Файл: Исследование намагничивания ферромагнетика баллистическим методом.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 45
Скачиваний: 4
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
РАБОТА 18 ИССЛЕДОВАНИЕ НАМАГНИЧИВАНИЯ ФЕРРОМАГНЕТИКА БАЛЛИСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Цель работы исследование намагничивания трансформаторной стали, построение основной кривой намагничивания, а также зависимостей магнитной проницаемости и интенсивности намагничивания от напряженности магнитного поля с использованием измерителя заряда на операционном усилителе.
Общие сведения. Ферромагнитными веществами (ферромагнетиками) называются такие вещества, которые могут обладать спонтанной намагниченностью, те. быть намагниченными в отсутствии магнитного поля.
Характерной особенностью ферромагнетиков является нелинейная зависимость между вектором намагниченности J и напряженностью Н магнитного поля, а , следовательно, между вектором магнитной индукции В и напряженностью Н. Ход зависимости магнитной индукции
В(Н) предварительно размагниченно ферромагнетика при первом его намагничивании называют основной кривой намагничивания. При циклическом изменении напряженности магнитного поля процесс протекает по одному из двух ее S – образных отрезков. Эти отрезки ограничивают некоторую площадь на графике зависимости
В(Н) , образуя петлю гистерезиса.
Впервые полное экспериментальное исследование зависимости
В(Н) было проведено профессором Московского университета А. Г. Столетовым . Он разрешил важный вопрос о том, как от исследования магнитных свойств образца данной формы перейти к магнитным характеристикам вещества, из которого выполнен образец. Заметим здесь, что значение напряженности магнитного поля внутри образца не всегда совпадает со значением напряженности внешнего магнитного поля, в которое помещен исследуемый образец. Требуемое совпадение, как указал Столетов, имеет место в случае тороидального образца, намагничиваемого круговой обмоткой, намотанной на него. В этом случае линии магнитного поляне пересекают поверхности образца и образуют систему концентрических окружностей вокруг общего с ферромагнитным тором центра. Именно такой образец используется в настоящей работе.
Ввиду нелинейности
В(Н) для ферромагнетика невозможно определить магнитную проницаемость µ как некую постоянную характеристику данного вещества. Если считать, что
µ =
В/(µ
0
Н), (15.1) то µ надо рассматривать как функцию напряженности поля Н, причем конечные значения
µ принимает только для основной кривой намагничивания. Действительно, для петли гистерезиса данное определение µ не имеет смысла, т.к. на оси ординат, где Н = 0 , µ бесконечно велико, тогда как в точках пересечения петли с осью абсцисс µ = 0.
Кроме магнитной проницаемости, определенной ранее (статическая магнитная проницаемость, для ферромагнетика вводится дифференциальная магнитная проницаемость
µ
d
= (1/ µ
0
)(
dB/dH) (15.2)
Вычислив значения Н для исследуемого материала при различных токах намагничивания и получив из опыта соответствующие значения магнитной индукции В, можно для данного ферромагнетика определить магнитные проницаемости µ и µ
d
, а также интенсивность намагничивания
J = (B/µ
0
) – H (15.3)
Цель работы исследование намагничивания трансформаторной стали, построение основной кривой намагничивания, а также зависимостей магнитной проницаемости и интенсивности намагничивания от напряженности магнитного поля с использованием измерителя заряда на операционном усилителе.
Общие сведения. Ферромагнитными веществами (ферромагнетиками) называются такие вещества, которые могут обладать спонтанной намагниченностью, те. быть намагниченными в отсутствии магнитного поля.
Характерной особенностью ферромагнетиков является нелинейная зависимость между вектором намагниченности J и напряженностью Н магнитного поля, а , следовательно, между вектором магнитной индукции В и напряженностью Н. Ход зависимости магнитной индукции
В(Н) предварительно размагниченно ферромагнетика при первом его намагничивании называют основной кривой намагничивания. При циклическом изменении напряженности магнитного поля процесс протекает по одному из двух ее S – образных отрезков. Эти отрезки ограничивают некоторую площадь на графике зависимости
В(Н) , образуя петлю гистерезиса.
Впервые полное экспериментальное исследование зависимости
В(Н) было проведено профессором Московского университета А. Г. Столетовым . Он разрешил важный вопрос о том, как от исследования магнитных свойств образца данной формы перейти к магнитным характеристикам вещества, из которого выполнен образец. Заметим здесь, что значение напряженности магнитного поля внутри образца не всегда совпадает со значением напряженности внешнего магнитного поля, в которое помещен исследуемый образец. Требуемое совпадение, как указал Столетов, имеет место в случае тороидального образца, намагничиваемого круговой обмоткой, намотанной на него. В этом случае линии магнитного поляне пересекают поверхности образца и образуют систему концентрических окружностей вокруг общего с ферромагнитным тором центра. Именно такой образец используется в настоящей работе.
Ввиду нелинейности
В(Н) для ферромагнетика невозможно определить магнитную проницаемость µ как некую постоянную характеристику данного вещества. Если считать, что
µ =
В/(µ
0
Н), (15.1) то µ надо рассматривать как функцию напряженности поля Н, причем конечные значения
µ принимает только для основной кривой намагничивания. Действительно, для петли гистерезиса данное определение µ не имеет смысла, т.к. на оси ординат, где Н = 0 , µ бесконечно велико, тогда как в точках пересечения петли с осью абсцисс µ = 0.
Кроме магнитной проницаемости, определенной ранее (статическая магнитная проницаемость, для ферромагнетика вводится дифференциальная магнитная проницаемость
µ
d
= (1/ µ
0
)(
dB/dH) (15.2)
Вычислив значения Н для исследуемого материала при различных токах намагничивания и получив из опыта соответствующие значения магнитной индукции В, можно для данного ферромагнетика определить магнитные проницаемости µ и µ
d
, а также интенсивность намагничивания
J = (B/µ
0
) – H (15.3)
Экспериментальная установка.
Установка для исследования намагничивания ферромагнетика (см. рисунок) содержит исследуемый образец, выполненный в виде тороида с площадью сечения магнитопровода
S ; операционный усилитель, включенный по схеме интегратора миллиамперметр (
mA) и вольтметр (
V); переключатель П, служащий для коммутации тока в намагничивающей обмотке
L1; потенциометр R
H
, с помощью которого устанавливается намагничивающий ток. Измерительная обмотка
L2 подключена к входу ОУ. Намагничивающая обмотка, наложенная на тороид из исследуемого ферромагнетика, намотана равномерно по всей длине тороида. Обмотка содержит n витков на единицу длины средней линии тороида.
Напряженность магнитного поля Н внутри тороида находится расчетным путем
Н = nI , (15.4) где
I – сила тока в намагничивающей обмотке.
Для измерения индукции В внутри тороида на нем дополнительно наматывают измерительную обмотку с числом витков
N. Магнитный поток (поток вектора индукции) через измерительную обмотку при заданном значении силы тока
I в намагничивающей обмотке равен Ф = SB. Где
S – площадь сечения магнитопровода тороида. Изменив направление тока в намагничивающей обмотке на обратное (эта операция носит название коммутации тока) , изменяют тем самыми направление вектора магнитной индукции в магнитопроводе на противоположное. В результате полное изменение магнитного потока будет равно Ф = 2SB
Cледовательно, в измерительной катушке возникнет ЭДС индукции Е = Фи, соответственно ток
I = E/R = (Ф) Где R – общее сопротивление замкнутой цепи, в которую включена измерительная катушка.
За время t коммутации тока на конденсаторе Св цепи обратной связи ОУ накапливается заряд
BS
R
N
Idt
Q
t
2 На выходе ОУ заряд Q вызовет напряжение откуда
NS
RCU
B
2
=
(15.5)
Методика проведения эксперимента.
1. Включить измерительную установку.
2. Провести размагничивание образца. Для этого довести силу тока в намагничивающей обмотке до максимально возможного значения и далее медленно уменьшать ее до нулевого значения, производя одновременно непрерывную коммутацию тока с помощью переключателя П. Многократно перемагничиваемый вовсе более слабых полях ферромагнетик окажется после этого практически размагниченным.
3. Установить переключатель П в положение
1 и нажатием кнопки К разрядить конденсатор С.
4. Установить начальное (небольшое, около 5% от максимально возможного) значение силы тока в намагничивающей обмотке. Увеличение тока надо проводить исключительно тщательно, так как ошибочное превышение тока над планируемым с последующим его уменьшением (для исправления) исказит весь ход кривой индукции и потребует возобновления процесса размагничивания.
5. Нажатием кнопки К разрядить конденсатор С.
6. Провести коммутацию тока, переведя переключатель П в положение
2.
7. Записать максимальное значение изменения выходного напряжения ОУ
U
i
8. Наблюдения по пп. 3 – 7 выполнить, увеличивая силу тока до максимально возможной (не менее 10 значений.
Задание по обработке результатов
1. Рассчитать значения напряженности Ни индукции В магнитного поля, пользуясь формулами (15.4) и (15.5) и данными на панели установки. Построить основную кривую намагничения.
2. Воспользовавшись формулой (15.3) , построить зависимость
J(H) интенсивности намагничивания от напряженности магнитного поля.
3. Воспользовавшись формулами (15.1) и (15.2) , построить зависимости статической и динамической магнитных проницаемостей от напряженности магнитного поля. Оценить коэффициент нелинейности исследуемого ферромагнетика как отношение значения максимальной статической магнитной проницаемости к ее начальному значению.
Контрольные вопросы
1. В чем состоит сущность баллистического метода измерений, предложенного А. Г. Столетовым
2. Почему в формуле (15.2)
S - площадь сечения магнитопровода тороида, а не площадь сечения витков измерительной катушки
3. Зачем необходимо размагничивать образец
4. Поясните физический смысл вектора интенсивности намагничивания.
5. Каковы особенности магнитных свойств ферромагнетиков