50051

Изучение петли гистерезиса и измерение параметров ферромагнетика

Лабораторная работа

Физика

Они способны сохранять намагниченность в отсутствие магнитного поля. Особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость между намагниченностью J и напряженностью магнитного поля H равносильно между вектором магнитной индукции В и напряженностью магнитного поля H. В действительности она является функцией напряженности поля Н и определяется как . Оно проявляется в том что при изменении намагничивающего поля Н магнитная индукция В в ферромагнетике отстает от внешнего магнитного поля Н.

Русский

2014-01-15

168.5 KB

44 чел.

Лабораторная работа № 5.22*

Изучение петли гистерезиса и измерение параметров ферромагнетика

Цель работы: наблюдение магнитного гистерезиса и экспериментальное определение параметров ферромагнитного материала.

Приборы и принадлежности: блок генератора напряжений ГН1, цифровой осциллограф PicoScope 2203, стенд с объектами исследования СЗ-ЭМ01, соединительные провода.

Краткие теоретические сведения

Ферромагнетиками называются твердые вещества, в которых наблюдается явление спонтанной намагниченности. Они способны сохранять намагниченность  в отсутствие магнитного поля.

Особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость между намагниченностью J и напряженностью магнитного поля H (равносильно между вектором магнитной индукции В и напряженностью магнитного поля H). Вследствие нелинейной связи между величинами  В и Н для ферромагнетиков теряет смысл введение магнитной проницаемости, как определенной постоянной величины. В действительности она является функцией напряженности поля Н и определяется как

.  (1)

Вторая особенность ферромагнетиков состоит в том, что для них зависимость В от Н неоднозначна, а определяется предысторией намагничивания ферромагнитного образца. Это явление называется магнитным гистерезисом. Оно проявляется в том, что при изменении намагничивающего поля Н, магнитная индукция В в ферромагнетике отстает от внешнего магнитного поля Н. В результате при выключении поля Н ферромагнетик остается намагниченным и магнитная индукция в нем равна Br (остаточная намагниченность). Чтобы уничтожить остаточную намагниченность в ферромагнетике необходимо наложить внешнее поле противоположного направления и величины Нс (коэрцитивная сила ферромагнетика). По величинам Br и Нс ферромагнетики делятся на магнитомягкие и магнитожесткие. Наличие гистерезиса приводит к тому, что, при периодическом изменении напряженности от +Н до –Н, значения В образуют замкнутую кривую, называемую петлей гистерезиса. Площадь петли определяет количество тепла, выделяющееся в единичном объеме за один цикл перемагничивания ферромагнетика

.      (2)

Петлю гистерезиса можно наблюдать на экране осциллографа, если на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение Ux, пропорциональное Н, а на вертикально отклоняющие пластины-Uy, пропорциональное В.

Для наблюдения петли гистерезиса и измерения ее параметров необходимо собрать следующую электрическую схему (рис. 2).

 

Трансформатор представляет собой замкнутый ферромагнитный сердечник, на котором размещены две обмотки: I-намагничивающая и II-измерительная. При пропускании переменного тока по обмотке I на сопротивлении R1 возникает напряжение Ux пропорциональное току I, в свою очередь напряженность поля Н также пропорциональна величине I. Следовательно напряжение Ux пропорционально величине Н, которая изменяется от +Н до –Н. Во вторичной обмотке возникает ЭДС индукции, пропорциональная скорости изменения магнитной индукции . Цепь RC выполняет роль интегрирующей ячейки, поэтому Uc=Uy~, т.е. В. Для проведения количественных измерений необходимо установить соотношения между величинами Ux и Н, между величинами Uy и В.

Рассмотрим условие, при котором начало координат находится в центре петли. Напряженность магнитного поля Н, создаваемого первичной обмоткой с числом витков N1 в ферромагнитном сердечнике, определяется как

Н=aUX, (3)

где Ux – значение напряжения в канале В. Коэффициент

, (4)

где l-длина средней линии ферромагнитного сердечника, на котором равномерно распределена первичная (намагничивающая) обмотка; R1-сопротивление, последовательно соединенное с первичной обмоткой.

Индукция магнитного поля в ферромагнетике В

B=bUY, (5)

где UY - значение напряжения в канале А.  Коэффициент

, (6)

где R и С- сопротивление и емкость интегрирующей ячейки; N2 –число витков вторичной обмотки; S-площадь поперечного сечения ферромагнитного образца (сердечника трансформатора).

Мощность, расходуемая на один цикл перемагничивания ферромагнитного образца, называемая мощностью потерь, пропорциональна площади петли гистерезиса.

Р=cSпетли, (7)

где Sпетли- площадь петли гистерезиса, измеренная в делениях шкалы осциллографа;

, (8)

где n - частота колебаний напряжения, подаваемого с генератора звуковых частот на первичную обмотку.

Порядок выполнения работы

1. Соберите схему, приведенную на рис 2.

2. Установите частоту колебаний напряжения 40 Гц, с помощью кнопки “F” на ГН1.

3. Установите рекомендуемые резистор и конденсатор RC-ячейки R5 и С4.

4. Установите максимальное напряжение ГН с помощью регулятора.

5. Запустите на компьютере программу PicoScope 6.

6. Убедитесь что на панели настройки каналов для канала А значение диапазона входного сигнал установлено «Авто».

7. Включите отображение канала B. Для этого установить на панели настройки каналов для канала В значение диапазона входного сигнал «Авто» .

8. Включите отображение по оси X входной сигнал канала A. Для этого по рабочей области программы нажать правую клавишу мыши и в контекстном меню в пункте «Ось-Х» выбрать пункт «A».

9. Для получения четкой картины на панели захвата изображения  выберать клавишу автоматической установки . Далее, на панели настройки каналов в меню параметра каналов установить для каждого канала значение разрешения 11 бит. Также установите коэффициент развертки 10 ms/div.

10. Остановите обработку данных осциллографом нажав  на панели запуска/остановки  кнопку «стоп» .

11. Нажатием левой клавиши мыши по соответствующему участку графика, определите в окне программы PicoScope значения Ux и Uy, соответствующие коэрцетивной силе ферромагнетика (Ux_c), точке, где наблюдается остаточная намагниченность (Ux_r) и точкам, соответствующим максимальному значению индукции магнитного поля (Uy_м) и максимальному значению напряженности магнитного поля (Ux_м). Запишите полученные

значения в табл. 1.

12. Рассчитайте коэффициенты a, b по формулам (4), (6) и запишите в табл. 1. Параметры трансформатора, емкости и сопротивления указаны на СЗ-ЭМ01: (S=0.64*10-4 м2, l=0,078 м , N1=1665, N2=970, R1=68 Ом, R5=4.70*105 Ом, С4 = 0,47*10-6 Ф.)

13. Пользуясь формулами (3) и (5), определить коэрцитивную силу Нс и остаточную индукцию Br. Запишите полученные значения в табл. 1.

14. По формулам (3) и (5) определите Hм и Bм. Полученные значения запишите в табл. 1.

15. Включите обработку данных осциллографом нажав на панели запуска/остановки     кнопку «пуск» .

16. Уменьшая напряжение генератора регулятором напряжения на генераторе ГН1, находящегося на лицевой части генератора левее кнопки переключения частоты, получите соответствующие им петли гистерезиса, повторите для каждого напряжения п. 12. Результаты измерений запишите в табл. 2. Необходимо получить 10 значений Ux_мi и Uyi.

17. По данным таблицы 2 постройте основную кривую намагничивания B=¦(H). По графику кривой намагничивания рассчитайте значения магнитной проницаемости  для различных интервалов DН и постройте график m=¦(Н), принимая конкретное значение mi к среднему значению Н на соответствующем интервале. Магнитная постоянная µ0 = 4π*10-7 Гн/м.

18. Сравните полученную кривую m=¦(Н) с теоретической кривой. Сделайте выводы.

Таблица 1

α

β

Ux_c

Uy_r

Ux

Uy

Br

Hc

Bм

Hм

Таблица 2

Uxi, В

Uyi, B

B_мi, Тл

H_мi, А/м

DВ, Тл

DH, А/м

m

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Контрольные вопросы

  1.  Ферромагнетики и их свойства. Доменная структура ферромагнетиков.
  2.  Явление магнитного гистерезиса.
  3.  Остаточная намагниченность и коэрцитивная сила ферромагнетика.
  4.  Магнитная проницаемость. Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности магнитного поля.
  5.  Мощность потерь.
  6.  Определение напряженности магнитного поля в лабораторной работе.
  7.  Определение магнитной индукции в лабораторной работе.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

4601. Основы булевой алгебры. Построение комбинационных схем по структурной формуле на однотипных базовых элементах 163 KB
  Основы булевой алгебры Для описания работы схем вычислительной техники и автоматики используют булеву алгебру. Булевой функцией называют функцию f(x1, x2, х3,…, xn), аргументы которой x1, x1, x2, xn и сама функция принимают значение 0 или 1. Табл...
4602. Сумматор по модулю. Двоичный одноразрядный сумматор 67.5 KB
  Сумматор по модулю 2. Дискретные устройства, выполняющие операцию сложения над числами, представленными в двоичной системе счисления, называются двоичными сумматорами. Сумматор, который выполняет операцию сложения в одном разряде, называют одноразряд...
4603. Арифметические основы работы ЭВМ 70.5 KB
  Арифметические основы работы ЭВМ Правила выполнения арифметических действий над двоичными числами задаются таблицами сложения, вычитания и умножения. Таблица 1 Сложение Вычитание Умножение 0 + 0=0 0 – 0=0 0 x 0=0 0 + 1=1 1 – 0=1 0 x 1=0 1 ...
4604. Простейшие алгоритмы. Поиск 81.5 KB
  Простейшие алгоритмы. Поиск Линейный поиск В массиве ТИП найти элемент равный Алгоритм линейного поиска Цикл while завершит свою работу либо при нахождении элемен...
4605. Основные понятия и подходы к разработке программных продуктов 329.5 KB
  Программирование — молодая и быстро развивающаяся отрасль науки и техники. Опыт ведения реальных разработок и совершенствования имеющихся программных и технических средств постоянно переосмысливается, в результате чего появляются новые...
4606. Основные понятия языка программирования Delphi 448.5 KB
  Введение Среди множества языков программирования высокого уровня, используемых на персональных компьютерах, язык Pascal является одним из наиболее универсальных и легко изучаемых языков. Его удобно применять при создании сложных приложений, включая ...
4607. Операторы языка Delphi 408.5 KB
  Введение Главную часть программы на языке Delphi составляет раздел операторов, в котором реализуется алгоритм решения поставленной задачи, т.е. именно в нем с предварительно описанными переменными, константами, значениями функций и т.п. выполняются...
4608. Основные принципы работы с статическими структурами данных, реализованными в языке Delphi 1.59 MB
  Структуры данных наряду с алгоритмами являются основными составными частями создаваемых программ. Одну из своих книг профессор H. Вирт, автор языка программирования Pascal буквально так и назвал: Алгоритмы + Структуры данных = Программы. П...
4609. Принципы работы с файловыми данными в практике программирования 231.5 KB
  В практике программирования часто встречаются задачи, решение которых носит регулярный характер и требует большого количества относительно мало изменяемых во времени данных. К ним относятся задачи планирования, учета, хранения и выбора данн...