Гистерезиса ферромагнитных и ферримагнитных материалов

Цель работы

Целью работы является изучение магнитных свойств ферромагнитных материалов, исследование процесса намагничивания ферромагнетиков с помощью осциллографа и экспериментальное получение основной кривой намагничивания ферромагнитных материалов и построение зависимости магнитной проницаемости материала от напряженности магнитного поля.

Методы измерений

Существует два метода снятия петли гистерезиса ферромагнетиков - статический и динамический. Статический метод позволяет исследовать кривых намагничивания ферромагнетиков с помощью баллистического гальванометра.

Динамический метод позволяет произвести измерение магнитной индукции в образцах. Магнитную индукцию удобно определять с помощью ЭДС, возникающей при изменении магнитного потока Φ в катушке, намотанной на образец:

(1)

Пусть катушка плотно охватывает образец, и индукция В в образце однородна. В этом случае

, (2)

где N₂ число витков в измерительной катушке, а S площадь витка.

Подставляя это значение Φ в формулу (1), после интегрирования найдём

(3)

Таким образом, для определения B нужно проинтегрировать сигнал, наведённый меняющимся магнитным полем на измерительную катушку, намотанную на образец.

Для интегрирования сигнала применяют разного рода интегрирующие схемы. Простейшая из них состоит из соединённых последовательно резистора R и конденсатора C (рис. 3.4) и выполняет своё назначение, если сопротивление R резистора заметно превышает сопротивление конденсатора (если выходной сигнал много меньше входного). При выполнении этого условия ток в цепи пропорционален входному напряжению, а напряжение на ёмкости C:

(4)

Этот вывод тем ближе к истине, чем больше постоянная времени τι = RC превосходит характерное время процесса (например, его период).

Обозначив параметры интегрирующей ячейки через R и C, выразим индукцию B с помощью формул (3) и (4) через

(5)

Описание лабораторной установки.Применяемая в работе схема приведена на рисунке 3.4.

Рис. 3.4. Схема лабораторной установки

Подлежащий исследованию сердечник снабжается намагничивающей и измерительной обмотками. Необходимое значение намагничивающего тока устанавливается регулятором. Напряжение с шунта r, установленного в цепи тока намагничивания, подается на пластины горизонтального отклонения электронного осциллографа; отклонение луча по горизонтали в каждый данный момент будет пропорционально намагничивающему току и соответственно напряженности поля Н. Благодаря интегрирующей цепочке RC мгновенное значение падения напряжения на конденсаторе С пропорционально мгновенному значению индукции в образце. Это напряжение подается на пластины вертикального отклонения осциллографа, и на экране получается изображение кривой гистерезисного цикла.

В работе используются два трансформатора с различными магнитопроводами – Ш-образный из листовой стали и кольцевой из феррита.

Таблица 1

	Трансформатор Т1	Трансформатор Т2
Магнитопровод	Ш-образный из горячекатанной стали	колцевой из феррита марки НМ
Размеры магнитопровода	высота 56 мм	диаметр внешний 28 мм
	ширина 64 мм	Диаметр внутренний 16 мм
	толщина 24 мм	толщина 9 мм
	ширина сердечника 16 мм
Сечение магнитопровода	384 мм²	54 мм²
Длина магнитной линии	152 мм	69 мм
Количество витков	N₁ = 180, N₂ = 1980	N₁ = 10, N₂ = 33
Параметры RC-цепочки	R = 100 кОм, С = 4 мкФ	R = 4,7 кОм, С = 0,075 мкФ
Частота измерения	50 Гц	5 кГц
Сопротивление шунта r	10,2 Ом	10,2 Ом

На панели установки размещены:

Осциллограф, переключатель режимов измерения, регулятор тока в первичной обмотке трансформатора, тумблеры «Сеть» и «Питание генератора».

Методические указания

В начале измерений необходимо убедиться в нулевом положении регулятора тока. Затем включается питание установки тумблером «сеть» и включается питание генератора и осциллографа.

Переключателем выбирается исследуемый образец (Т1 или Т2).

ВАЖНО! ДЛЯ КАЖДОГО ОБРАЗЦА НЕОБХОДИМО ПРОИЗВЕСТИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В ОСЦИЛЛОГРАФЕ: кнопка ЗАП/ВЫЗ → выбрать номер ячейки памяти М01(для образца Т1) или М02(для образца Т2) и НАЖАТЬ КНОПКУ ВЫЗОВ.

Для перехода в режим автоматических измерений необходимо нажать кнопку ИЗМЕРЕНИЯ. При этом в правой части экрана осциллографа будут отображаться измерения амплитуды и действующего значения сигналов. При измерении регистрируется размах петли гистерезиса по горизонтали и по вертикали в вольтах, т.е. амплитуда.

Необходимо снять не менее 10 показаний, постепенно увеличивая ток в первичной обмотке трансформатора. При этом большее количество точек должно приходиться на начальные петли гистерезиса (3-4 точки) и на область насыщения. При последнем измерении надо зарисовать предельную петлю гистерезиса.

Напряженность поля, магнитная индукция в сердечнике и магнитная проницаемость материала рассчитываются по формулам:

B = m m₀ H

Измеренные и рассчитанные значения необходимо занести в таблицу, образец которой приведен ниже.

Таблица 2

Порядковый номер измерения			…
Напряжение Uх
Напряжение Uу
Напряженность поля Н, А/м
Индукция В, Тл
Магнитная проницаемость, m

По полученным данным необходимо построить основную кривую намагничивания и зависимость m(H). Отметить на рисунке с петлей гистерезиса индукцию насыщения, коэрцитивную силу и остаточную индукцию.

Значения коэрцитивной силы, индукции насыщения, остаточной индукции, начальной и максимальной магнитной проницаемости сравниваются со справочными значениями.

Измерения необходимо провести для каждого образца, переключая режим измерения с Т1 на Т2 при отключенном питании установки.

Контрольные вопросы:

1. Какие материалы относятся к магнитным?

2. Каково магнитное строение у ферромагнетиков?

3. Каково магнитное строение у ферримагнетиков?

4. Что такое «Начальная кривая намагничивания» и «Основная кривая намагничивания»?

5. Что такое «начальная магнитная проницаемость» и «максимальная магнитная проницаемость»?

6. Что такое магнитный гистерезис?

7. Что означает насыщение ферромагнетика?

8. Что такое коэрцитивная сила?

9. Что такое остаточная индукция?

10. Как связана петля гистерезиса с затратами энергии на перемагничивание ферромагнетиков?

11. В чем причина образования остаточной магнитной индукции в ферромагнетиках.

12. Чем отличаются магнитомягкие и магнитотвердые материалы?

13. Где применяются магнитомягкие и магнитотвердые материалы?

14. Какие Вы знаете виды магнитных потерь?

15. В чем различие потерь на вихревые токи и потерь на перемагничивание?