Файл: Учебнометодическое пособие по лабораторным работам для студентов направления 11. 03. 04 Электроника и наноэлектроника.docx

10 На одном графике построить графики зависимостей R = f(l) для исследуемых материалов. По наклону графиков зависимостей R = f(l) определить погонное сопротивление проволок α

.

11. Рассчитать удельные сопротивления исследуемых образцов проводниковых материалов, принимая во внимание формулу

,

То есть удельное сопротивление можно определить по выражению

.

12. Рассчитанные значения удельных сопротивлений занести в таблицу 2 (способ 3) и сравнить их со справочными (занести их в таблицу 2). По полученным результатам сделайте вывод о материалах, из которых изготовлены проволоки.

13 Полученные результаты в численном и графическом виде продемонстрируйте преподавателю.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как классифицируют проводниковые материалы?

2. Чем отличаются проводники первого рода и второго рода?

3. Как зависит удельное сопротивление металлов от примесей?

4. Где применяются материалы высокой проводимости?

5. Для чего используют сплавы высокого сопротивления?

6. Какие металлы и сплавы нашли применение в энергетике?

7. Взаимодействие двух параллельных проводников с соноправленными токами

8. Взаимодействие двух параллельных проводников с противоположно направленными токами

9. Совпали ли полученные результаты со справочными? Как это может быть объяснено?
Рекомендуемая литература

1. 
   Богородицкий, Н.П. Электротехнические материалы / Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. – Ленинград : Энергия, 1977. – 352 с.
   
2. 
   Пасынков, В.В. Материалы электронной техники / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. – М. : Высш. шк., 1986. – 367 с.
   

---

Лабораторная работа № 2. Измерения параметров магнитных материалов.

1. Цель работы

Целью работы является изучение методики расчета основных характеристик и исследования свойств магнитных материалов, а также физических процессов, связанных с магнетизмом.

2. Теория. Влияние магнитного поля на свойства ферромагнетика

Производство электроэнергии, ее преобразование, измерение и применение в значительной степени связано с использованием магнитных материалов.

Под магнитными материалами (ферромагнетиками) в технике подразумевают такие материалы, которые обладают высокой магнитной проницаемостью и в достаточно сильных полях высокой индукцией. Для них часто также характерна способность сохранять намагниченность и после того как внешнее поле прекратит свое действие.

При внесении магнитного материала в магнитное поле напряженностью Н происходит его намагничивание. В этом случае магнитный материал характеризуется намагниченностью j или индукцией В.

Чаще всего магнитная индукция В выражается в зависимости от намагничивающего поля соотношением:

В=µ·Н,

где µ = f(H) - относительная магнитная проницаемость, определяемая по экспериментальной кривой намагничивания.

На рис.1 даны зависимости В = f(H) и µ = f(H) для особо чистого железа (кривая 1) и для технически чистого железа (кривая 2).

В системе СИ:



где μ₀ = 4 к · 10^-7 Гн/м - магнитная постоянная вакуума.

Магнитная проницаемость μ (рис.1б) определяется по основной кривой намагничивания (рис. 1а) как отношение величины индукции В к значению напряженности магнитного поля Н в данной точке кривой намагничивания.



Рисунок 1- Зависимости В = f(H) (а) и µ = f(H) (б) для особо чистого железа(1) и для технически чистого железа(2)
Магнитная проницаемость μ при Н = 0 называется начальной проницаемостью. Она определяется в очень слабых полях (Н0,08 А/м).

Наибольшее значение магнитной проницаемости называется максимальной проницаемостью µ_mах.

При сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость стремиться к единице.

При анализе вопросов, связанных с одновременным действием на магнитный материал постоянного H₀ и переменного H магнитных полей и при H << H

---

₀ пользуются дифференциальной проницаемостью:



При воздействии на магнитный материал переменного магнитного поля он будет перемагничиваться, причем перемагничивание из-за инерционности магнитных процессов происходит с запаздыванием. Процесс перемагничивания магнитного материала характеризуется петлеобразной кривой, выражающей зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля и называемой циклом (петлей) гистерезиса. Форма этой кривой для данного материала зависит от максимального значения напряженности намагничивающего поля (рис. 2).

Наибольший цикл магнитного гистерезиса в условии насыщения называется предельным циклом магнитного гистерезиса (рис. 2, кривая 1).

Основными параметрами предельного цикла магнитного гистерезиса являются:

• 
  максимальная индукция B_m (B_s) - значение индукции, достигаемое при намагничивании до насыщения;
  
• 
  остаточная индукция В_г - значение индукции при Н=0 в процессе размагничивания образца, намагниченного до насыщения;
  
• 
  задерживающая (коэрцитивная) сила Н_с - напряженность ноля, при которой образец полностью размагничивается.
  

Геометрическое место вершин гистерезисных циклов, полученных при различных значениях напряженности поля (рис.6.2, кривые 3, 4, 5, 6), дает основную кривую намагничивания (рис.2, кривая 2).



Рисунок 2. Гистерезисные петли при различных предельных значениях
напряженности внешнего магнитного поля
Чем выше коэрцитивная сила, т.е. чем шире цикл гистерезиса, чем труднее идет процесс перемагничивания, тем больше рассеивается при этом энергии, потери которой в единице массы магнитного материала за один цикл перемагничивания численно равны площади, ограниченной кривой гистерезисного цикла:

P_г=S_петли=∫HdB.

При намагничивании магнитного материала переменным полем петля гистерезиса, характеризующая затраты энергии за один цикл перемагничивания

---

, расширяется (увеличивает свою площадь) за счет возникновения потерь на гистерезис Р_г, на вихревые токи Р_в и на дополнительные потери Р_д.

Потери на гистерезис при частоте перемагничивания f определяются по формуле:



где V- плотность материала, кг/м³.

Потери на вихревые токи зависят не только от магнитных, но и от электрических свойств материала (удельного сопротивления) и формы сердечника.

Дополнительные потери нельзя рассчитать аналитически, они определяются как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи:

Р_Д = Р-(Р+Р_В).

Магнитные материалы разделяются на магнитомягкие, магнитотвердые и материалы специального назначения.

Характерными свойствами магнитомягких материалов являются их способность намагничиваться до насыщения уже в слабых полях (высокая магнитная проницаемость) и малые потери на перемагничивание.

Магнитотвердые материалы (материалы для постоянных магнитов) имеют большую остаточную индукцию В_г и коэрцитивную силу Н_с.

Следовательно, магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса и небольшую коэрцитивную силу, а магнитотвердые - широкую петлю с большой коэрцитивной силой.

Для современных магнитомягких материалов - Н_с < 800 А/м (10Э), для магнитотвердых - Н_с > 4000 А/м (50Э).

К группе магнитных материалов специального назначения относятся материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для СВЧ, магнитострикционные, термомагнитные и некоторые другие.

3. Программа работы

1.Изучить методическое указание для работы с генератором звуковых частот (ЗГ).

2.Изучить методические указания для работы с осциллографом.

3.Познакомиться с установкой для выполнения работы и методикой измерения магнитных характеристик.

4.Получить осциллограммы гистерезисного цикла в координатах В, Н при различных предельных значениях напряженности внешнего магнитного поля.

5. 
   Построить основную кривую намагничивания исследуемого образца.
   
6. 
   Нанести масштабы на координатные оси.
   

7.Определить максимальную В_т и остаточную В_г- индукции, коэрцитивную силу Н_с, начальную μ_н, статическую и дифференциальную магнитные проницаемости, а также удельные потери Р_уд.

8.Сделать письменно выводы по проделанной работе.

---

4. Описание установки для исследования свойств магнитных материалов.

На рис. 3 дана принципиальная схема лабораторной установки, а на рис.4 - ее упрощенная схема.

Испытуемый магнитный материал имеет форму кольца, на которое намотана первичная W₁ и вторичная W₂ обмотки. На первичную обмотку через сопротивление R, подается переменное напряжение с генератора звуковых частот ЗГ.



Рисунок 3- Принципиальная электрическая схема лабораторной установки


Рисунок 4 - Упрощенная схема лабораторной установки
Напряженность магнитного поля в испытуемом образце Н пропорциональна току в намагничивающей обмотке W₁. Следовательно, напряжение на активном сопротивлении R_l пропорционально напряженности магнитного поля. Это напряжение подается на горизонтально отклоняющиеся пластины электронного осциллографа (ЭО).

Под действием магнитного поля в обмотке W₂ возникает эдс Е₂. С конденсатора C1 напряжение, пропорциональное Е₂, подается на вертикально отклоняющиеся пластины осциллографа.

Напряжение на конденсаторе:

,

где С₁ - емкость конденсатора интегрирующей цепочки; i - ток в интегрирующей цепочке.

При R₂ >>1/ ω·С ток i ≈ E₂/R₂ , ЭДС вторичной обмотки

E = W₂S(dB/dt),

где S - сечение магнитопровода тороидального трансформатора. При подстановке в формулу значения Е₂ получим:





т.е. напряжение на конденсаторе пропорционально индукции в образце магнитного материала.

Если на вертикально и горизонтально отклоняющиеся пластины электронного осциллографа напряжения подаются одновременно, то на его экране изображается кривая зависимости магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н, т.е. на экране осциллографа можно наблюдать гистерезисный цикл испытуемого магнитного материала.

Геометрическое место вершин гистерезисных циклов, полученных при
различных значениях напряженности поля, дает основную кривую намагничивания.

---