Файл: 1. исследование электрических свойств проводниковых материалов.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 253
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
кристаллическая структура должна быть такой, чтобы силы обменного взаимодействия между этими атомами приводили к их взаимному упорядочению, т.е. к параллельной ориентации их спиновых магнитных моментов. В отсутствии внешнего магнитного поля состояние, при котором вектор спонтанной намагниченности имел бы во всем образце одно направление, энергетически не выгодно, т.к. оно привело бы к большому рассеянию магнитного потока в окружающее пространство, поэтому образец самопроизвольно разбивается на отдельные области (домены), имеющие размеры порядка единиц микрометров. Внутри каждого домена вектор намагниченности имеет одинаковое направление, а суммарный магнитный поток замкнут внутри образца. Соседние домены с различной ориентацией магнитного момента разделены доменными границами, в которых направление спиновых моментов изменяется плавно. При воздействии внешнего магнитного поля происходит перестройка доменной структуры, что и приводит к намагничиванию образца.
Важнейшим свойством ферромагнетиков является нелинейная зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н. Эту зависимость называют кривой намагничивания. На начальном участке кривой намагничивания, где наблюдается монотонное возрастание индукции, преобладают процессы обратимого смещения доменных границ. При этом происходит увеличение объема тех доменов, магнитные моменты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля. В области более сильных полей смещение доменных границ приобретает необратимый характер. Здесь кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну. По мере дальнейшего увеличения Н возрастает роль второго механизма намагничивания - механизма вращения, при котором магнитные моменты доменов постепенно поворачиваются в направлении поля. На этом участке рост магнитной индукции замедляется. Когда все магнитные моменты доменов ориентируются вдоль поля, наступает магнитное насыщение.
По кривой намагничивания ферромагнетика легко построить зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля. Статическую магнитную проницаемость μ определяют по формуле
μ = B
/ (μ0 H), (8.1)
где μ0 = 4π .10-7 Гн/м - магнитная постоянная.
При увеличении напряженности поля магнитная проницаемость сначала растет, что связано со линейной зависимостью смещения доменных границ от Н и с возрастанием вклада процессов вращения. Далее она достигает максимального значения μmax и затем уменьшается из-за насыщения магнитной индукции.
Если после намагничивания образца до насыщения внешнее поле медленно уменьшить до нуля, то индукция в нуль не обратится, а примет значение Вr, называемое остаточной индукцией. Чтобы убрать остаточную индукцию, необходимо приложить поле противоположного направления напряженностью Нc, называемое коэрцитивной силой. В зависимости от численного значения Нc, ферромагнетики делят на магнитомягкие и магнитотвердые. Остаточная индукция и коэрцитивная сила являются параметрами статической предельной петли гистерезиса (ПГ), которую получают при медленном циклическом перемагничивании намагниченного до насыщения образца. Площадь статической ПГ характеризует потери энергии на гистерезис ЭГ, обусловленные необратимыми процессами смещения и вращения в единичном цикле перемагничивания. При достаточно быстром изменении Н по величине и знаку зависимость В(Н) описывает динамическую ПГ. При намагничивании до одинакового предельного значения индукции площадь динамической ПГ металлических ферромагнетиков больше площади статической ПГ на величину, характеризующую потери энергии на вихревые токи ЭВТ. Величина ЭГ постоянна в достаточно широком диапазоне частот, а величина ЭВТ возрастает пропорционально частоте.
Мощности потерь на гистерезис и на вихревые токи описываются соответственно формулами:
PГ = ЭГ f = η (Bm)n f ; PВТ = ЭВТ f = ξ (Bm)2 f2, (8.2)
где η - коэффициент, зависящий от свойства материала; Вm - максимальная индукция, достигаемая в данном цикле; n - показатель степени от 1,6 до 2 для различных материалов; ξ - коэффициент, зависящий от удельной проводимости ферромагнетика и формы образца; f - частота изменения магнитного поля.
Для металлических ферромагнетиков характерно уменьшение измеряемой величины магнитной проницаемости от частоты, наблюдаемое на достаточно низких частотах, когда инерционность процессов намагничивания еще не проявляется. Это объясняется размагничивающим действием вихревых токов. Вихревые токи,
индуцируемые в ферромагнитном сердечнике, создают, в соответствии с законом Ленца, собственный поток магнитной индукции, находящийся в противофазе с основным потоком. Плотность потока, создаваемого вихревыми токами, максимальна в центре сердечника и равна нулю на поверхности его. Поэтому результирующая магнитная индукция убывает от поверхности вглубь сердечника. Относя измеренный поток ко всему сечению сердечника, мы определяем некоторое эффективное значение индукции при данной частоте и соответствующее ему эффективное значение магнитной проницаемости μЭФ.
В настоящей работе проводится исследование основных магнитных свойств железо-никелевого сплава (пермаллоя).
8.2. Описание установки
Испытательная установка (см. рис.) состоит из пульта (обведен пунктиром), осциллографа, генератора синусоидальных сигналов звуковой частоты и милливольтметра переменного напряжения.
Испытуемый материал изготовлен в виде тороидального сердечника, на который нанесены две обмотки - первичная с числом витков W1 и вторичная с числом витков W2.
К пластинам горизонтального отклонения осциллографа (вход канала I) прикладывают напряжение UX = UR, снимаемое с резистора RT и пропорциональное току I, протекающему в обмотке W1, следовательно, пропорциональное напряженности магнитного поля Н, поскольку
H= W1 I /(2πrср), (8.3)
где 2πrср - средняя длина линий напряженности поля.
На вертикальный вход осциллографа (вход канала II) подают напряжение UY = UC, снимаемое с конденсатора СИ интегрирующей цепочки, которое определяется выражением:
UC = (1/CИ)·∫ iИ dt, (8.4)
где iИ - ток в интегрирующей цепочке.
Если RИ » 1/(ωCИ), то iИ ≈ E2 / RИ, где Е2 - ЭДС во вторичной обмотке.
Согласно закону Ленца Е2 = W2 S (dB / dt), где S - сечение образца.
В этом случае формула (8.4) принимает следующий вид:
UC = (1/RИ CИ ) ·∫ E2 dt = (W2 S B) / (RИ CИ), (8.5)
т.е. UC пропорционально индукции в образце.
При одновременном приложении напряжений UR и UС к пластинам осциллографа на его экране можно наблюдать ПГ, характеризующую зависимость В(Н).
Для исследования частотной зависимости μЭФ в образце создается слабое магнитное поле, соответствующее начальному участку кривой намагничивания. Значение напряженности магнитного поля контролируется по падению напряжения UR на резисторе RT. Измеряя напряжение на входе схемы UВХ, можно найти падение напряжения UL на катушке индуктивности с исследуемым сердечником.
8.3. Проведение испытания
8.3.1. Подготовка к испытанию и градуировка осей осциллографа
Соединить выход генератора сигналов с гнездом G пульта, к гнезду PU подключить внешний вольтметр. Входы каналов I и II осциллографа соединить с гнездами Х и Y пульта соответственно. Вывести на минимум против часовой стрелки регулятор выхода генератора сигналов. Нажать кнопки "Х-Y" на передней панели осциллографа слева и справа от экрана и переключатели "х10↕х1" каналов I и II. Переключатель S1 пульта поставить в положение "Калибровка" (К). Включить приборы в сеть. С помощью ручек ↕ и ↔ добиться положения луча в центре экрана. Установить частоту сигнала 50 Гц. При помощи регулятора выхода генератора получить на экране осциллографа предельную ПГ (значение напряжения UR, измеряемого внешним вольтметром, примерно равено 1 В).
Ручками усиления осциллографа произвести коррекцию ПГ так, чтобы координаты ее вершин по горизонтальной оси X0 равнялись 3 дел. шкалы, считая от центра экрана, а координаты по вертикальной оси Y0 были в пределах 2,5…3 дел.При дальнейшей работе ручки усиления не трогать!
Измерить и записать напряжения UX = UR и UY = UС, устанавливая в соответствующие положения переключатель S2.
Вывести на минимум против часовой стрелки регулятор выхода генератора сигналов.
8.3.2. Исследование основной кривой намагничивания и зависимости потерь в образце от магнитной индукции
Отжать переключатели "х10↕х1" каналов I и II осциллографа, что соответствует множителям чувствительности каналов КX
=KY=1. (При необходимости вернуть луч в центр экрана).
Постепенно увеличивая сигнал, отсчитать и записать в табл.8.1 координаты вершин ПГ при Х = 1, 2, 3, 4 и 5 дел. Для плавной регулировки рекомендуется ввести ослабление выходного сигнала генератора.
Нажать переключатели "х10↕х1" осциллографа (т.е. установить КX=KY=10). Зарисовать на кальку ПГ, соответствующую Х = 0,5 дел. при КX=10. Увеличивая далее сигнал через ΔХ = 0,5 дел. до Х = 3 дел., зарисовать на ту же кальку соответствующие ПГ и записать в табл.8.1 координаты их вершин.
Таблица 8.1
Определение основной кривой намагничивания ферромагнетика
8.3.3. Исследование частотной зависимости потерь
Зарисовать повторно ПГ с координатами вершин Х0 и. Y0. Установить частоту сигнала 200 Гц и амплитуду его, соответствующую насыщению образца, т.е. X = X0 и Y = Y0 . Зарисовать ПГ на ту же кальку. То же повторить при частоте 400, 600, 800 Гц.
Результаты расчета частотной зависимости потерь привести в виде табл.8.2.
Таблица 8.2
Зависимость потерь от частоты
8.3.4. Исследование частотной зависимости эффективной магнитной
проницаемости
Важнейшим свойством ферромагнетиков является нелинейная зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н. Эту зависимость называют кривой намагничивания. На начальном участке кривой намагничивания, где наблюдается монотонное возрастание индукции, преобладают процессы обратимого смещения доменных границ. При этом происходит увеличение объема тех доменов, магнитные моменты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля. В области более сильных полей смещение доменных границ приобретает необратимый характер. Здесь кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну. По мере дальнейшего увеличения Н возрастает роль второго механизма намагничивания - механизма вращения, при котором магнитные моменты доменов постепенно поворачиваются в направлении поля. На этом участке рост магнитной индукции замедляется. Когда все магнитные моменты доменов ориентируются вдоль поля, наступает магнитное насыщение.
По кривой намагничивания ферромагнетика легко построить зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля. Статическую магнитную проницаемость μ определяют по формуле
μ = B
/ (μ0 H), (8.1)
где μ0 = 4π .10-7 Гн/м - магнитная постоянная.
При увеличении напряженности поля магнитная проницаемость сначала растет, что связано со линейной зависимостью смещения доменных границ от Н и с возрастанием вклада процессов вращения. Далее она достигает максимального значения μmax и затем уменьшается из-за насыщения магнитной индукции.
Если после намагничивания образца до насыщения внешнее поле медленно уменьшить до нуля, то индукция в нуль не обратится, а примет значение Вr, называемое остаточной индукцией. Чтобы убрать остаточную индукцию, необходимо приложить поле противоположного направления напряженностью Нc, называемое коэрцитивной силой. В зависимости от численного значения Нc, ферромагнетики делят на магнитомягкие и магнитотвердые. Остаточная индукция и коэрцитивная сила являются параметрами статической предельной петли гистерезиса (ПГ), которую получают при медленном циклическом перемагничивании намагниченного до насыщения образца. Площадь статической ПГ характеризует потери энергии на гистерезис ЭГ, обусловленные необратимыми процессами смещения и вращения в единичном цикле перемагничивания. При достаточно быстром изменении Н по величине и знаку зависимость В(Н) описывает динамическую ПГ. При намагничивании до одинакового предельного значения индукции площадь динамической ПГ металлических ферромагнетиков больше площади статической ПГ на величину, характеризующую потери энергии на вихревые токи ЭВТ. Величина ЭГ постоянна в достаточно широком диапазоне частот, а величина ЭВТ возрастает пропорционально частоте.
Мощности потерь на гистерезис и на вихревые токи описываются соответственно формулами:
PГ = ЭГ f = η (Bm)n f ; PВТ = ЭВТ f = ξ (Bm)2 f2, (8.2)
где η - коэффициент, зависящий от свойства материала; Вm - максимальная индукция, достигаемая в данном цикле; n - показатель степени от 1,6 до 2 для различных материалов; ξ - коэффициент, зависящий от удельной проводимости ферромагнетика и формы образца; f - частота изменения магнитного поля.
Для металлических ферромагнетиков характерно уменьшение измеряемой величины магнитной проницаемости от частоты, наблюдаемое на достаточно низких частотах, когда инерционность процессов намагничивания еще не проявляется. Это объясняется размагничивающим действием вихревых токов. Вихревые токи,
индуцируемые в ферромагнитном сердечнике, создают, в соответствии с законом Ленца, собственный поток магнитной индукции, находящийся в противофазе с основным потоком. Плотность потока, создаваемого вихревыми токами, максимальна в центре сердечника и равна нулю на поверхности его. Поэтому результирующая магнитная индукция убывает от поверхности вглубь сердечника. Относя измеренный поток ко всему сечению сердечника, мы определяем некоторое эффективное значение индукции при данной частоте и соответствующее ему эффективное значение магнитной проницаемости μЭФ.
В настоящей работе проводится исследование основных магнитных свойств железо-никелевого сплава (пермаллоя).
8.2. Описание установки
Испытательная установка (см. рис.) состоит из пульта (обведен пунктиром), осциллографа, генератора синусоидальных сигналов звуковой частоты и милливольтметра переменного напряжения.
 |
| Cхема для испытания свойств ферромагнитных материалов |
Испытуемый материал изготовлен в виде тороидального сердечника, на который нанесены две обмотки - первичная с числом витков W1 и вторичная с числом витков W2.
К пластинам горизонтального отклонения осциллографа (вход канала I) прикладывают напряжение UX = UR, снимаемое с резистора RT и пропорциональное току I, протекающему в обмотке W1, следовательно, пропорциональное напряженности магнитного поля Н, поскольку
H= W1 I /(2πrср), (8.3)
где 2πrср - средняя длина линий напряженности поля.
На вертикальный вход осциллографа (вход канала II) подают напряжение UY = UC, снимаемое с конденсатора СИ интегрирующей цепочки, которое определяется выражением:
UC = (1/CИ)·∫ iИ dt, (8.4)
где iИ - ток в интегрирующей цепочке.
Если RИ » 1/(ωCИ), то iИ ≈ E2 / RИ, где Е2 - ЭДС во вторичной обмотке.
Согласно закону Ленца Е2 = W2 S (dB / dt), где S - сечение образца.
В этом случае формула (8.4) принимает следующий вид:
UC = (1/RИ CИ ) ·∫ E2 dt = (W2 S B) / (RИ CИ), (8.5)
т.е. UC пропорционально индукции в образце.
При одновременном приложении напряжений UR и UС к пластинам осциллографа на его экране можно наблюдать ПГ, характеризующую зависимость В(Н).
Для исследования частотной зависимости μЭФ в образце создается слабое магнитное поле, соответствующее начальному участку кривой намагничивания. Значение напряженности магнитного поля контролируется по падению напряжения UR на резисторе RT. Измеряя напряжение на входе схемы UВХ, можно найти падение напряжения UL на катушке индуктивности с исследуемым сердечником.
8.3. Проведение испытания
8.3.1. Подготовка к испытанию и градуировка осей осциллографа
Соединить выход генератора сигналов с гнездом G пульта, к гнезду PU подключить внешний вольтметр. Входы каналов I и II осциллографа соединить с гнездами Х и Y пульта соответственно. Вывести на минимум против часовой стрелки регулятор выхода генератора сигналов. Нажать кнопки "Х-Y" на передней панели осциллографа слева и справа от экрана и переключатели "х10↕х1" каналов I и II. Переключатель S1 пульта поставить в положение "Калибровка" (К). Включить приборы в сеть. С помощью ручек ↕ и ↔ добиться положения луча в центре экрана. Установить частоту сигнала 50 Гц. При помощи регулятора выхода генератора получить на экране осциллографа предельную ПГ (значение напряжения UR, измеряемого внешним вольтметром, примерно равено 1 В).
Ручками усиления осциллографа произвести коррекцию ПГ так, чтобы координаты ее вершин по горизонтальной оси X0 равнялись 3 дел. шкалы, считая от центра экрана, а координаты по вертикальной оси Y0 были в пределах 2,5…3 дел.При дальнейшей работе ручки усиления не трогать!
Измерить и записать напряжения UX = UR и UY = UС, устанавливая в соответствующие положения переключатель S2.
Вывести на минимум против часовой стрелки регулятор выхода генератора сигналов.
8.3.2. Исследование основной кривой намагничивания и зависимости потерь в образце от магнитной индукции
Отжать переключатели "х10↕х1" каналов I и II осциллографа, что соответствует множителям чувствительности каналов КX
=KY=1. (При необходимости вернуть луч в центр экрана).
Постепенно увеличивая сигнал, отсчитать и записать в табл.8.1 координаты вершин ПГ при Х = 1, 2, 3, 4 и 5 дел. Для плавной регулировки рекомендуется ввести ослабление выходного сигнала генератора.
Нажать переключатели "х10↕х1" осциллографа (т.е. установить КX=KY=10). Зарисовать на кальку ПГ, соответствующую Х = 0,5 дел. при КX=10. Увеличивая далее сигнал через ΔХ = 0,5 дел. до Х = 3 дел., зарисовать на ту же кальку соответствующие ПГ и записать в табл.8.1 координаты их вершин.
Таблица 8.1
Определение основной кривой намагничивания ферромагнетика
| KX | X, дел. | Hm, А/м | KY | Y, дел. | Bm, Тл | μ | SП, мм2 | Э, Дж/кг | lg Э | lg Bm |
| | | | | | | | | | | |
8.3.3. Исследование частотной зависимости потерь
Зарисовать повторно ПГ с координатами вершин Х0 и. Y0. Установить частоту сигнала 200 Гц и амплитуду его, соответствующую насыщению образца, т.е. X = X0 и Y = Y0 . Зарисовать ПГ на ту же кальку. То же повторить при частоте 400, 600, 800 Гц.
Результаты расчета частотной зависимости потерь привести в виде табл.8.2.
Таблица 8.2
Зависимость потерь от частоты
| f, Гц | SП, мм2 | Э, Дж/кг | ЭГ, Дж/кг | ЭВТ, Дж/кг | PГ, Вт/кг | PВТ, Вт/кг |
| | | | | | | |
8.3.4. Исследование частотной зависимости эффективной магнитной
проницаемости