Лабораторная работа № 5 Исследование магнитной проницаемости магнитомягких материалов

Цель работы

1. Исследовать температурные зависимости начальной магнитной проницаемости у феррита и альсифера.

2. Научиться экспериментально определять точку Кюри.

3. Найти температурные коэффициенты магнитной проницаемости для исследуемых материалов.

Пояснения к работе

Магнитомягкие материалы - это магнитные материалы с коэрцитивной силой менее 800 А/м. Эти материалы широко используются в качестве магнитопроводов в различных устройствах современной радиотехники и электроники. К таким материалам, в частности, относятся ферромагнетики - альсиферы и ферримагнетики - ферриты.

Альсиферы - тройные сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера: 9,5 % Si; 5,6 % Аl, остальное - Fe.

Ферриты - это смеси окислов металлов с оксидом железа Fe₂O₃, полученные, как правило, порошковым способом.

Благодаря высокому удельному электрическому сопротивлению до 10⁹ Ом*м и более, у ферритов малы потери на вихревые токи. Поэтому они широко используются в радиоаппаратуре на высоких и сверхвысоких частотах. Наибольшее распространение имеют марганец-цинковые и никель-цинковые ферриты. Цифра в обозначении марки феррита, например, 400НН, 1000НН, 1000НЦ, 3000НМ, 10000НМС, 300ВЧ означает начальную магнитную проницаемость, а буквы: НН и НЦ - никель-цинковые общего применения; НМ - марганцево-цинковые общего применения; ВЧ -высокочастотные; НМС - марганцево-цинковые для телевизионной техники и др.

Намагниченность ферро - и ферримагнитных материалов зависит от температуры, так как при нагревании магнитных материалов тепловое движение атомов разрушает параллельную (антипараллельную) ориентации спиновых магнитных моментов. Температуру Т_к, при которой энергия хаотического движения атомов равна энергии обменного взаимодействия, называют температурой Кюри (Нееля). При этой температуре анергия теплового хаотического движения преодолевает энергию обратного взаимодействия электронов и самопроизвольная намагниченность исчезает, т.е. происходит распад доменной структуры и ферро - или ферримагнетик переходит в парамагнитное состояние. Следовательно, магнитная проницаемость материала становится примерно равной единице. Температура Кюри является важнейшим параметром для оценки рабочего интервала температур магнитного материала.

Типичная температурная зависимость начальной магнитной проницаемости ферритов приведена на рис.1.

Рис. 1. Температурная зависимость начальной магнитной проницаемости феррита

Индуктивность L радиоэлектронных элементов, содержащих магнитопроводы из ферро - и ферримагнитных материалов, прямо пропорциональна начальной магнитной проницаемости μ_H в соответствии с выражением:

(1)

где μ₀ - магнитная постоянная; W - число витков катушки индуктивности: S - поперечное сечение магнитопровода; lср -средняя длина магнитопровода. Отсюда следует важность информации о температурной зависимости начальной магнитной проницаемости и характеристике этой зависимости температурного коэффициента ТКμ, вычисляемого как:

(2)

где μ₁, μ₂, μ_t,- начальные магнитные проницаемости при температурах t₁, t₂ и t, причем t₂ > t₁.

Следует отметить, что особенностью такого материала, как альсифер является возможность в зависимости от содержания кремния и алюминия формировать температурный коэффициент магнитной проницаемости положительным, отрицательным или равным нулю в достаточно широком эксплуатационном температурном диапазоне путем смешения порошков из сплавов с положительным TKμ, отрицательным ТКμ и, следовательно, создавать сердечники с термостабильными или термокомпенсированными свойствами.

Задание к работе

1. Снять зависимости индуктивностей образцов от температуры в диапазоне от комнатной до 210 ºС.

2. Построить графики L = f(t °С) для исследуемых образцов.

3. Построить графики температурной зависимости начальной магнитной проницаемости μ_H (t °С) для двух образцов.

4. Определить точку Кюри для феррита.

5. Определить температурные коэффициенты магнитной проницаемости для интервала температур t₁ - t₂ºC, заданного преподавателем.

6. Построить зависимость TKμ = f(t °С) для феррита.

Описание лабораторной установки

Исследуемые образцы магнитных материалов - это тороиды из альсифера марки ВЧК - 22П и феррита марки 6000НН с намотанными на них обмотками. Образцы помещены в муфельную печь, температура внутри которой контролируемся по датчику цифрового термометра, вставленному c тыльной стороны печи. Вывода обмоток соединены с измерителем индуктивности типа Е12-1 через плату - разъем с установленным на ней тумблером подключения к измерителю обмотки с альсиферовым сердечником либо ферритовым. Начальная магнитная проницаемость определяется на основании выражения (1) по формуле:

(3)

где μ₀ = 4π*₁₀^-7 Гн/м; L - индуктивность катушки, Гн; S = (R – r)*b - площадь поперечного сечения сердечника, м; lср - средняя длина магнитопровода, которая считается как:

(4)

здесь R = 12.5 мм - внешний радиус тороида; r = 7.5 мм - внутренний радиус тороида; W = 250 - количество витков на магнитопроводах. Толщина тороида b = 5 мм.

Методика измерения индуктивности образцов основана на использовании нулевых биений двух генераторов, которые имеются в приборе Е12-1. В колебательный контур одного генератора (рис. 2) включен эталонные конденсатор С_Э переменной емкости.

Рис 2. Принципиальная электрическая схема измерений индуктивности методом нулевых биений

В контур второго генератора последовательно с индуктивностью L₂ включается измеряемая индуктивность L_Х. С_H -начальная емкость эталонного конденсатора С_Э. Электрические колебания двух генераторов подаются на смеситель (на рисунке не показан), на выходе которого получаются при неравенстве частот биения. Эти биения подаются на стрелочный индикатор, расположенный на лицевой панели измерителя. При равенстве частот в колебательных контурах имеют место нулевые биения, т.е. биения с частотой близкой к нулю.

Перед началом измерений клеммы Lx закорачиваются, а емкость Сэ устанавливается на нуль. Затем добиваются нулевых биений подстройкой индуктивности второго контура L2 при помощи ручки "начальная установки". При этом:

(5)

Затем к клеммам L_X подключают измеряемую индуктивность, что приведет к изменению частоты второго генератора. Равенство восстанавливается изменением емкости Сэ. При нулевых биениях:

(6)

С учетом (5) получим:

(7)

Так как L₁ и С₂ постоянны, то L_X пропорциональна только С_Э. Это дает возможность проградуировать шкалу С_Э в единицах измерения индуктивности.

Работа на установке

1. Измерение индуктивностей.

Включить в сеть измеритель индуктивности Е12-1. После прогрева прибора (1 - 2 мин ) переключатель "Множитель L" переключить в положение "100", шкалы лимбов установить на "0". Закоротить отдельным проводником клеммы "L_Х" Вращая ручку "начальная установка", добиться нулевых биений, при этом ручку "Чувствительность индикатора" установить в такое положение, чтобы стрелка индикатора биений не зашкаливала.

Подсоединить плату-разъем к клеммам "L_X" измерителя и поочередно измерить индуктивности катушек с альсифером и ферритом при комнатной температуре, вращая ручку, приводящую в движение лимб "отсчет L и С" до появления нулевых биений.

Произвести отсчеты L по лимбам и умножить результаты на 100. Полученные числа будут в соответствии с выражением (7) величинами индуктивностей L в мкГн. Произвести необходимые геометрические измерения для расчетов μ_H в соответствии с выражениями (3) и (4).

2. Снятие температурных зависимостей.

Включить в сеть муфельную печь и поставить переключатель термостата в положение "3". Производить замеры индуктивностей через каждые 10-20 ºС до температуры 210 ºС. После нагрева образцов до 100 - 120 ºС переключатель термостата перевести в положение "2". После достижения температуры значения 200 ºС печь от сети отключить. На участке 180 - 210 °С измерения производить через 5 ºС.

По окончании измерений измеритель и муфельную печь отключить от сети, дверцу печи оставить открытой.

Содержание отчета