результирующий макроскопический магнитный момент М представляет собой

сумму элементарных магнитных моментов mi для n атомов данного вещества:

М = ∑ mί.

Магнитные свойства вещества характеризуются магнитной восприимчивостью χ = М /Н, где М — магнитный момент единицы объема вещества или намагниченность в магнитном поле напряженностью Н.

Магнитное поле в вакууме, создаваемое некоторой системой проводников с током или совокупностью постоянных магнитов, характеризуется векторами магнитной индукции В и напряженности поля Н,

связанными через магнитную постоянную μ0 = 4π 10–7 Гн/м:

B = μ0 H.

Магнитное поле в материале, кроме напряженности поля Н, создаваемой током в намагничивающей обмотке, зависит также от магнитных свойств материала. Полная магнитная индукция в материале составляет В = μ0 Н + μ0 М, где первый и второй члены правой части представляют собой соответственно составляющие внешнего и внутреннего поля.

Одним из основных магнитных параметров материала является магнитная проницаемость. Различают абсолютную μa = В/Н = μ0 (1 + + χ) и относительную μ = B/(μ0 Н) = 1 + χ магнитные проницаемости материала. Откуда для магнитной восприимчивости имеем χ = μ – 1.

55

Классификация магнитных материалов

По значению магнитной восприимчивости χ, ее зависимости от напряженности магнитного поля, температуры и других факторов выделяют следующие пять основных видов магнитных материалов: диа-, пара- и антиферромагнетики образуют группу слабомагнитных материалов; ферро- и ферримагнетики относятся к группе сильномагнитных материалов.

В изделиях электротехники и электроники наиболее часто применяются ферромагнетики. Все ферромагнетики характеризуются: большим значением χ, способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых полях, гистерезисом — зависимостью магнитных свойств от предшествующего состояния, точкой Кюри — предельной температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и другие материалы.

Ферромагнетизм заключается в существовании в веществе областей — доменов, в пределах которых материал намагничен до состояния насыщения. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков достигает значений 105 — 106 и существенно зависит от температуры и напряженности магнитного поля.

Петля гистерезиса

Магнитные свойства материалов описываются зависимостями В от Н и потерь на перемагничивание Р от магнитной индукции и частоты внешнего поля. Зависимость вида В(Н) называют кривой намагничивания. При циклическом перемагничивании кривая намагничивания образует петлю гистерезиса.

Различают следующие типы зависимостей (рис. 1):

Частная петля 1 гистерезиса — петля, полученная при циклическом изменении напряженности, если Н< Нm.

Предельная петля 2 гистерезиса — петля, полученная при

циклическом изменении напряженности Н≥ Нm.

Основная кривая намагничивания 3 представляет собой геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса, получающихся при циклическом перемагничивании или при монотонном увеличении напряженности поля в предварительно размагниченном образце.

56

Рис. 1. Петля гистерезиса при различных значениях амплитуды магнитного поля

Основные параметры петли гистерезиса:

Остаточная индукция Вr — индукция, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внешнего магнитного поля;

Коэрцитивная сила Нc — размагничивающее поле, которое должно быть приложено к образцу, чтобы индукция стала равной нулю; Потери на гистерезис при перемагничивании материала с часто-

той ƒ:

Рг = f HdB /γ, где γ — плотность материала (кг/м3).

По основной кривой намагничивания могут быть определены также: начальная магнитная проницаемость

н lim B/( 0H )

H 0

и дифференциальная магнитная проницаемость

μд = dB/(μ0dH).

Магнитные свойства материалов характеризуются также реверсивной (обратимой) магнитной проницаемостью μр, которая измеряется на переменном сигнале малой амплитуды на фоне большого

57

смещающего поля. Реверсивная проницаемость обусловлена явлением гистерезиса в магнитных материалах.

Перемагничивание магнитных материалов в переменных полях возбуждает вихревые токи, магнитное поле которых направлено встречно внешнему полю. В результате напряженность магнитного поля в материале падает с удалением вглубь от поверхности. Вихревые токи вносят вклад в потери на перемагничивание. Для уменьшения

потерь Рв на вихревые токи на высоких частотах следует применять магнитомягкие высокочастотные материалы (магнитодиэлектрики, ферриты), у которых значение удельного сопротивления значительно больше, чем у низкочастотных материалов — электротехническихсталей, пермаллоев.

Таким образом, потери на перемагничивание состоят в основном из потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи:

Р = Рг + Рв.

Магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы

Различаю магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы. Магнитомягкие материалы характеризуются значительными магнитной проницаемостью, индукцией насыщения, малой коэрцитивной силой (не более 4 кА/м) и, следовательно, узкой петлей гистерезиса. К магнитомягкимматериаламотносятся:

технически чистое железо, электролитические железо, кремнистые стали (содержат 0,5—5% кремния), карбонильное железо, пермаллой - сплав железа с никелем;

магнитомягкие ферриты — системы окислов железа, цинка, никеля, марганца и некоторых других металлов;

магнитодиэлектрики — спрессованные мелкодисперсные порошки высокопроницаемых материалов с изолирующей связкой;

альсиферы — тройные сплавы железа с кремнием и алюминием.

Магнитотвердые материалы, напротив, имеют большую коэрцитивную силу, высокие значения объемной плотности энергии, малую магнитную проницаемость. К магнитотвердым материалам относятся стали с высоким содержанием углерода; алнико — сплавы железа с алюминием, никелем, кобальтом; магнитотвердые ферриты; викаллой

—сплав железа с ванадием; соединения на основе редкоземельных элементов — самария, празеодима и др.

58

Кроме указанных групп магнитных материалов, все большее распространение в технике находят магнитные материалы с цилиндрическими магнитными доменами, магнитострикционные, тонкопленочные, аморфные магнитные материалы, магнитные жидкости.

Методика измерений

Петлю гистерезиса при перемагничивании феррита можно получить на экране осциллографа. Для этого нужно поместить исследуемый материал в переменное магнитное поле, на входные клеммы осциллографа по осям "X" и "Y" подать соответственно напряжения, пропорциональные напряженности внешнего поля Н и магнитной индукции В в ферритовом образце. Такой метод можно реализовать по схеме, изображенной на рис. 2.

Здесь на ферритовом тороиде имеются две обмотки. Первичная обмотка питается переменным током I1 от генератора Г через сопро-

тивление R1.

Внутри этой обмотки напряженность магнитного поля

H(t) = (n1/ℓ) · I1(t),

где n1 — число витков в первичной обмотке; ℓ — средняя длина ок-

ружности в тороиде (ℓ = π(rвнеш + rвнут); rвнеш и rвнут — внешний и внутренний радиусы тороида).

Напряжение Ux подаваемое на вход "X" осциллографа с сопротивления R1, будет пропорционально H(t):

Ux(t) = I1(t)·R1.

Рис. 2. Схема для наблюдения петли гистерезиса:

Г — генератор синусоидальных сигналов с частотой = ω0/(2π); T — ферритовый тороид

59

Во вторичной обмотке n2 будет возникать ЭДС электромагнитной индукции:

E(t) = n2dФ(t)/dt,

где Ф — поток вектора В через витки вторичной обмотки. Если S — площадь одного витка, то

Ф(t) = B(t)S, E(t) = –S n2 dB(t)/dt,

Поскольку ЭДС индукции пропорциональна dB(t)/dt, то в схеме применена интегрирующая цепочка на резисторе R2 и конденсаторе С. Такая цепочка интегрирует подаваемое на нее напряжение, если время перезарядки конденсатора τ = R2С много больше периода колебаний сигнала, т.е.

CR2 >> 1/ω.

При выполнении условия R2 >> 1/(ωC) — напряжение на конденсаторе пропорционально величине магнитной индукции В в тороиде.

Таким образом, координаты электронного луча на экране осциллографа будут меняться пропорционально H(t) по оси Х и B(t) по оси Y.

Поскольку В = μ0 (H + M), то по изменению величины магнитной индукции В мы можем судить о намагниченности М изучаемого образца; отметим, что при Н = 0 остаточная индукция Вoст с точностью до множителя μ0 равна остаточной намагниченности Мocт.

Изменяя амплитуду тока I1 в первичной обмотке, мы будем менять

Uх, а значит, и размеры петли гистерезиса, следовательно, для построения кривой первоначального намагничивания необходимо зафиксировать координаты вершин петель гистерезиса при различных амплитудах сигнала генератора и, перенеся их на график, последовательно соединить.

Описание автоматизированного стенда

Состав аппаратной части стенда

Стенд выполнен на базе персонального компьютера, к которому подключается измерительный блок со сменными образцами магнитомягких материалов. Измерительный блок включает в себя усилитель намагничивания (УН) и интегрирующий усилитель (ИУ), которые ис-

60

пользуются соответственно для формирования напряженности магнитного поля и преобразования сигнала магнитной индукции в образце.

Для ввода/вывода измерительной информации в ПК используется аудиоплата. С помощью ПК осуществляется управление измерительным экспериментом и наблюдение результатов на экране монитора как в графическом виде (петли гистерезиса, временны е зависимости напряженности и индукции магнитного поля), так и в табличном. Магнитные преобразователи (МП) с образцами исследуемых материалов подключаются через гнезда, установленные на передней панели блока. Вставить МП в гнезда можно только в определенном положении, соответствующем правильному подключению обмоток.

Структурная схема стенда и принцип измерений

ПК при помощи звуковой карты вырабатывает синусоидальное напряжение в диапазоне частот 40—1000 Гц. Переменное напряжение поступает на вход УН, к выходу которого подключена намагничивающая обмотка МП. МП представляет собой образец исследуемого магнитного материала в форме кольца с намотанными на него двумя обмотками: намагничивающей обмоткой 1 и измерительной обмоткой 2 (рис. 2).

Напряжение с измерительного резистора подается на один из линейных входов звуковой карты в ПК. Амплитуда напряженности поля устанавливается программно с помощью элемента регулировки в окне характериографа программного приложения.

ЭДС, наводимая в измерительной обмотке 2 МП, пропорциональна производной от индукции магнитного поля В в исследуемом образце. Напряжение обмотки интегрируется ИУ, на выходе которого напряжение измерительного сигнала пропорционально уже непосредственно В. Напряжение с выхода ИУ подается на второй линейный вход звуковой карты в ПК. Таким образом, в ПК поступает информация о напряженности Н, индукции В магнитного поля в исследуемом образце, на основании этой информации осуществляется построение кривых намагничивания и расчет всех магнитных параметров материалов.

Программное обеспечение стенда

Основная программа представляет собой интегрированную программную среду выполнения лабораторной работы, которая работает под управлением операционной системы Windows и позволяет с помощью элементов экранного интерфейса управлять процессом измерений и обработкой результатов.

61

Главное окно программы содержит меню, которое включает сле-

дующие пункты: Измерение, Буфер обмена, Настройки, Отчет,

Окно, Справка. Некоторые из них содержат подменю. При нажатии

пользования в расчетах физических величин. Окно характериографа предназначено для отображения результатов текущих измерений. Результат представляется либо в виде кривой намагничивания В(Н), либо в виде временны х функций H(t), B(t). Для переключения

инструментов.

В левой части окна имеются кнопки выбора частотного диапазона измерительного сигнала и движки плавной установки частоты и амплитуды сигнала. При изменении амплитуды сигнала автоматически изменяется масштаб по осям В и Н в окне характериографа. Автоматическое изменение масштаба можно отключать и включать. Для это-

го используйте кнопку на панели инструментов.

Рабочее задание

1.По частным петлям гистерезиса постройте на экране монитора основную кривую намагничивания.

2.Для установленного образца магнитного материала получите предельную петлю гистерезиса на заданной частоте.

3.Oпределите значения параметров предельной петли гистерезиса по графику кривой на экране монитора.

4.Определите коэффициент прямоугольности петли Кп.

5.Определите влияние на параметры петли гистерезиса частоты измерительного сигнала в диапазоне 40—1000 Гц.

6.Постройте график относительной магнитной проницаемости.

7.Дайте качественную характеристику магнитных свойств исследуемого материала.

8.Определите потери в исследуемых образцах на перемагничива-

ние.

Порядок проведения работы

Измерение петли гистерезиса

В меню Настройки выберите пункт Образец. В появившемся окне Параметры образца выберите в таблице строку с параметрами того образца, который соответствует установленному на измеритель-

62