4. Применение ферромагнетиков

Современная электротехника была бы невозможна без ферромагнитных материалов. Используя ферромагнетики в качестве сердечников для катушек индуктивности, возможно получать магнитные поля в сотни и тысячи раз большие по сравнению с полем катушек без сердечников.

В зависимости от назначения устройства, в котором используется ферромагнитный материал, берутся ферромагнетики с той или иной характеристикой. Магнитомягкие материалы применяются в качестве магнитопроводов (сердечников) в устройствах и приборах, где магнитный поток постоянен (полюсные башмаки и сердечники измерительных механизмов) или переменный (сердечники трансформаторов, статоры и роторы электрогенераторов и электродвигателей). К этой группе материалов относятся: техническое железо и низкоуглеродистые стали, железно-никелевые сплавы с высокой проницаемостью (пермаллои) и оксидные ферромагнетики (ферриты и оксиферы).

Для изготовления постоянных магнитов употребляются магнитожесткие ферромагнетики: углеродистые, вольфрамовые, хромистые и кобальтовые стали.

Методика эксперимента

Так как магнитная проницаемость ферромагнетиков  зависит от напряженности Н магнитного поля. По этой причине от величины Н зависят и те характеристики контура, которые связаны с магнитной проницаемостью среды, например, индуктивность соленоида L и его индуктивное сопротивление переменному току Х_L:

, (10)

Х_L=L , (11)

где ₀ – магнитная постоянная; N – число витков соленоида, S – площадь поперечного сечения сердечника соленоида; ℓ – длина средней линии сердечника,  - циклическая частота переменного тока.

В данной работе измерение магнитной проницаемости сердечника  основано, согласно формуле (10), на измерениях индуктивности L катушки и ее геометрических параметрах N, ℓ,и S. Для определения индуктивности достаточно измерить индуктивное сопротивление катушки переменному току известной частоты . Полное сопротивление катушки переменному току

(12)

так как обычно R<<X_L, то величиной сопротивления катушки R можно пренебречь по сравнению с индуктивным сопротивлением переменному току частоты 150-180 Гц.

Закон Ома позволяет определить величину Z путем измерений тока I и напряжения U на участке цепи, содержащим соленоид:

(13)

Расчетная формула для определения магнитной проницаемости, полученная с использованием выражений (10), (12), (13), имеет следующий вид:

, (14)

где – постоянная установки.

Напряженность магнитного поля, которое создается в кольцевом сердечнике при протекании по обмотке тока I, можно рассчитать по формуле

(15)

Таким образом, каждому значению тока I соответствуют определенная напряженность магнитного поля Н, магнитная проницаемость сердечника  и индукция магнитного поля В.

В = _oH (16)

Определяя величины Н,  и В при различных токах, можно экспериментально установить следующие зависимости:

а) В=f(Н) – зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля (основная кривая намагничивания ферромагнетика);

б) =f(Н) – зависимость магнитной проницаемости сердечника от напряженности магнитного поля.

Описание установки

Электрическая схема установки показана на рис. 6, монтажная – на рис.7.

На рис. 6: 1 – генератор сигналов специальной формы; 2 – мультиметр (режим А  200 mА,); 3 – блок «Сопротивление»,R_о = 100 Ом; 4 – мультиметр (режим V 2V,);

5 – кольцевой сердечник с обмотками N₁иN₂; 6 – миниблок «Трансформатор тороидальный».

На кольцевой сердечник 5, изготовленный из исследуемого ферромагнитного материала, намотаныN₁проволочных витков. Эта обмотка, по которой пропускают переменный ток частоты 150-180 Гц, служит для намагничивания магнетика, и по ее параметрам определяют напряженностьНнамагничивающего поля. Генератор сигналов специальной формы 1 позволяет измерять напряжениеU, а следовательно, и токIв обмотке тороида. Эти величины измеряют соответственно вольтметром 4 и миллиамперметром 2.

П

100

орядок выполнения работы

1. Запишите в таблицу 1 параметры установки и исследуемого образца (указаны на миниблоке «Трансформатор тороидальный».): N₁ – число витков первичной обмотки тороида;ℓ – длина средней осевой линии сердечника;S – площадь сечения сердечника.

Таблица 1

2. Параметры установки: N1=… , ℓ=… м , S=… м2,К=…. А/В
   № п/п	I, мА	U,B	Н, А/м	r	В, мТл

   Соберите электрическую цепь по монтажной схеме, приведенной на рис.7.

3. Включите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжений и блока мультиметров.

4. Регулятором установки частоты на блоке генератора напряжений специальной формы установите частоту в диапазоне 150-180 Гц (по заданию преподавателя).

5. Регулятором амплитуды напряжения «0–12 В» генератора сигналов специальной формы установите в обмотке тороида ток I2 мА. Запишите в таблицу показания миллиамперметра и вольтметра.

6. Изменяя ток в обмотке тороида с шагом 2 мА в диапазоне от 2 мА до 12 мА и с шагом5 мА в диапазоне от 15 до 55 мА, измерьте напряжения соответствующие каждому установленному току. Запишите в таблицу показания приборов.

7. Установите на ноль амплитуду генератора сигналов специальной формы и выключите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжений и блока мультиметров.

Обработка результатов измерений

1. Вычислите постоянную установки Кв соответствии с формулой (14). Результат расчета запишите в таблицу.

2. Для каждого значения тока рассчитайте величины Н,  и Впо формулам (15), (14) и (16) соответственно. Результаты расчетов запишите в таблицу.

3. По данным таблицы постройте основную кривую намагничивания В(Н) и график зависимости(Н).

4. Сделайте выводы по работе, в которых отразите особенности формы опытных кривых:

а) сопоставьте ход кривой намагничивания с положением максимума на графике  (Н);

б) сравните полученные кривые с известными теоретическими зависимостями.

Контрольные вопросы

1. Какие вещества называются магнетиками? Виды магнетиков.

2. Дайте определение магнитной индукции и напряженности магнитного поля. От чего зависит каждая из этих величин?

3. Что такое магнитная проницаемость? От чего зависит магнитная проницаемость сердечника тороида?

4. Назовите характерные свойства ферромагнеиков и особенности их намагничивания.

5. Чем отличается основная кривая намагничивания ферромагнетика от аналогичной зависимости В (Н)для неразмагниченного образца?

6. Опишите изменения доменной структуры ферромагнетика в процессе его намагничивания (по мере роста напряженности поля Н).

7. Чем отличаются и где применяются магнитомягкие и магнитожесткие ферромагнетики?

8. Покажите вид основной кривой намагничивания В(Н)и графика зависимости относительной магнитной проницаемости от напряженности(Н)магнитного поля для ферромагнетиков: а) приТТ_к; б) приТТ_к(Т_к– температура Кюри).

9. Какая зависимость составляет основу метода определения магнитной проницаемости сердечника?

10. Какой закон используется в работе для определения полного сопротивления катушки в цепи переменного тока?

Рекомендуемая ЛИТЕРАТУРА

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие: рек. Мин. обр. РФ/ Т.И. Трофимова.-8-15-е изд., стер.- М.: Высш. шк., 2005-2010. Глава 16.

2. Савельев, И.В., Курс общей физики: учеб. пособие: в 3-х т. / И.В. Савельев.- 5-е изд., стер. – СПб.: Лань, 2006. т.2 §§ 46, 51, 52, 53, 55, 56, 57, 58, 59.