6.4 Опрацювання результатів вимірювань та оформлення звіту

1 Розрахувати питомий опір зразків провідникових матеріалів при всіх температурах за формулою:

. (6.11)

Геометричні розміри зразків, необхідні для розрахунку, наведені в таблиці 6.4. Результати розрахунків записати у таблицю 6.3.

Таблиця 6.4 – Довжина l і діаметр d зразків провідникових матеріалів

Матеріал	l, м	d, мм	Матеріал	l, м	d, мм
Мідь	2	0,25	Манганін	2	0,09
Алюміній	2	0,32	Константан	2	0,16
Латунь	2	1,42	Ніхром	2	0,25
Сталь	2	0,25

2 За даними таблиці 6.3 побудувати залежності (Т) для всіх матеріалів.

3 Використовуючи формулу (6.6), розрахувати середній температурний коефіцієнт питомого опору досліджуваних металів у інтервалі температур від Т₀ до Т_к. Результати розрахунків записати в таблицю 6.5 і порівняти їх з довідниковими даними.

4 Зробити висновки з проведеної роботи.

Таблиця 6.5 – Результати розрахунків температурного коефіцієнта питомого опору

Матеріал	Мідь	Алюміній	Латунь	Сталь	Манганін	Константан	Ніхром
10-4 К

6.5 Контрольні запитання

1. Чим характеризують здатність речовин проводити електричний струм?

2. Від чого залежить питомий опір металів?

3. Чому питомий опір сплавів є звично вищим від питомого опору чистих металів, що входять до їх складу?

4. Що характеризує температурний коефіцієнт питомого опору і як його визначають?

5. Що характеризує коефіцієнт термо-ЕРС пари металів?

6. Назвіть основні матеріали високої провідності та вкажіть області їх використання.

7. Назвіть основні матеріали високого опору та вкажіть області їх використання.

Лабораторна робота №7 дослідження властивостей феромагнітних матеріалів

Мета роботи

Вивчити властивості та характеристики магнітних матеріалів, засвоїти методику їх дослідження. Експериментально визначити основні характеристики деяких феромагнітних матеріалів.

7.1 Основні теоретичні відомості

Всі речовини проявляють магнітні властивості, тобто взаємодіють з зовнішнім магнітним полем. Магнітні властивості зумовлені внутрішніми формами руху елементарних заряджених частинок, які утворюють елементарні колові струми (мікроструми), внаслідок яких атоми (молекули) мають власні магнітні моменти. Магнітний момент атома практично дорівнює геометричній сумі спінових та орбітальних магнітних моментів електронів, оскільки вклад ядра в магнітний момент атома дуже малий.

За відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти атомів (молекул) речовини напрямлені хаотично і їх результуючий момент дорівнює нулю. Під дією зовнішнього магнітного поля речовина намагнічується, тобто появляється узгоджена орієнтація магнітних моментів атомів. В результаті речовина стає джерелом додаткового магнітного поля, яке, накладаючись на зовнішнє, змінює його.

В залежності від інтенсивності намагнічування всі речовини поділяють на слабомагнітні та сильномагнітні або магнітні. До перших відносять діамагнітні, парамагнітні та антиферомагнітні речовини, які слабо намагнічуються під дією зовнішнього магнітного поля; їх відносна магнітна проникність близька до одиниці. Такі речовини за своїми магнітними властивостями в техніці використовують обмежено.

Як магнітні практично використовують сильномагнітні матеріали – феромагнетики та феримагнетики, відносна магнітна проникність яких набагато більша від одиниці.

Феромагнетики – це кристалічні речовини, які складаються з мікроскопічних (розмірами від тисячних до десятих часток міліметра) областей спонтанного намагнічення – доменів, кожна з яких намагнічена до насичення. Якщо немає зовнішнього поля, то магнітні моменти різних доменів напрямлені в просторі хаотично, тому намагніченість феромагнетика в цілому рівна нулю. Намагнічення феромагнетика у зовнішньому магнітному полі спричиняється ростом доменів, магнітні моменти яких складають найменший кут з напрямом поля, та переорієнтацією магнітних моментів доменів у напрямку прикладеного поля.

Основними феромагнітними матеріалами є залізо, нікель, кобальт, деякі їх сплави та сполуки. Феромагнітними властивостями володіють також деякі рідкоземельні елементи, їх сплави та сполуки, деякі сплави хрому, марганцю тощо.

Феримагнетики або нескомпенсовані антиферо-магнетики – це також кристалічні речовини доменної структури, але, на відміну від феромагнетиків, для них характерне антипаралельне розміщення спінових магнітних моментів сусідніх атомів або іонів з деяким переважанням одного напрямку над іншим. Результуючий магнітний момент кожного з доменів при цьому відмінний від нуля.

До феримагнетиків відносяться складні оксидні матеріали – ферити, які являють собою тверді розчини оксидів заліза та оксидів інших металів. Ферити відрізняються від феромагнітних матеріалів меншою магнітною проникністю, нижчим значенням індукції насичення, більш складною температурною залежністю магнітних властивостей. Поряд з цим, ферити характеризуються високим питомим електричним опором, що дозволяє використовувати їх у високочастотній техніці.

Для описання магнітних властивостей феромагнітних матеріалів використовують їх характеристики. При цьому характеристики, визначені в постійному полі, називають статичними, а в змінному – динамічними.

Основними характеристиками магнітних матеріалів є симетрична гранична петля гістерезису та основна крива намагнічування – залежності магнітної індукції В від напруженості намагнічуючого поля Н.

Симетричною петлею магнітного гістерезису називають замкнену криву залежності В(H) при циклічній зміні напруженості магнітного поля від деякого максимального значення Н_m до –Н_m і знову до Н_m. Змінюючи значення Н_m, отримують сімейство симетричних петель гістерезису даного матеріалу. Симетричну петлю гістерезису, при намагнічуванні за якою досягається стан магнітного насичення (рисунок 7.1), називають симетричною граничною петлею магнітного гістерезису. Важливими параметрами магнітних матеріалів є магнітна індукція насичення B_s, а також залишкова магнітна індукція B_r та коерцитивна сила H_c, які визначаються точками перетину граничної петлі гістерезису відповідно з осями ординат та абсцис. Площа, обмежена петлею гістерезису, характеризує питомі втрати енергії на гістерезис Р_Г за один цикл перемагнічування.

Початкова крива намагнічування – це залежність B(H) для попередньо розмагніченого матеріалу при монотонному зростанні намагнічуючого поля. Ця характеристика погано відтворюється, тому на практиці користуються основною кривою намагнічування.

Рисунок 7.1 – Симетрична гранична петля гістерезису та основна крива намагнічування

Основною кривою намагнічування (рисунок 7.2) називають залежність B(H), яка є геометричним місцем вершин симетричних петель магнітного гістерезису, отриманих при різних значеннях H_m. З основної кривої намагнічування визначають абсолютну магнітну проникність матеріалу:

, (7.1)

де m_B та m_H – масштаби відповідно магнітної індукції В та напруженості магнітного поля Н.

Рисунок 7.2 – Основна крива намагнічування В(Н) та крива магнітної проникності (Н)

На практиці для порівняння магнітних властивостей різних матеріалів користуються відносною магнітною проникністю

, (7.2)

де ₀ = 410^-7 Гн/м – магнітна стала. Індекс r в позначенні відносної проникності часто опускають.

Визначивши  в різних точках основної кривої намагнічування, можна побудувати залежність (Н) (рисунок 7.2), з якої визначають початкову _поч (при Н  0) та максимальну _maх магнітні проникності.

При намагнічуванні магнітного матеріалу змінним магнітним полем одержують динамічну петлю гістерезису B(H). Геометричне місце вершин динамічних петель гістерезису визначає динамічну криву намагнічування В_m (Н_m), з якої знаходять динамічну магнітну проникність

. (7.3)

При перемагнічуванні феромагнетиків в змінних магнітних полях мають місце втрати енергії, зумовлені гістерезисом та вихровими струмами. Потужності втрат на гістерезис Р_г і вихрові струми Р_в можуть бути визначені за формулами:

, (7.4)

, (7.5)

де k_г, k_в – коефіцієнти, які залежать від властивостей матеріалу та форми зразка;

f – частота перемагнічування;

n=1.62 – показник степені (в більшості випадків можна прийняти n=2);

 і V – відповідно питомий електричний опір та об'єм матеріалу.

Важливою характеристикою магнітних матеріалів для роботи в змінних магнітних полях, є питомі втрати Р_пит, які являють собою втрати енергії, віднесені до одиниці маси матеріалу.

При випробуваннях феромагнітних матеріалів у змінних магнітних полях внаслідок нелінійної залежності B(H) індукція і напруженість поля не можуть бути одночасно синусоїдними. Розрізняють режим синусоїдної індукції та режим синусоїдної напруженості. При проведенні випробувань необхідно вказувати режим, при якому вони проводяться. Рекомендується проводити випробування матеріалу в умовах, близьких до режиму його роботи в конкретному пристрої.