71757

Электротехнические материалы: Методические указания

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

Цель работы: Экспериментальное исследование магнитных характеристик ферромагнитных материалов. Снятие кривой намагничивания и гистерезисных циклов. Определение по кривой намагничивания магнитной проницаемости и ее зависимость от напряженности магнитного поля.

Русский

2014-11-11

344 KB

12 чел.

21

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра « Электропривод и АПУ»

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ МАГНИТНЫХ

МАТЕРИАЛОВ 

Методические указания к лабораторным работам для студентов

очной и заочной формы обучения специальности 1-53 01 05

«Автоматизированные электроприводы»

МОГИЛЕВ 2005


УДК 621.315.6

ББК 31.2

       Э 45

Одобрено кафедрой «Электропривод и АПУ»    мая 2005 г., протокол №

Составители канд. тех. наук, доц. Г. С. Леневский

      ст. преподаватель    Г. В. Лабкович

Методические указания к лабораторной работе №6 по курсу «Электротехнические материалы» для студентов специальности 1-53 01 05 «Автоматизированные электроприводы» - ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», 2005 г.

В методических указаниях приводятся краткие теоретические сведения о магнитных свойствах ферромагнитных материалов, применяемых в машиностроении и электротехнике.

Лабораторная работа №6 “Исследование магнитных свойств материалов с помощью осциллографа”

Цель работы: Экспериментальное исследование магнитных характеристик ферромагнитных материалов. Снятие кривой намагничивания и гистерезисных циклов. Определение по кривой намагничивания магнитной проницаемости и ее зависимость от напряженности магнитного поля. Определение зависимости потерь на вихревые токи и на гистерезис от частоты.

1 Краткие теоретические сведения о магнитных свойствах ферромагнитных  материалов

Все вещества при рассмотрении их магнитных свойств принято называть магнитиками, т. е. способными под действием магнитного поля приобретать магнитный момент. Количественной характеристикой намагниченного состояния вещества служит векторная величина – намагниченность J. Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля соотношением:

                                     J = kmH,      (1)

где  J – намагниченность, А/м;

                km – магнитная восприимчивость;

                H – напряженность магнитного поля, А/м.

По своим магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы:

- диамагнетики, km 10-5 и не зависит от температуры и напряженности поля (к ним относятся инертные газы, водород, медь, цинк, свинец);

- парамагнетики, km 10-210-5 и имеет место значительная зависимость от температуры;

- ферромагнетики, km >> 1 и сложная нелинейная зависимость от температуры и внешнего поля.

Различие между диа-, пара- и ферромагнетиками от напряженности магнитного поля представлено на рисунке 1.

Широкое применение в технике в качестве магнитных материалов нашли ферро- и ферримагнитные материалы.

Ферромагнетиками называют твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий магнитного поля, деформации, изменения температуры.

Ферромагнетики в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков являются сильномагнитными веществами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее поле.

Рисунок 1 – Зависимость намагниченности J магнитного состояния различных веществ  от напряженности магнитного поля Н

Ферромагнитные материалы в большей или меньшей степени обладают магнитной анизотропией, т. е. свойством намагничиваться с различной степенью трудности в различных направлениях. Магнитные свойства ферромагнитных материалов сохраняются до тех пор, пока их температура не достигнет значения, называемого точкой Кюри. При температурах, выше точки Кюри, ферромагнетик ведет себя во внешнем магнитном поле как парамагнитное вещество. Он теряет не только свои ферромагнитные свойства, но у него изменяется теплоемкость, электромагнитность и некоторые другие физические характеристики.

Точка Кюри для различных материалов различна: для никеля - плюс365 ºС, для кобальта - плюс1130ºС.

При намагничивании ферромагнетиков происходит небольшое изменение их линейных размеров, т. е. увеличение или уменьшение их длины с одновременным уменьшением или увеличением поперечного сечения. Это явление называется магнитострикцией. Магнитострикция зависит от строения кристаллической решетки ферромагнетика.

Явления ферромагнетизма объясняют следующие положения:

1 Ферромагнитными свойствами обладают кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с не скомпенсированными спинами;

2 В подобных кристаллах могут возникать силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу, что и приводит к возникновению областей спонтанного намагничивания. Эти силы, называемые обменными, имеют квантовую природу – они обусловлены волновыми свойствами электронов;

3 Под действием обменных сил параллельная ориентация магнитных моментов атомов происходит в определенных областях, называемых доменами.

Деление образца на домены ограничивается энергией, затрачиваемой на образование границ между доменами. Возможные размеры для некоторых материалов составляют около 0.001- 10 мм3 . Толщина доменной границы достигает несколько сотен нанометров. В пределах домена материал в отсутствие внешнего поля намагничен до насыщения благодаря обменному взаимодействию отдельных атомов. Это взаимодействие действует только до точки Кюри.

Направление электрических моментов доменов, в любом не намагниченном образце равновероятны, поэтому весь образец не имеет магнитного момента, т. е. он не намагничен.

2 Процесс технического намагничивания

В ферромагнитных материалах реализуется такая доменная структура, для которой полная свободная энергия системы является минимальной.

Полная свободная энергия системы состоит из следующих видов энергий: магнитостатической, магнитной анизотропии, магнитострикции и обменной.

Магнитостатическая энергия связана с полями рассеивания или с возникновением полюсов на концах магнитов. Минимум магнитостатической энергии наблюдается, когда магнитный поток замкнут внутри материала. Магнитостатическая энергия уменьшается, если тело состоит из нескольких доменов.

Под действием внешнего магнитного поля происходит процесс смещение границ доменов и их ориентации. Создается большое магнитное поле внутри ферромагнитного материала и вокруг него. Под влиянием внешнего магнитного поля увеличиваются размеры тех доменов, магнитные моменты которых составляют острый угол с направлением магнитного поля, и уменьшаются размеры других доменов (процесс смещения доменов); магнитные моменты поворачиваются в направлении внешнего поля  (процесс ориентации).

Зависимость магнитной индукции от напряженности внешнего поля называют кривой намагничивания, и она имеет вид, показанный на рисунке 2.

Рисунок 2 - Основная кривая намагниченности ферромагнетика.

Кривую намагничивания ферромагнетика условно можно разделить на четыре участка.

Участок 1 – область самых слабых магнитных полей, которая характеризуется линейной зависимостью магнитной индукции от напряженности поля. Изменение магнитной индукции на этом участке происходит в основном за счет обратимых процессов, которые обусловлены смещением границ доменов.

Участок 2 – область слабых магнитных полей - характеризуется крутым подъемом магнитной индукции и магнитной проницаемости при увеличении напряженности магнитного поля. На этом участке границы доменов перемещаются на большие расстояния, и после снятия внешнего магнитного поля доменная структкра не возвращается в исходное состоянияе, т. е. процесс является необратимым.

Участок 3 – область средних полей – характеризуется небольшим увеличением индукции и значительным уменьшением магнитной проницаемости. Процесс намагничивания на этом участке происходит в основном за счет поворота вектора намагниченности до направления внешнего магнитного поля. В конце этого участка материал достигает значения намагниченности технического насыщения.

Участок 4 – область сильных магнитных полей – характеризуется незначительным возрастаним магнитной индукции с увеличением напряженности магнитного поля и приближением значения магнитной проницаемости к единице. В этой области происходит полная ориентация вектора намагниченности к направлению внешнего поля и наблюдается слабый рост индукции с увеличением поля.

В реальных ферромагнетиках различные виды процесса намагничивания перекрывают друг друга, на характер кривых оказывают влияние многие явления и причины – магнитострикция, механические напряжения, дефекты кристаллической решетки, немагнитные включения, воздушные зазоры и др. На рисунке 3 показана усредненная зависимость магнитной индукции и магнитной проницаемости напряженности внешнего магнитного поля для различных магнитных материалов.

Магнитная проницаемость определяет способность материала к намагничиванию; чем оно больше, тем легче намагничивается материал и, наоборот, чем оно меньше, тем в меньшей степени материал может быть намагничен.

В технике часто используют понятие начальной и максимальной магнитной проницаемости. Значения магнитной проницаемости в области слабых полей, при Н=0,1 A/м, называют начальной магнитной проницаемостью μн. В области технического насыщения магнитная проницаемость достигает максимального значения μmax и этим значением определяется верхняя граница использования материала

Кроме кривой намагничивания важнейшей характеристикой, объясняющей технические свойства ферромагнетиков, является петля гистерезиса.

 

1 – особо чистое железо; 2 – железо чистое (99.98% Fe); 3 – технически чистое железо (99.92% Fe); 4 – пермаллой (78% Ni); 5 – никель.

Рисунок 3 - Кривая зависимости магнитной индукции В и относительной магнитной проницаемости μ от напряженности внешнего магнитного поля

Особенностью ферромагнитных материалов является зависимость магнитной индукции В не только от напряженности магнитного поля, но и от предшествующего состояния ферромагнетика. Таким образом, явление магнитного гистерезиса обусловлено как бы внутренним трением, возникающим при изменении ориентации магнитных моментов в доменах.

Изменяя последовательно напряженность поля от Нn до Нm и обратно, кривая намагничивания образует петлю гистерезиса. В зависимости от различных значений напряженности внешнего магнитного поля можно построить семейство петель гистерезиса, как это показано на рисунке 4.

Форма петли для данного материала зависит от максимального значения напряженности магнитного поля Нmax. Для слабых полей петля имеет вид эллипса, с увеличением напряженности поля у петли начинают вытягиваться “носики”, соответствующие точкам А1 и А2 (рисунок 4).

Петлю с самой большой площадью, полученную  при условии насыщения, называют предельной. При напряженности поля Н > Нmax получается уже безгистерезисный участок кривой В(Н).

Основными параметрами петли гистерезиса являются остаточная индукция Вr, коэрцитивная сила Нс, и площадь петли гистерезиса, характеризующая удельные потери на гистерезис Р за один цикл перемагничивания.

Остаточной индукцией Вr называют индукцию, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внешнего намагничивающего поля

                                             

Рисунок 4 - Основная кривая намагничивания и петля магнитного гистерезиса.

Коэрцитивной силой Нс называют напряженность поля, которую надо создать, чтобы ранее намагниченный до насыщения образец полностью размагнитить. Кривые намагничивания можно снимать на постоянном токе с помощью осциллографа. Кривые намагничивания, снятые баллистическим методом, называют статистическими. При снятии на переменном токе получают динамические кривые намагничивания и динамическую петлю гистерезиса.

При низких частотах и малой толщине магнитного материала динамическая кривая намагничивания совпадает со статической. При этом значения динамической магнитной проницаемости совпадают со значениями проницаемости, вычисленными по статической кривой намагничивания. Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменных полях связан с затратой энергии, которая, превращаясь в тепло, вызывает нагрев магнитопровода. По механизму возникновения различают потери на гистерезис и на вихревые токи.

Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением границ доменов. Они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного поля.Мощность потерь, расходуемая на гистерезис, определяется формулой:

Ρґ = η∙m)n f∙V,    (3)

где  Pr – потери на гистерезис, Вт/кг;

       η – коэффициент, зависящий от свойств материала;

       Bm – максимальная индукция, достигаемая в данном цикле, Тл;

       f – частота тока, Гц;

      V – объем образца, м3;

      n – показатель степени, принимающий значение от 1,6 до 2,0.

Потери на вихревые токи вызываются электрическими токами, которые магнитный поток индуцируют в магнитном материале. Они зависят от удельного электрического сопротивления материала: чем оно больше, тем меньше потери на вихревые токи, и формы сердечника.

Потери на вихревые токи определяются по формуле:

Pв = ξ∙m)2 f2  V,                                 (4)

где Pв – потери на вихревые потоки, Вт/кг;

      ξ – коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления          ферромагнетика и его формы;

      f – частота тока, Гц;

     V – объем образца, м3;

    Bm – максимальная магнитная индукция, Тл.

Для листового магнитного материала потери в переменном поле рассчитываются по формуле:

                            Pв=(1,64∙h2m)2f 2)/(γ∙ρ),                                     (5)

где h – толщина листа, м;

       Вm – максимальная магнитная индукция, Тл;

       f – частота тока, Гц;

       γ – плотность материала, кг/м3;

       ρ – удельное электрическое сопротивление, Ом∙м.

Поскольку величина Рв зависит от второй степени частоты, а величина Pr – от первой степени, то при малых частотах можно не учитывать потери на вихревые токи по сравнению с потерями на перемагничивания. С увеличением частоты влияние вихревых токов растет, что приводит к увеличению площади гистерезисной петли и превращению ее в эллипс.

3  Классификация ферромагнитных материалов

Ферромагнитные материалы по своему поведению в магнитном поле делятся на две группы: - магнитомягкие (МММ), магнитотвердые (МТМ).

Магнитомягкие материалы обладают большой начальной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой (Нс < 4 кА/м). Эти материалы легко намагничиваются и размагничиваются и отличаются малыми потерями на гистерезис, т. е. им соответствует узкая петля гистерезиса. В таблице 1 приведены данные о магнитных свойствах некоторых магнитомягких материалах.

Уровень магнитных характеристик магнитомягких материалов зависит от их химической чистоты и степени искажения кристаллической структуры. Чем меньше различных примесей в магнитомягком материале, тем выше его характеристики, т. е. больше значение μн и μm и меньше значение Нс и потери на гистерезис. Поэтому при производстве магнитомягких материалов стремятся удалить из них наиболее вредные примеси – углерод, фосфор, серу, кислород, азот и различные оксиды. Одновременно стараются не искажать кристаллическую структуру материала и не вызывать в нем внутренних напряжений. Магнитомягкие материалы используют для изготовления сердечников электрических машин, трансформаторов, реле и других электрических аппаратов.

К этой группе материалов относятся: техническое железо и низкоуглеродистые стали, листовые электротехнические стали, железоникелевые сплавы (пермаллои) и оксидные ферромагнетики – ферриты.

Техническое железо с содержанием углерода до 0,04 %, углеродистые стали и чугун широко применяются для магнитопроводов, работающих в условиях постоянных магнитных полей.

Электротехнические стали - это сплавы железа с кремнием

(1 - 4 %). Путем изменения содержания кремния и применением различных технологических приемов получаются стали с широким диапазоном магнитных свойств. Кремний улучшает свойства технического железа: увеличиваются начальная и максимальная магнитные проницаемости, уменьшается коэрцитивная сила, уменьшаются потери энергии от гистерезиса, увеличивается удельное электрическое сопротивление, что важно для уменьшения так называемых вихревых токов, возникающих при циклически изменяющемся магнитном поле и нагревающих магнитопровод.

Стали, с низким содержанием кремния, имеют низкую магнитную проницаемость, большую индукцию насыщения и большие удельные потери, они применяются в установках и приборах цепей постоянного тока или переменного тока низкой частоты. Стали с высоким содержанием кремния, применяются в тех случаях, когда нужно иметь высокую магнитную проницаемость в слабых и средних полях и малые потери от гистерезиса и вихревых токов, вследствие чего они могут применяться для магнитопроводов, работающих при повышенной частоте тока.

Пермаллои - это сплавы различного процентного содержания железа и никеля, а некоторые из них, кроме того, молибдена, хрома, кремния, алюминия. Пермаллои имеют высокую магнитную проницаемость, в 10-15 раз большую, чем у листовой электротехнической стали. В этих сплавах индукция насыщения достигается при малых напряженностях поля (от десятых долей до нескольких сотен ампер на метр). Одни из них имеют низкую индукцию насыщения В5 (около 0,6 -0,8 Тл), другие - относительно высокую

(1,3 - 1,6 Тл). К первой группе относятся высоконикелевые пермаллои, содержащие 79 % никеля и 3,8 % молибдена, у которого μн = 22000; μтах = 120000; B5 = 0,75 Тл. Ко второй группе относятся низконикелевые пермаллои, например содержащие 45 % никеля, у которого μ=2500;

μтах =  23000; B5 =  1,5 Тл.

У пермаллоев с прямоугольной петлей гистерезиса (рисунок 5) степень прямоугольности петли характеризуется отношением остаточной индукции Вr к максимальной индукции Втах, под которой понимают индукцию при напряженности поля, в 5-10 раз превышающую коэрцитивную силу. Это отношение достигает 0,85-0,99. Коэрцитивная сила таких пермаллоев лежит в пределах от 1 до 30 А/м. Магнитные свойства пермаллоев в сильной степени зависят от технологии их изготовления.

                                                                

Рисунок 5 - Петля гистерезиса пермаллоев.

Ферритами называют ферромагнитные материалы, получаемые из смеси окислов железа, цинка и других элементов. При изготовлении магнитопроводов смесь размалывают, прессуют и отжигают при температуре около плюс 1200 ˚С; таким образом, получают магнитопроводы нужной формы. Ферриты обладают очень большим удельным сопротивлением, вследствие чего потери из-за вихревых токов небольшие и их можно применять при высокой частоте. Ферриты обладают значительной начальной магнитной проницаемостью, незначительной индукцией насыщения (0,18 -О,32Тл) и малой коэрцитивной силой

(8 - 80 А/м).

Магнитодиэлектрики - это материалы, получаемые из смеси мелкозернистого ферромагнитного порошка с диэлектриком (поливинилхлорид, полиэтилен). Смесь формуют, прессуют и запекают; в результате мельчайшие частицы ферромагнетика оказываются разделенными электроизолирующей пленкой из немагнитного материала.

Ферриты и магнитодиэлектрики широко применяются в качестве сердечников в проводной аппаратуре и радиосвязи, в магнитных усилителях, вычислительных машинах и в других областях техники.

В настоящее время ведутся разработки новых видов магнитомягких материалов. Одним из таких видов является ленточный магнитопровод , который  изготавливаются из ленты толщиной 25 мкм с нанокристаллическои структурой. Лента получается методом быстрой закалки из сплава на основе железа. Магнитопроводы после термической обработки в продольном магнитном поле имеют высокую прямоугольность петли магнитного гистерезиса и низкие удельные магнитные потери.

Предельные значения температуры окружающей среды от минус

60 °С до плюс 125°С. Полный срок службы магнитопроводов - 30 лет. Технические условия обеспечивают коэффициент прямоугольности Вг10 > 0,85.

Область применения: магнитные усилители, импульсные трансформаторы, дроссели насыщения, магнитные ключи.

Аморфные магнитные материалы по структуре внутреннего строения можно отнести к стеклообразным твердым телам. Аморфное состояние металлических сплавов возникает при высоких скоростях охлаждения расплавов, когда зарождение и рост кристаллической фазы не успевает происходить. Аморфные материалы обладают повышенной твердостью, прочностью, высокой коррозийной стойкостью. Эти качества обусловлены отсутствием в аморфных сплавах границ зерен. Удельное сопротивление аморфных сплавов в 3-5 раза выше, чем кристаллических. Температурный коэффициент сопротивления примерно в10 раз ниже, и в определенном интервале температур может иметь отрицательное значение. Аморфные сплавы, так же как и кристаллические имеют доменную структуру.

Магнитно-твердые материалы предназначены для изготовления постоянных магнитов самого различного назначения. Эти материалы характеризуются большой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией, большими значениями плотности энергии магнитного поля и сравнительно малыми значениями магнитной проницаемости. В таблице 2  приведены основные  данные  о магнитных  свойствах  некоторых  магнитотвердых  материалов.  

К магнитно-твердым материалам относятся: углеродистые, вольфрамовые и кобальтовые стали;  их коэрцитивная сила 5000-8000 А/м,  остаточная индукция 0,8 – 1 Тл. Они обладают ковкостью, поддаются прокатке, механической обработке и выпускаются промышленностью в виде полос или листов. Для удешевления магнитотвердых материалов созданы сплавы ЮНД на основе железа, никеля, алюминия (12 % Al, 25 % Ni). Добавление к этим сплавам кобальта (ЮНДК) увеличивает Нc, но одновременно уменьшает Вr. Охлаждение сплавов от точки Кюри в магнитном поле делает материал анизотропным ( текстурованным). При этом увеличивается Вr, петля гистерезиса становится прямоугольной, увеличивается магнитная энергия

Таблица 1 - Параметры магнитомягких материалов 

Магнитный материал

Магнитная проницаемость

Коэрцитивная сила

А/м

Оста-точная инудукция

Тл

Индук-ция

насыщения

Тл

Температура

Кюри

 С

Удель-ное

сопротивление

Омм

Нач.

Макс.

Техничес-ки чистое железо

250-400

3500-4500

50-100

2,0

2,18

770

0,110-6

Электро-техничес-кая сталь

200-600

3000-8000

10-65

0,5-1,9

1,95-2,02

740-760

(0,25-0,6)10-6

Низкони-келевые пермаллои

1500-4000

15000-60000

5-32

0,3-0,5

1,0-1.6

400-500

(0,45-0,9)

10-6

Высокони-келевые пермаллои

7000-100000

50000-300000

0,65-5

0,5-0.7

0,65-1,05

400-600

(0,16-0,85) 10-6

Супермал-лой

100000

1500000

0,3

-

0,8

400

0,610-6

Низкочастотный феррит марки:

20000 НМ

6000 НМ

2000 НМ

2000 НН

600 НН

400 НН

15000

4800-8000

1500-2300

2400

500-800

320-500

35000

10000

3500

6000

1500

600

0,24

8

24

8

40

56

0,11

0,11

0,13

0,10

0.12

0.13

0,35

0,35

0,38

0,25

0,28

0.26

110

130

200

70

110

120

0,001

0,1

0,5

10

102

103

Высокочастотный феррит

100 ВЧ

20 ВЧ

80-120

16-24

280

45

300

1000

0,15

0.1

400

450

105

106

Магнитодиэлектрики на основе

альсифера

молибденового пермаллоя

20-90

60-250

400-500

100

0.02-0.05

0.007-0.02

(1-10)10-4

Дисперсионно-твердеющие сплавы типа викаллой (железо-никель-медь, железо-никель-валладий) хорошо поддаются механической обработке, но уступают по магнитным свойствам материалам типа ЮНДК.

Магнитные материалы, выполненные на основе редкоземельных материалов с кобальтом, имеют очень большое значение коэрцитивной силы

К магнитно-твердым материалам, обладающим лучшими магнитными свойствам,  относятся сплавы: альни, альниси, альнико и др. Они характеризуются коэрцитивной силой Нс = 20 000 ÷ 60 000 А/м и остаточной индукцией Вг=0, 4 ÷ 0,7 Тл.

Таблица  2 - Параметры магнитотвердых материалов

Ферромаг-нетик

Hc,А/м

В, Тл

, Дж/м3

Свойства

Альни

40000

0,5

7200

Плотность 6900кг/м3 -7100кг/м3 Применяются для изготовления постоянных магнитов

Альнико-15

48000

0,75

12000

Альнико –18

52000

0,90

19400

Магнико

40000

1,23.

32250

Высококоэрцитивный сплав, плотность 7000кг/м3, используется для изготовления постоянных магнитов.

Для изучения магнитных свойств ферромагнитных материалов применяют образцы тороидальной формы. При использовании таких образцов истинная напряженность магнитного поля внутри образца, к которой нужно отнести измеренное значение магнитной индукции В, равна напряженности внешнего магнитного поля, которое возникает при протекании тока в намагничивающей обмотке образца. В данной работе исследования  магнитных материалов используется осциллографический метод. Достоинством такого метода является возможность визуального наблюдения петли гистерезиса, широкий диапазон частот переменного тока,  в котором можно производить исследование.

4 Описание   лабораторной установки

Лабораторная установка содержит:

G1 – генератор переменного напряжения звуковой частоты типа ГЗ-33,

ТV1 – трансформатор с тороидальным магнитным сердечником, изготовленный из исследуемого материала,

R0 – образцовый резистор,

Сu, Ru – интегрирующая цепочка,

Wk3 – короткозамкнутые витки,

S – переключатель для подключения короткозамкнутых витков,

E1 – осциллограф.

Обмотка W1, по которой пропускается ток, содержащий магнитное поле, называется намагничивающей. Обмотка W2, в которой возникает ЭДС индукции, называется измерительной.

Рисунок 7 – Схема лабораторной установки  для исследования магнитных свойств ферромагнитных материалов

Принцип работы лабораторной установки

На пластины горизонтального отклонения осциллографа Е1 подаются напряжение с R0. Оно пропорционально току в намагничивающей обмотке W1. Отклонение луча в горизонтальном направлении пропорционально амплитудному значению тока, а значит и амплитудному значению напряженности поля. Ось Х называется осью напряженности магнитного поля. В измерительной обмотке W2 образца под действием магнитного поля возникает вторичная ЭДС. К пластинам вертикального отклонения осциллографа E1 приложено напряжение Uc, снимаемое с конденсатора Cu интегрирующей цепочки. Напряжение на конденсаторе подсчитывается по формуле:

                                                 Uc=1/Cu ∫idt,                                        (6)

где Cu – емкость конденсатора интегрирующей цепочки,

      i – ток в интегрирующей цепочке.

Сопротивление Ru выбрано так, что

                                                 Ru>>1/ωCu,                                       (7)

Поэтому:

                                                 i≈E2/Ru,        (8)

где Ru – сопротивление резисторо интегрирующей цепочки,

     E2 – ЭДС вторичной обмотки.

                                                  E22S·dB/dt,                                   (9)

где ω2 – число витков вторичной обмотки,

     S – сечение образца.

С учетом формул (8) и  (9) выражение (6) имеет вид

                                     Uc=1/CuRu∫E2dt=ω2SB/CuRu,                                 (10)

Следовательно, на вертикальную ось осциллографа подается напряжение пропорционально индукции в образце магнитного материала. При одновременном приложении этих напряжений к пластинам осциллографа на экране возникает неподвижное изображение петли гистерезиса: геометрическое место точек вершин гистерезисных циклов, основную кривую намагничивания

5 Порядок выполнения работы

1 Собрать схему лабораторной установки по рисунку 7, соединить зажимы Х и 3 (земля) пульта с зажимами горизонтального входа осциллографа Е1, а зажимы У и 3 (земля) с зажимами вертикального входа. Для исследования образца переключатель S на установке поставить в положение 0. Установить предел шкалы ослабления генератора G1 -  +30dB, предел шкалы вольтметра - 60В.

2 Включить осциллограф E1 и генератор G1, установить частоту 50 Гц. Постепенно при помощи регулятора выходного напряжения генератора повысить напряжение с таким расчетом, чтобы довести образец до насыщения. Ручками усиления осциллографа произвести коррекцию изображения гистерезисного цикла так, чтобы координаты вершин были удобны для отсчета. Зарисовать цикл магнитного гистерезиса и записать полное отклонение луча на экране осциллографа по горизонтали Х и вертикали У в мм. Внимание. При всех дальнейших измерениях ручки горизонтального и вертикального усиления не трогать.

3 Градуировка осей осциллографа. Установить выходное напряжение генератора G1 равное 0. Отсоединить осциллограф и генератор от пульта с образцом материала. Соединить выход генератора G1 с горизонтальным входом Х осциллографа Е1, зажимы вертикального входа осциллографа закоратить. Далее, с помощью регулятора повысить выходное напряжение генератора так, чтобы максимальное отклонение луча точно соответствовало отклонению по горизонтальной оси, полученному при наблюдении гистерезисного цикла. Полученные значения занести в таблицу 4

Таблица 4 - Результаты градуировки горизонтальной оси осциллографа

№образца

W1

UH, В

R0, Ом

Rср, м

Х, мм

h1,(А/м)/мм

4 Установить выходное напряжение генератора G1 на отметке 0. Градуировку вертикальной оси осциллографа Е1 произвести аналогичным образом с тем отличием, что закорачивают горизонтальный вход осциллографа. Полученное значение напряжения генератора записать в таблицу 5.

Таблица 5 - Результаты градуировки вертикальной оси осциллографа

№образца

W2

UB, В

Сu, мкФ

Ru, кОм

S, м2

У, мм

b1, Тл/мм

5 Снятие основной кривой намагничивания. Восстановить схему рисунка 7. Получить на экране осциллографа изображение первоначальной петли гистерезиса так, как это указано в п. 2. При помощи регулятора выходного напряжения генератора G1 постепенно увеличивать напряженность магнитного поля от нуля до максимального значения через ∆Н, которое соответствует 5 мм на сетке экрана осциллографа. При этом отсчитать ординаты вершин гистерезисных циклов. Данные опыта занести в таблицу 6.

Таблица 6 - Основные кривые намагничивания ферромагнетика при разных частотах

Материал

f, Гц

Х, мм

Н, А/м

У, мм

В, Тл

6 Определение потерь в образце магнитного материала. С помощью переключателя S, для усиления влияния вихревых токов на потери в образце, на него накладывают короткозамкнутые витки. Зарисовать полученные циклы на одну, и туже кальку при всех короткозамкнутых витках. !!! Поддерживать во время опыта напряженность магнитного поля постоянной.

7 Испытание магнитного материала на повышенных частотах. Установить частоту 100 Гц и снять основную кривую намагничивания, как указано в п.5. При напряженности магнитного поля, соответствующей первоначальному гистерезисному циклу, зарисовать на кальку полученный гистерезисный цикл. То же самое повторяют для частот 200, 300, 400, 500 и 600 Гц. Результаты исследования занести в таблицу 6 и 7

Таблица 7 - Результаты определения потерь в образце ферромагнетика

Материал

f, Гц

Wк3

Sn, м2

ρ1, кг/м3 

Р, Дж/кг

Р1, Вт/кг

8 Обработка результатов.

Вычисление масштаба горизонтальной оси осциллографа производится по формуле:

                            h1 = (0.22·W1 Uн)/(R0·rср·X),    (11)

где  h1 – масштаб горизонтальной оси, (А/м)/мм;

      W1 – число витков первичной обмотки на образце испытуемого ферромагнитного материала;

      Uн – напряжение, В;

      R0 – образцовое сопротивление, Ом;

      rср – средний радиус образца, м;

      Х – число миллиметров, на которое откланяется луч под воздействием напряжения Uн при градуировке.

Вычисление масштаба вертикальной оси осциллографа производится по формуле:

b1 = (1,41·Uв·Cu ·Ru)/(W2 ·S·Y),  (12)

где b1 - масштаб вертикальной оси, Тл/мм;

     UВ -  напряжение, В;

     Сu – значение емкости конденсатора интегрирующей цепочки, Ф;

     Ru – сопротивление интегрирующей цепочки, Ом;

     W2 – число витков вторичной обмотке на образце испытуемого ферромагнитного материала;

     S – площадь сечения испытуемого образца, м2;

     У – число миллиметров, на которое отклоняется луч осциллографа под воздействием напряжения UВ при градуировке.

Воспользовавшись данными таблицы 4 и 5 определить значение В и Н по формуле:

 В = У∙b1,                                           (13)

где В – магнитная индукция, Тл;

 Н = X∙h1,     (14)

где Н – напряженность магнитного поля, А/м.

9 Рассчитать относительную магнитную проницаемость:

 μ  = В/(μ0Н),    (15)

где В и Н снимают с основной кривой намагничивания

μ0=4π10-7 Гн/м.

10 Определение потерь в образце ферромагнитного материала.

Удельные потери в образце за один период определяют по формуле:

 Р =  (Snh1b1/(ρ10-6),    (16)

где    Р – удельные потери за один период, Дж/кг;

        Sn – площадь гистерезисной петли, м2;

        ρ- плотность материала образца, кг/м3;

Данные занести в таблицу 7

Удельные потери в образце на гистерезис и вихревые потоки:

                                                     Р1 = Pf,                                             (17)

где  Р1 – удельные потери на гистерезис и вихревые токи, Вт/кг;

                 f – частота питающего напряжения, Гц.

Удельные потери в образце определяются для каждой петли гистерезиса.

6 Отчет о работе

Отчет о работе должен содержать:

1 Цель работы.

2 Схему установки.

3 Описание материалов, с которыми ознакомился студент в данной работе (тип, состав. применение)

4 Результаты наблюдений и вычислений в виде таблиц, отдельных записей, а также формулы и расчеты

5 По результатам таблиц 6 и 7 построить графики зависимости

B = f(H),  µ  = f(H) и P = f(B)

Контрольные вопросы

  1.  Какие основные характеристики магнитомягких материалов Вы знаете? Сравните их с характеристиками магнитотвердых материалов.
  2.  Как в данной работе получают основную кривую намагничивания?
  3.  Какие потери и почему более описаны на высокой частоте?
  4.  Чем отличаются статические кривые намагничивания от динамических, какие кривые снимались в данной работе.
  5.  Почему для испытания берут образец в виде тора?
  6.  Укажите процентный состав и область применения пермаллоя и магнитодиэлектриков.
  7.  Назовите состав, свойства и область применения ферритов.
  8.  Назовите магнитомягкие и магнитотвердые ферромагнетики, на основе которых получают композиционные магнитные материалы – магнитодиэлектрики и магнитопласты. Какова технология изготовления изделий из этих материалов?
  9.  Какие физические параметры магнитного материала определяют размеры цилиндрических магнитных доменов?
  10.  Что понимают под константой магнитострикции? Какой физический смысл имеет знак константы магнитострикции? Приведите примеры практического использования явления магнитострикции.
  11.  Назовите основные механизмы намагничивания ферромагнетика, приводящие к нелинейной зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля.
  12.  Чем отличается спиновое обменное взаимодействие в ферро- и антиферромагнетиках?
  13.  Как влияет температура на энергию магнитной кристаллографической анизотропии? Почему ферромагнетик разбивается на домены? Чем определяются размеры доменов и толщина доменных стенок?
  14.  Объясните, чем определяются направления векторов спонтанных намагниченностей в доменах и расположение доменных границ в отсутствии внешнего магнитного поля.
  15.  Как определяются потери по снятой петле гистерезиса?
  16.  Как зависит форма петли гистерезиса от частоты?
  17.  Где применяются сплавы с высокой магнитной проницаемостью?
  18.  Какие виды потерь возникают в магнитных материалах? Укажите способы их уменьшения.
  19.  Расшифруйте обозначение пермаллоев промышленных марок: 76НХД, 65НП, 80НХС, 79НМ.
  20.  Расшифруйте обозначения ферритов марок: 20000НМ, 10000НН.

Список литературы

1 Богородицкий, Н. П. Электротехнические материалы /

Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев. – Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 304 с.

2 Тареев, Б. М. Электрорадиоматериалы / Б. М. Тареев, Н. В. Короткова, В.М. Петров и др.; под ред. Б. М. Тареева. – М.: Выш. шк., 1978. - 336 с.: ил.

3 Тареев, Б. М. Физика диэлектрических материалов / Б. М. Тареев. – М.: Энергия, 1982. – 320 с.

4 Штофа, Я. Электротехнические материалы в вопросах и ответах: пер. со словацк./ Под ред. Б. М. Тареева. – М.:Энергоатомиздат, 1984.- 113 с.

5 Антипов, Б. Л. Материалы электронной техники. Задачи и вопросы /

Б. Л. Антипов, В. С. Сорокин, В.А. Терехов. – М.: Выш. шк., 1990. – 208 с.: ил.

6 Колесов С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов / С. Н. Колесов, И. С. Колесов. – М.: Выш. шк., 2005. – 520 с.: ил.

7 Пасынков В. В. Материалы электронной техники / В. В. Пасынков,

В. С. Сорокин. – М.: Выш.шк., 1986.- 230 с.

8 Справочник по электротехническим материалам: справ./ Под ред. Ю. В. Корицкого и др.. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – Т.1-3.

9 Конструкционные и электротехнические материалы / В.Н. Бородулин, А. С. Воробьев, С. Я. Попов и др.; Под ред. В. А. Филикова. – М.: Выш. шк., 1990. – 226 с. ил.

10 Производство кабелей и проводов: справ./ Под ред. Н. И. Белоруссова, И. Б. Пешкова. – М.: Энергоатомиздат, 1981.- 500 с.

11 Электротехнический справочник: справочник в 2 т. / Под общ. ред. профессоров МЭИ. – М.: Энергоатомиздат, 1985. - Т. 1.– 448 с.:ил.

12 Преображенский, А.А. Магнитные материалы и элементы / А.А Преображенский, Е. Г. Бишард. – М.: Выш.шк., 1986. – 352 с.


R
0

G1

В, Тл  

           1     2         3           4

Н, А/м

  J

Jнас

ферромагнетик

парамагнетик

                     Н

диамагнетик

Ннас

Н                    Нс                                        Н

,     

Тл

1,2

0,8

В

0,4

1

2

           4

       3

            5

0      16      32      48      64      80      96       Н, А/м

 µ∙10-4

     µмакс

                    4

               5

  

     µнач    2

        В

    Вmax

Br

  А1

А2

Н

В

     Вr  

Вmax

Ru

Cu

TV1

S

0

1

2

3

4

5

Wкз

W2

W1

Е1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

43919. Модернизация учебной лабораторной установки для лаборатории гидравлики и теплотехники кафедры 34, МГИУ 3.17 MB
  По мере прикрытия дросселя общий уровень давления в вихревой трубе повышается, и расход холодного потока через отверстие диафрагмы увеличивается при соответствующем уменьшении расхода горячего потока. При этом температуры холодного и горячего потоков также изменяются.
43920. Проект разработки средств мокрой очистки технологических газов и мероприятий по охране труда в условиях мартеновского цеха ОАО «Запорожсталь» 927.5 KB
  В разделе КИП и А разработаны системы автоматического контроля и регулирования газоочистной установки мартеновской печи №7 ОАО Запорожсталь. Технология выплавки стали в мартеновских печах Устройство мартеновской печи Современная мартеновская печь представляет собой сложное техническое сооружение и состоит из двух основных частей: верхнего строения включающего рабочее пространство и головки печи и нижнего строения состоящего из шлаковиков боровов регулирующих устройств регенераторов и газопроводов.1...
43921. Использование сети Интернет в системе маркетинговых коммуникаций: состояние и перспективы развития на примере ОАО «Брестский райагросервис» 12.07 MB
  Как совокупность средств это комплекс содержания, носителей и способов передачи маркетинговой информации, позволяющий осуществлять информационные связи, контакты в виде рекламы, отношений с общественностью, прямого маркетинга (включая личные контакты) и смешанных видов (включая выставки, ярмарки и другие формы содействия продажам, сбыту).
43922. Использование ресурсов сети Интернет при изучении тем раздела «Социальная информатика» на базовом уровне 25.76 MB
  Под телематикой ученым понимается обработка информации на расстоянии. За этим стоит простая и глубокая мысль: развитие каналов связи отражает и уровень компьютеризации и объем накопленной информации и объективную потребность общества во всех видах информационного обмена и другие проявления информатизации. В последние полвека в развитых странах мира пропускная способность коммуникационных сетей передачи информации возрастала в среднем примерно в 10 раз за десятилетие. Развитие средств хранения передачи и обработки информации в...
43923. Разработка рекомендаций, направленных на совершенствование организации бухгалтерского учета и повышение эффективности использования денежных средств в ОАО «РЖД» 762.5 KB
  Денежные средства характеризуют начальную и конечную стадии кругооборота хозяйственных средств скорость движения которых во многом определяет эффективность всей деятельности организации. В условиях рыночной экономики следует исходить из принципа что умелое использование денежных средств может приносить организации дополнительный доход так как временно...
43924. Театралізовані ігри як засіб розвитку творчих здібностей першокласників на уроках музики 353.5 KB
  Театралізована гра як засіб розвитку творчих здібностей першокласників Загальна характеристика театралізованих ігор як методу розвитку творчих здібностей молодших школярів Методика розвитку творчих здібностей учнів 6річного віку в процесі використання театралізованих ігор на уроках музики Мистецтво з його унікальними можливостями цілісного впливу на особистість виступає не тільки джерелом естетичного виховання а й універсальним засобом творчого розвитку дитини.
43925. Системы налогообложения физических лиц в России на примере общества с ограниченной ответственность (ООО) «САПР ГРУПП» 961.5 KB
  В частности для обеспечения выполнения своих функций – защита внешних границ поддержание порядка внутри государства строительство содержание государственного аппарата и так далее – государству приходится облагать в том числе доходы и имущество граждан. Повышение налогов с населения увеличивает доходы бюджета только на один налоговый период так как уже в следующем база для их уплаты может резко сократиться. С другой стороны налог на доходы и имущество физических лиц имеет большое значение для формирования бюджета государства и его...
43926. Оптимизация производительности сети с использованием средств моделирования 12.06 MB
  Оптимизация производительности сети. В чем состоит планирование сети Использование моделирования для оптимизации производительности сети Влияние топологии связей и производительности коммуникационных устройств на пропускную способность сети