Лабораторная работа №4 Исследование характеристик ферромагнитных материалов

Цель работы

1. Экспериментальное исследование явления гистерезиса.

2. Экспериментальное определение кривой намагничивания.

3. Исследование зависимости удельных потерь в ферромагнитном сердечнике от частоты.

4. Экспериментальное определение основных характеристик ферромагнитных материалов.

Пояснения к работе

При намагничивании размагниченного ферромагнитного материала индукция магнитного поля В (Тл) нелинейно зависит от напряженности внешнего магнитного поля Н (А/м). Графически зависимость , которая называется основной кривой намагничивания, имеет вид, приведенный на рис. 1 (кривая OA).

Рис.1. Основная кривая намагничивания и петля гистерезиса ферромагнитного материала

Аналитически кривую намагниченности можно описать как

(1)

где μ - абсолютная магнитная проницаемость материала.

На практике удобнее пользоваться относительной магнитной проницаемостью

(2)

где μо = 4π*10^-7 Гн/м - магнитная постоянная вакуума.

Тогда (1) с учетом (2) представляется в виде:

(3)

Следовательно, магнитная проницаемость является важной физической характеристикой магнитных свойств материала, т.к. характеризует реакции вещества на внешнее магнитное поле. Эта величина позволяет сравнивать между собой различные материалы. Например, у диамагнетиков μ_r<1, у парамагнетиков μ_г>1. У ферромагнетиков μ_r>>1. К диамагнетикам относится большинство органических веществ: водород, инертные газы, азот, хлор, вода, ряд металлов: Сu, Ag, Hg, Zn, Au, Be, Cd, Рb, В, Ga, Sb. а также графит, стекло и др.

К парамагнетикам относятся соли железа, кобальта, никеля, воздух, кислород, окись азота, щелочные металлы, а также Mg, Сa, Al, Сr, Нg, Мo, Pt, Рd, и др. Следует отметить, что у парамагнетиков магнитная проницаемость не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

К ферромагнетикам относятся Fе, Ni, Со и их сплавы, ферриты - соединения типа шпинели МeО*Fe₂O₃ и граната 3МеО•5Fe₂O₃, где Me - двухвалентный металл Fe, Ni, Mn, Zn, Со, Сu. Cd Mg и др.

Характерными особенностями ферромагнитных материалов являются большая величина относительной магнитной проницаемости и зависимость ее от напряженности магнитного поля (рис. 2).

Величину μ_r для различных значений Н можно определить по кривой намагничивания как

(4)

Рис.2. Типичная зависимость относительной магнитной проницаемости

от напряженности магнитного поля

Одной из характеристик материала является начальная магнитная проницаемость μ_H, которая определяется в слабых магнитных полях (обычно при Н = 0,1 А/м). Кривая намагничивания OA (рис. 1) получена при условии, что материал предварительно был размагничен. При периодическом изменении напряженности от +Н_m до –Н_m магнитная индукция изменяется по циклу В_S – Вr – 0 - Bs – Br – 0 - Bs (рис. 1), т.е. наблюдается график зависимости B(H) в виде петли гистерезиса исследуемого магнитного материала. Магнитный гистерезис - отставание намагниченности ферромагнитного материала от внешнего магнитного поля, и вследствие этого, неоднозначная зависимость магнитной индукции от напряженности внешнего магнитного поля. Магнитный гистерезис обусловлен необратимым изменением магнитных свойств ферромагнетика под влиянием тех магнитных процессов, которым он ранее подвергался. Как видно из рис.1 если ферромагнетик намагнитить до насыщения B_s, а затем отключить внешнее поле, то индукция в нуль не обратится, а примет значение остаточной индукции В_r. Чтобы убрать остаточную индукцию, необходимо приложить магнитное поле противоположного направления. Напряженность размагничивающего поля – Н_c, при которой индукция в ферромагнетике, предварительно намагниченном до насыщения, обращается в нуль, называется коэрцитивной силой. Для различных амплитудных значений напряженности внешнего поля можно получить семейство петель гистерезиса. Петля гистерезиса, полученная при индукции насыщения называется предельной. Остаточная индукция В_r и коэрцитивная сила Нc являются параметрами предельной петли гистерезиса. Совокупность вершин петель гистерезиса с индукциями меньше насыщения образует основную кривую намагничивания.

Циклическое перемагничивание материала происходит с определёнными потерями энергии, выделяющейся внутри материала в виде тепла. Они пропорциональны площади петли гистерезиса за один цикл перемагничивания:

(5)

и складываются из потерь на перемагничивание, вихревые токи и магнитное последействие. Удельные потери - это потери, отнесенные к единице объема или массы.

Задание к работе

1. Изучить процессы при намагничивании ферромагнетиков.

2. По результатам экспериментов построить предельную петлю гистерезиса исследуемого материала.

3. Снять экспериментально основную кривую намагничивания.

4. По результатам экспериментов для исследуемого ферромагнетика определить индукцию насыщения, остаточную индукцию, коэрцитивную силу, удельные магнитные потери, построить кривую:

5. Снять частотную зависимость удельных потерь энергии и мощности.

Содержание отчета

1. Титульный лист;

2. Цель работы и краткая теория (1-2 стр.);

3. Исходные данные и данные эксперимента (предельные петли гистерезиса для f₁, f₂, f₃; основная кривая намагничивания для f₂);

4. Расчет коэффициентов m_B и m_H. Градуировка осей осциллографа.

5. Определенные значения индукции насыщения, остаточной индукции, коэрцитивной силы, удельных магнитных потерь.

6. Графики зависимости и частотной зависимости удельных потерь энергии и мощности;

7. Выводы.

Описание лабораторной установки

Функциональная схема установки приведена на рис. 3.

Рис.3. Схема лабораторной установки

Установка состоит из тороидального образца ферромагнитного материала ФМ (пермаллоя) с двумя обмотками W₁ и W₂, электронного осциллографа ЭО типа Cl-20, звукового генератора ЗГ типа ГЗ-53. Резисторы R₁, R₂ , конденсатора С и испытуемый ферромагнитный материал ФМ помещены в отдельном металлическом корпусе, представляющем собой испытательный стенд, а электрические соединения этих элементов выполнены согласно рис. 3. Выводы для подключения звукового генератора и осциллографа расположены на мнемосхеме, лицевой панели корпуса стенда.

На вход горизонтального усилителя осциллографа подается напряжение Uр, снимаемое с резистора R1. Это напряжение пропорционально току I₁, в первичной обмотке W₁, следовательно, и напряженности магнитного поля Н согласно выражению

(6)

где 2*π*r_ср- средняя длина силовой линии магнитного поля кольцевого сердечника, следовательно, r_ср - средний радиус исследуемого пермаллоевого сердечника, W₁ - число витков первичной обмотки.

На вход вертикального усиления подается напряжение U_с конденсатора С интегрирующей цепочки R₂C. При этом напряжение на ёмкости будет равно

(7)

где I₂ - ток в обмотке W₂.

Во вторичной обмотке под действием переменного магнитного поля наводится э.д.с. е₂:

(8)

где W₂ - числе витков вторичной обмотки, S – сечение ферромагнитного сердечника, В – магнитная индукция.

Тогда, при условии R, величина тока I₂, будет определяться только активный сопротивлением:

(9)

Следовательно, согласно выражению (7) напряжение U_С, подаваемое на вертикальный вход осциллографа, равно:

(10)

т.е. напряжение U_с пропорционально индукции В в образце. Таким образом, при одновременном приложении синусоидального напряжения U_R и вторичного напряжение U_C на экране осциллографа получится динамическая петля гистерезиса.

Порядок проведения лабораторной работы