ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра микроэлектроники

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ

Методические указания

Пенза 2005

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы по исследованию свойств магнитных материалов на автоматизированном лабораторном стенде «Исследование свойств магнитомягких материалов», разработанном на кафедре микроэлектроники Пензенского государственного университета.

Лабораторная работа предназначена для электротехнических и электронных групп специальностей при изучении дисциплин “Материалы электронной ”, “Мате­ри­алы в приборостроении”, “Радиоматериалы и радиодетали” и др.

Цель работы:

• изучение процессов, протекающих в ферромагнитных материалах в магнитном поле;

• исследование основных характеристик ферромагнитных материалов по кривой намагничивания.

СОДЕРЖАНИЕ

3 Теоретические сведения о магнитных материалах и их свойствах 4

3.2 Магнитные параметры материалов 4

3.3 Классификация магнитных материалов 4

3.4 Петля гистерезиса 4

3.5 Магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы 6

4 Устройство и работа автоматизированного стенда 7

4.2 Состав аппаратной части стенда 7

4.3 Структурная схема стенда и принцип измерений 7

5 Программное обеспечение стенда 8

5.2 Структура программного обеспечения 8

5.3 Описание программного интерфейса 8

5.3.1 Основное меню 9

5.3.2 Панель инструментов 10

5.3.3 Окно базы данных 11

5.3.4 Окно параметров образца 12

5.3.5 Окно установки стиля линии 12

5.3.6 Окно характериографа 14

6 Проведение измерений 15

6.2 Измерение петли гистерезиса 15

6.3 Измерение временных характеристик напряженности поля и индукции 15

6.4 Измерение основной кривой намагничивания 15

6.5 Просмотр и анализ результатов измерений из базы данных 15

6.6 Формирование отчета 16

7 Выполнение работы 18

7.2 Лабораторное задание 18

7.3 Требования к содержанию отчета 19

Контрольные вопросы 19

Литература 19

3Теоретические сведения о магнитных материалах и их свойствах

3.2Магнитные 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 m для n атомов данного вещества .

Магнитные свойства вещества характеризуются магнитной восприимчивостью , 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 [Гн/м]: .

Магнитное поле в материале, кроме напряженности поля H, создаваемой током в намагничивающей обмотке, зависит так же от магнитных свойств материала. Полная магнитная индукция в материале составляет , 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 и относительную магнитные проницаемости материала. Откуда для магнитной восприимчивости имеем .

3.3Классификация магнитных материалов

По значению магнитной восприимчивости c, 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 c, 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.

3.4Петля гистерезиса

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

Различают следующие типы зависимостей:

Частная петля гистерезиса 2 – петля, полученная при циклическом изменении напряженности, если H<Hm;

Предельная петля гистерезиса 3 – петля, полученная при циклическом изменении напряженности H³Hm;

Основная кривая намагничивания 1. Представляет собой геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса, получающихся при циклическом перемагничивании или при монотонном увеличении напряженности поля в предварительно размагниченном образце.

Петля гистерезиса

При достаточно больших значениях H кривая 1 асимптотически приближается к прямой , где Bm – индукция насыщения. Начиная со значения Hm, при дальнейшем увеличении напряженности петля гистерезиса остается неизменной (за исключением продолжающих расти узких «носиков»). Все частные петли, как симметричные, так и несимметричные, лежат внутри предельной петли.

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 частотой f: , где g - плотность материала (кг/м3).

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

и дифференциальная магнитная проницаемость

.

Магнитные свойства материалов характеризуются также реверсивной (обратимой) магнитной проницаемостью m_р, которая измеряется на переменном сигнале малой амплитуды на фоне большого 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 в глубь от поверхности. Вихревые токи вносят вклад в потери на перемагничивание. Для уменьшения потерь на вихревые токи на высоких частотах следует применять магнитомягкие высокочастотные материалы (магнитодиэлектрики, ферриты), у которых значение удельного сопротивления значительно больше, чем у низкочастотных материалов - электротехнических сталей, пермаллоев.

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