материаловедение методичка лабы

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

Министерство образования и науки Российской Федерации Вологодский государственный технический университет

Кафедра электрооборудования

Материаловедение. Технология конструкционных материалов

Методические указания к лабораторным работам

Факультет электроэнергетический

Специальности: 140610 – электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений

140604 – электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов

140211 – электроснабжение (по отраслям)

Направления бакалавриата и

магистратуры: 140600 - электротехника, электромеханика, электротехнологии

140400 – электроэнергетика и электротехника

Вологда

2013

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

УДК 669.017:620.22(076)

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: мето-

дические указания к лабораторным работам. – Вологда: ВоГТУ, 2013. – 39 с.

Методические указания содержат лабораторные работы, отражающие вопросы, изучаемые в курсе “ Материаловедение. Технология конструкционных материалов” и “ Электротехническое и конструкционное материаловедение” и предназначены для студентов специальностей 140610 – электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений, 140604 – электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов, 140211 – электроснабжение (отраслям), а также направлений бакалавриата и магистратуры 140600 – электротехника, электромеханика, электротехнологии, 140400 – электроэнергетика и электротехника.

Утверждено редакционно-издательским советом ВоГТУ

Составители: Н.К. Мороз, канд. техн. наук, доцент; А.Е. Немировский, д-р техн. наук, профессор;

О.Ю. Штрекерт, канд. физ.-мат. наук, доцент.

Рецензент: А.М. Водовозов канд. техн. наук, доцент зав. кафедрой управляющих и вычислительных систем

2

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучение магнитных свойств материалов, освоение методики исследования магнитных свойств вещества, экспериментальное определение основных параметров некоторых ферромагнитных материалов.

1. Основные теоретические положения

Наличие магнитных свойств у различных веществ связано с магнитными свойствами атомов, что, в свою очередь, обусловлено возникновением магнитного момента у электронов из их вращения вокруг своей оси. Магнитные моменты электронов в атоме могут ориентироваться согласно или встречно друг с другом. Если суммарный магнитный момент атома равен нулю, то вещество имеет диамагнитные свойства. Неравенство магнитного момента нулю приводит к парамагнитным свойствам у вещества. Если же атомы в веществе располагаются достаточно близко друг к другу, чтобы воздействовать на ориентацию элементарного магнитного поля, то вещество приобретает ферромагнитные свойства.

Количественной характеристикой намагничения является намагничен-

ность J , которая равна магнитному моменту единицы объема магнетика:

где χ – коэффициент пропорциональности, называемый магнитной восприимчивостью вещества. Магнитные свойства вещества характеризуются также магнитной проницаемостью µ/:

где В - вектор магнитной индукции в веществе;

В0 - вектор магнитной индукции в вакууме;

Н- напряженность магнитного поля;

μ0 = 4π ×10−7 Гн / м - магнитная постоянная.

Магнитная восприимчивость χ и магнитная проницаемость µ/ связаны соотношением

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

На практике часто используют относительную магнитную проницае-

мость

величина которой позволяет достаточно просто сравнивать между собой разные материалы. В частности для диамагнитных материалов µ<1, для парамагнитных µ>1, а для ферромагнитных µ>>1.

Основная кривая намагничивания, то есть зависимость В=f(Н), имеет общий характер для всех ферромагнитных материалов (рис. 1).

На кривой можно отметить некоторую напряженность магнитного поля, при которой резко замедляется нарастание индукции магнитного поля. Наступает состояние магнитного насыщения. При этом все области материала, имеющие свое направление магнитного момента и называемые доменами, оказываются сориентированными в направлении внешнего магнитного поля. Из основной кривой намагничивания с использованием формулы (3) может быть рассчитана магнитная проницаемость и построена ее зависимость от напряженности магнитного поля (рис. 2). При напряженности магнитного поля, приближающейся к нулю, магнитная проницаемость стремится к величине, называемой начальной магнитной проницаемостью. При некотором значении напряженности магнитного поля магнитная проницаемость достигает максимального значения, а дальнейшее увеличение напряженности приводит к уменьшению магнитной проницаемости. Уменьшение абсолютной величины магнитного поля после его приложения выявляет еще одну особенность ферромагнитных материалов – отставание изменения индукции от изменения напряженности магнитного поля. При циклическом изменении поля это проявляется в виде петли гистерезиса (рис. 3). Видно, что нулевому значению напряженности поля соответствует некоторая остаточная индукция Вr. Для устранения остаточной намагниченности материала необходимо приложить к образцу магнитное поле обратного направления и равного Нc. Вершины петель гистере-

4

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Суммарная мощность потерь является параметром изделия, а не ферромагнитного вещества. Для сравнительной характеристики вещества используют удельную мощность потерь:

где m - масса испытуемого образца ; Р - суммарные потери . Потери на гистерезис рассчитываются по формуле

а потери на вихревые токи можно определить из формулы

где η и ξ - коэффициенты, зависящие от свойств конкретного материала; f - частота перемагничивания; В макс – величина максимальной индукции; V - объем ферромагнетика;

n- показатель степени, зависящий от рода материала (n=1,6÷2).

Из этих выражений видно, что на высоких частотах преобладают потери на вихревые токи.

5

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

2. Описание лабораторной установки

Принципиальная схема установки в упрощенном варианте изображена на рис. 4.

Напряженность магнитного поля в образце 1 пропорциональна току в намагничивающей обмотке W1, питаемой от генератора 2, а, следовательно, падению напряжения на сопротивлении R0. Это напряжение прикладывается к горизонтальным пластинам осциллографа 3.

Под действием переменного магнитного поля в обмотке W2 возникает электродвижущая сила Е2. На вертикальные пластины осциллографа подается напряжение Uс , пропорциональное Е2.

Напряжение Uс вычисляется по формуле

Отсюда видно, что напряжение на конденсаторе С пропорционально магнитной индукции в образце.

6

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

Таким образом, при одновременном приложении напряжений на горизонтальные и вертикальные пластины осциллографа на экране можно получить петлю гистерезиса за цикл перемагничивания материала.

Принципиальная электрическая схема лабораторного стенда, изображенная на лицевой панели, приведена на рис. 5.

7

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

3. Порядок проведения лабораторной работы

3.1. Подготовка к работе

При подготовке к работе необходимо: изучить лабораторную установку и инструкции к приборам; записать технические характеристики приборов, применяемых в работе.

После собеседования с преподавателем приступить к выполнению работы.

3.2. Проведение эксперимента

3.2.1. Снятие гистерезисных петель

Соединить с клеммами XT1 - XT2 вертикальный вход осциллографа, «усилитель Y» коаксиальным проводом.

Соединить с клеммой XT3 горизонтальный вход осциллографа «Развертка»; с клеммой ХТ4 - клемму земля, « » (рис 5).

Соединить клеммы ХТ5 - ХТ6 с выходом генератора «Выход 2». Поставить ручку переключателя образцов SA6 в положение, указанное

преподавателем.

Поставить ручки переключателей SA1SA5 в крайнее левое положение. Установить ручку регулятора выходного напряжения генератора «Регу-

лировка вых.» в крайнее левое положение.

Переключатель выходного сопротивления генератора «Нагрузка >» поставить в положение «600». При необходимости положение этой ручки можно изменить.

Переключатель пределов вольтметра поставить в положение «15mV». Включить все приборы, дать им прогреться 3 - 5 мин.

Установить луч осциллографа в центре координатной сетки на экране осциллографа.

Установить на звуковом генераторе частоту 50 Гц.

Плавно повышать выходное напряжение генератора до полного магнитного насыщения образца. Магнитному насыщению соответствует переход петли в прямую, направленную под некоторым углом к оси Х.

Ручкой «Усилитель Y» при необходимости развернуть изображение на экране.

ВНИМАНИЕ! ПРИ ВСЕХ ПОСЛЕДУЮЩИХ ИЗМЕРЕНИЯХ РУЧКИ УСИЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО И ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ВХОДОВ ОСЦИЛЛОГРАФА НЕ ТРОГАТЬ. В ПРОТИВНОМ СЛУЧАЕ ИЗМЕНИТСЯ МАСШТАБ ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ЭКРАНЕ.

Зарисовать изображение петли на кальку. Повторить измерения при частотах, указанных преподавателем.

8

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

3.2.2. Получение основной кривой намагничивания

Установить частоту 50 Гц. Образец довести до насыщения. Записать координаты вершин петли.

Меняя горизонтальное отклонение луча ступенями по 5 мм, фиксировать изменение координат вершин. Результаты измерений занести в таблицу 2.

Повторить измерения на частотах 200, 400, 600 Гц.

Таблица 2

Получение основной кривой намагничивания образца при различных частотах

3.2.3. Снятие гистерезисных петель при наложении на образец различного числа короткозамкнутых витков

На генераторе установить частоту 50 Гц.

Получить на экране осциллографа петлю гистерезиса в состоянии насыщения.

Наложить на экран кальку и зарисовать изображение петли и оси. Соответствующий исследуемому образцу переключатель поставить в по-

ложение 1.

Увеличивая уровень выходного напряжения на генераторе, довести изображение петли до насыщения.

Вновь приложить кальку и нанести на нее второе изображение петли. Подобным образом зарисовать на кальку изображения петель при двух,

трех и четырех короткозамкнутых витках. При увеличении числа короткозамкнутых витков площадь петли должна увеличиваться.

3.2.4. Определение масштаба горизонтального и вертикального отклонений луча осциллографа

Отсоединить осциллограф и генератор от лабораторного стенда. Соединить выход звукового генератора с горизонтальным входом осцил-

лографа, а вертикальный вход замкнуть накоротко.

Повышая напряжение, установить отклонение луча от центра экрана по горизонтали до края сетки на экране. Величины напряжения и горизонтального отклонения внести в таблицу 3.

Масштаб по горизонтали

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

lср = 2π × rср - средняя длина силовой линии магнитного поля (rср – из

таблицы 1), м; х – отклонение луча от центра, мм.

Таблица 3

Масштаб горизонтального отклонения луча осциллографа

Соединить выход звукового генератора с вертикальным входом осциллографа, а горизонтальный вход замкнуть накоротко.

Ручку «Усилитель Y» поставить в положение, ослабляющее сигнал в 50

раз.

Подать напряжение. Развернуть луч во весь экран.

Отклонение луча по вертикали от центра и величину напряжения занести в таблицу 4.

Масштаб по вертикальной оси осциллографа вычисляется по формуле

где ω2= 1000 - число витков вторичной обмотки;

Uс - напряжение на вертикальных пластинах (учетом ослабления), В; С1= 10-6 Ф - емкость конденсатора;

R1= 300·103 Ом - сопротивление;

S – площадь сечения магнитопровода (по данным таблицы1), м2; у – отклонение луча, мм.

Таблица 4

Масштаб вертикального отклонения луча осциллографа

3.2.5. Выключить приборы.

3.3. Обработка результатов измерений

По пункту 3.2.3. кальку с изображенными на ней петлями гистерезиса наложить на миллиметровую бумагу и посчитать площадь в мм2.

Рассчитать удельные суммарные потери, используя формулу

где Sн – площадь петли гистерезиса, мм2;

10

Вологодский государственный университет. Научная библиотека