Лабораторная работа: Исследование магнитомягких материалов

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ Цель работы — изучение процессов, протекающих в магнитомягких материалах в магнитном поле; исследование основных характеристик магнитомягких материалов по кривой намагничивания. Общие положения Магнитные параметры материалов Магнитными материалами называются вещества, обладающие магнитными свойствами, т.е. способностью намагничиваться в магнитном поле и тем самым приобретать магнитный момент. Результирующий макроскопический магнитный момент представляет собой сумму элементарных магнитных моментов для атомов данного вещества: ∑ Магнитные свойства вещества характеризуются магнитной восприимчивостью , где — магнитный момент единицы объема вещества или намагниченность в магнитном поле напряженностью . Магнитное поле в вакууме, создаваемое некоторой системой проводников с током или совокупностью постоянных магнитов, характеризуется векторами магнитной индукции и напряженности поля связанными через магнитную постоянную Магнитное поле в материале, кроме напряженности поля , создаваемой током в намагничивающей обмотке, зависит также от магнитных свойств материала. Полная магнитная индукция в материале составляет + , где первый и второй члены правой части представляют собой соответственно составляющие внешнего и внутреннего поля. Одним из основных магнитных параметров материала является магнитная проницаемость. Различают абсолютную ( ) и относительную магнитные проницаемости материала. Откуда для магнитной восприимчивости имеем . Классификация магнитных материалов По значению магнитной восприимчивости χ, ее зависимости от напряженности магнитного поля, температуры и других факторов выделяют следующие пять основных видов магнитных материалов: диа-, параи антиферромагнетики образуют группу слабомагнитных материалов; 64 ферро- и ферримагнетики относятся к группе сильномагнитных материалов. В изделиях электротехники и электроники наиболее часто применяются ферромагнетики. Все ферромагнетики характеризуются: большим значением χ, способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых полях, гистерезисом — зависимостью магнитных свойств от предшествующего состояния, точкой Кюри — предельной температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и другие материалы. Ферромагнетизм заключается в существовании в веществе областей — доменов, в пределах которых материал намагничен до состояния насыщения. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков достигает значений 105 — 106 и существенно зависит от температуры и напряженности магнитного поля. Петля гистерезиса Магнитные свойства материалов описываются зависимостями В от Н и потерь на перемагничивание Р от магнитной индукции и частоты внешнего поля. Зависимость вида В(Н) называют кривой намагничивания. При циклическом перемагничивании кривая намагничивания образует петлю гистерезиса. Различают следующие типы зависимостей (рис. 1):  Частная петля 1 гистерезиса — петля, полученная при циклическом изменении напряженности, если .  Предельная петля 2 гистерезиса — петля, полученная при циклическом изменении напряженности . Основная кривая намагничивания 3 представляет собой геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса, получающихся при циклическом перемагничивании или при монотонном увеличении напряженности поля в предварительно размагниченном образце. Основные параметры петли гистерезиса: Остаточная индукция — индукция, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внешнего магнитного поля; Коэрцитивная сила — размагничивающее поле, которое должно быть приложено к образцу, чтобы индукция стала равной нулю. Потери на гистерезис в единице объема образца магнитного при одном цикле перемагничивания определяются площадью петли гстерезиса. 65 Рис. 1. Петля гистерезиса при различных значениях амплитуды магнитного поля По основной кривой намагничивания могут быть определены также: начальная магнитная проницаемость ( ) и дифференциальная магнитная проницаемость Магнитные свойства материалов характеризуются также реверсивной (обратимой) магнитной проницаемостью , которая измеряется на переменном сигнале малой амплитуды на фоне большого смещающего поля. Реверсивная проницаемость обусловлена явлением гистерезиса в магнитных материалах. Перемагничивание магнитных материалов в переменных полях возбуждает вихревые токи, магнитное поле которых направлено встречно внешнему полю. В результате напряженность магнитного поля в материале падает с удалением вглубь от поверхности. Вихревые токи вносят вклад в потери на перемагничивание. Для уменьшения потерь на вихревые токи на высоких частотах следует применять магнитомягкие высокочастотные материалы (магнитодиэлектрики, ферриты), у которых значение удельного сопротивления значительно больше, чем у низкочастотных материалов — электротехнических сталей, пермаллоев. Таким образом, потери на перемагничивание состоят в основном из потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи: 66 Магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы Различают магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы. Магнитомягкие материалы характеризуются значительными магнитной проницаемостью, индукцией насыщения, малой коэрцитивной силой (не более 4 кА/м) и, следовательно, узкой петлей гистерезиса. К магнитомягким материалам относятся:  технически чистое железо, электролитические железо, кремнистые стали (содержат 0,5—5% кремния), карбонильное железо, пермаллой - сплав железа с никелем;  магнитомягкие ферриты — системы окислов железа, цинка, никеля, марганца и некоторых других металлов;  магнитодиэлектрики — спрессованные мелкодисперсные порошки высокопроницаемых материалов с изолирующей связкой;  альсиферы — тройные сплавы железа с кремнием и алюминием. Магнитотвердые материалы, напротив, имеют большую коэрцитивную силу, высокие значения объемной плотности энергии, малую магнитную проницаемость. К магнитотвердым материалам относятся стали с высоким содержанием углерода; алнико — сплавы железа с алюминием, никелем, кобальтом; магнитотвердые ферриты; викаллой — сплав железа с ванадием; соединения на основе редкоземельных элементов — самария, празеодима и др. Кроме указанных групп магнитных материалов, все большее распространение в технике находят магнитные материалы с цилиндрическими магнитными доменами, магнитострикционные, тонкопленочные, аморфные магнитные материалы, магнитные жидкости. Методика измерений Петлю гистерезиса при перемагничивании феррита можно получить на экране осциллографа. Для этого нужно поместить исследуемый материал в переменное магнитное поле, на входные клеммы осциллографа по осям "X" и "Y" подать соответственно напряжения, пропорциональные напряженности внешнего поля и магнитной индукции в ферритовом образце. Такой метод можно реализовать по схеме, изображенной на рис. 2. Здесь на ферритовом тороиде имеются две обмотки. Первичная обмотка питается переменным током от генератора Г через сопротивление . Внутри этой обмотки напряженность магнитного поля ( ) ( ) 67 где — число витков в первичной обмотке; — длина пути магнитного потока в тороиде ( ); и — внешний и внутренний радиусы тороида). Напряжение подаваемое на вход "X" осциллографа с сопротивления , будет пропорционально ( )): ( ) ( ) Рис. 2. Схема для наблюдения петли гистерезиса: Г — генератор синусоидальных сигналов с частотой  = ω0/(2π); T — ферритовый тороид Во вторичной обмотке будет возникать ЭДС электромагнитной индукции: ( ) ( ) где Ф — поток вектора магнитной индукции В через витки вторичной обмотки. Если S — площадь одного витка, то ( ) ( ) ( ) ( ) Поскольку ЭДС индукции пропорциональна ( ) , то в схеме применена интегрирующая цепочка на резисторе и конденсаторе С. Такая цепочка интегрирует подаваемое на нее напряжение, если время перезарядки конденсатора много больше периода колебаний сигнала, т.е. При выполнении условия ( ) — напряжение на конденсаторе пропорционально величине магнитной индукции В в тороиде. Таким образом, координаты электронного луча на экране осциллографа будут меняться пропорционально ( ) по оси Х и ( ) по оси Y. Поскольку ( ), то по изменению величины магнитной индукции В мы можем судить о намагниченности М изучаемого образца; 68 отметим, что при Н = 0 остаточная индукция Вoст с точностью до множителя μ0 равна остаточной намагниченности Мocт. Изменяя амплитуду тока I1 в первичной обмотке, мы будем менять Uх, а значит, и размеры петли гистерезиса, следовательно, для построения кривой первоначального намагничивания необходимо зафиксировать координаты вершин петель гистерезиса при различных амплитудах сигнала генератора и, перенеся их на график, последовательно соединить. Описание автоматизированного стенда Состав аппаратной части стенда Стенд выполнен на базе персонального компьютера, к которому подключается измерительный блок со сменными образцами магнитомягких материалов (пермаллой, феррит 2000НМ). Измерительный блок включает в себя усилитель намагничивания (УН) и интегрирующий усилитель (ИУ), которые используются соответственно для формирования напряженности магнитного поля и преобразования сигнала магнитной индукции в образце. Для ввода/вывода измерительной информации в ПК используется звуковая карта. С помощью ПК осуществляется управление измерительным экспериментом и наблюдение результатов на экране монитора как в графическом виде (петли гистерезиса, временные зависимости напряженности и индукции магнитного поля), так и в табличном. Магнитные преобразователи (МП) с образцами исследуемых материалов подключаются через гнезда, установленные на передней панели блока. Вставить МП в гнезда можно только в определенном положении, соответствующем правильному подключению обмоток. Структурная схема стенда и принцип измерений ПК при помощи звуковой карты вырабатывает синусоидальное напряжение в диапазоне частот 40—1000 Гц. Переменное напряжение поступает на вход УН, к выходу которого подключена намагничивающая обмотка МП. МП представляет собой образец исследуемого магнитного материала в форме кольца с намотанными на него двумя обмотками: намагничивающей обмоткой 1 и измерительной обмоткой 2 (рис. 2). Напряжение с измерительного резистора подается на один из линейных входов звуковой карты в ПК. Амплитуда напряженности поля устанавливается программно с помощью элемента регулировки в окне характериографа программного приложения. ЭДС, наводимая в измерительной обмотке 2 МП, пропорциональна производной от индукции магнитного поля В в исследуемом образце. Напряжение обмотки интегрируется ИУ, на выходе которого напряжение измерительного сигнала пропорционально уже непосредственно В. Напряжение с выхода ИУ подается на второй линейный вход звуковой 69 карты в ПК. Таким образом, в ПК поступает информация о напряженности Н, индукции В магнитного поля в исследуемом образце, на основании этой информации осуществляется построение кривых намагничивания и расчет всех магнитных параметров материалов. Рабочее задание 1. По частным петлям гистерезиса постройте на экране монитора основную кривую намагничивания ( ) для феррита и пермаллоя. 2. Получите предельную петлю гистерезиса ( ) на заданной преподавателем частоте для феррита и пермаллоя. 3. Oпределите значения параметров предельной петли гистерезиса по графику кривой на экране монитора для феррита и пермаллоя. 4. Определите коэффициент прямоугольности петли Кп для пермаллоя. 5. Определите влияние на параметры петли гистерезиса частоты измерительного сигнала в диапазоне 40—1000 Гц для ферритового образца 6. Постройте графики относительной магнитной проницаемости µ(Н) для феррита и пермаллоя 7. Дайте качественную характеристику магнитных свойств исследуемого материала. 8. Определите потери на гистерезис в ферритовом образце при малых магнитных полях, пользуясь соотношением Рэлея и квадратичной аппроксимацией петли гистерезиса. Порядок проведения работы Измерение петли гистерезиса Лабораторная работа реализована в виде компьютерного стенда, функционирующего под управлением программы, обеспечивающей с помощью элементов экранного интерфейса управление отображением измерений и обработку результатов. Включите лабораторный стенд и компьютер. В появившемся меню загрузки компьютера выберите Microsoft Windows. Будет загружена операционная система Windows 98, под управлением которой работает программное обеспечение стенда Для запуска программы необходимо дважды кликнуть пиктограмму Магнитные материалы на рабочем столе. Главное окно программы содержит меню со следующими пунктами: Измерение, Буфер обмена, Настройки, Отчет, Окно, Справка. Некоторые из них содержат подменю. Перед проведением измерений необходимо выбрать исследуемый образец. Для этого , выберите подпункт Образец меню Настройки, выбрав в появившемся окне Параметры об- 70 разца название образца, кликнув мышью на записи с именем образца и нажав кнопку . Данные выбранного образца: площадь сечения, длина магнитного контура и числа витков обмоток образца используются в расчетах физических величин, отображаемых на экране. После выбора образца необходимо перейти к измерениям, выбрав пункт меню Измерение. При первом выполнении работы будет предложено выполнить тест. Появится окно Вопросы для самопроверки. Необходимо выбрать правильный вариант ответа для каждого из вопросов. Выбор правильного варианта ответа осуществляется прокруткой возможных вариантов нажатием стрелок-треугольников вправо-влево с последующим подтверждением нажатием кнопки Да. Если правильный вариант ответа отсутствует, то необходимо выбрать вариант ответа Нет. Если попытка сдачи теста не завершена успешно, то предлагается пересдать тест. После успешной сдачи теста появится окно Измерение, в котором отображается кривая перемагничивания (петля гистерезиса). В левой части окна имеются переключатели Частота выбора частотного диапазона измерений и элементы регулировки значений частоты Част. и амплитуды Ампл. магнитного напряженности магнитного поля. При изменении амплитуды сигнала автоматически изменяется масштаб по осям В и Н в окне измерения. Автоматическое изменение масштаба можно отключать и включать. Для этого используется кнопка на панели инструментов. Результаты измерения следует сохранить в базе данных, нажав кнопку (запись измерений), при этом на экране монитора появляется окно с сообщением Сохранение данных. Измерение временных характеристик напряженности поля и индукции С помощью специальных настроек в окне измерений помимо кривой перемагничивания можно также отображать временные зависимости H(t), B(t). Для переключения между этими двумя режимами используется кнопка на панели инструментов. Для изменения вида характеристик через контекстное меню подведите курсор мыши к окну отображения кривой перемагничивания и нажмите правую кнопку. В появившемся меню выберите команду Вид. Измерение основной кривой намагничивания Основная кривая намагничивания строится по значениям точек максимума и минимума частных петель гистерезиса, поэтому измерения проводят следующим образом: - выберите пункт меню Измерение; 71 - зафиксируйте предельную петлю гистерезиса, задавая амплитуду магнитного поля, предельная петля характеризуется малым изменением индукции при изменении напряженности магнитного поля; - уменьшайте амплитуду напряженности магнитного поля и фиксируйте координаты вершин частных петель с помощью кнопки (фиксация точки) панели инструментов. Для фиксации точки с помощью контекстного меню подведите курсор мыши к окну отображения кривой намагничивания и кликните правой кнопкой. В появившемся контекстном меню выберите команду Фиксация точки; - зафиксируйте 10—15 вершин петель гистерезиса (чем больше зафиксированных точек, тем более точной получается основная кривая). Зафиксируйте точку при нулевой амплитуде сигнала, чтобы кривая начиналась из начала координат. Не забудьте сохранить полученные результаты в базу данных с помощью кнопки (запись измерений). Просмотр и анализ результатов измерений из базы данных После того как проведены и сохранены в базе данных результаты измерений, переходим к анализу результатов измерений. Отобразите окно базы данных, выбрав команду База данных пункта меню Окно. Либо распахнув окно базы данных кликнув на кнопку Распахнуть заголовка окна базы данных. По умолчанию окно базы данных свернуто и находится в нижней части окна программы измерения. В окне База данных выбираем строку записи, соответствующую измерению, которое необходимо просмотреть. Каждая запись имеет название хранимого в ней графика зависимости, названия образца, дату создания и параметры опыта. При выборе записи необходимо ориентироваться на вышеуказанные параметры. Для просмотра записи базы данных необходимо нажать кнопку (просмотр) (на экране появится окно результатов измерения). На отображаемой кривой можно выбрать характерные точки. Например, для петли гистерезиса: остаточную и предельную индукции, коэрцитивную силу. Для выбора характерных точек кривой подведите курсор мыши к нужному месту кривой графика и, когда он примет вид креста, нажмите левую кнопку мышки. При этом на графике появляется точка с номером, а в правой части окна появляются точные координаты отмеченной точки (чтобы удалить отмеченную точку подведите к ней курсор мышки и нажмите левую кнопку). При открытом отчете (см. ниже Формирование отчета) в окне отображения результатов измерений рядом появляются кнопки (копировать). По нажатию этих кнопок соответствующие фрагменты окна отображения результатов будут скопированы в открытый отчет. Можно изменить масштаб графика. Для уменьшения масштаба графика используйте кнопку (масштаб 75 %), при этом масштаб графика составит 75 %. Для увеличения фрагмента графика установите кур- 72 сор мыши в верхний левый угол выбранного вами участка, нажмите левую клавишу мыши и ведите, не отпуская клавиши мыши, в правый нижний угол участка, при отпускании клавиши произойдет изменение масштаба. Если увеличение фрагмента не произошло, то проверьте состояние кнопки (автомасштаб), она должна быть в отжатом состоянии. Для возврата к прежнему масштабу нажмите левую кнопку мыши и, не отпуская клавиши, проведите мышью в сторону левого верхнего угла. Построение графиков относительной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля Постройте кривую намагничивания исследуемого образца. Сохраните результаты измерений в базу данных. Откройте окно базы данных. Выберите запись данных с названием графика Магнитн. прон. от H. Просмотрите график зависимости относительной магнитной проницаемости от напряженности поля, нажав кнопку просмотра в окне базы данных. Формирование отчета По результатам измерений необходимо сформировать отчет. Формирования отчета осуществляется путем переноса результатов из базы данных измерений в отчет. Отчет формируется в одном из текстовых редакторов: MS WinWord или WordPad. Выбрать редактор для отчетов можно с помощью подпункта Параметры отчета пункта Отчет главного меню. Выбор редактора для отчета: MS WinWord предпочтительнее в качестве редактора, поскольку предоставляет более широкие возможности – вставка таблиц и формул. В этом же окне можно выбрать, в каком представлении будут копироваться графики — в виде метафайла (*.wmf) или в виде растрового изображения (*.bmp). Выбор представления зависит от возможностей принтера и определяется экспериментально. Открыть отчет можно с помощью либо меню Отчет – Открыть отчет, либо кнопок на панели инструментов . После открытия отчета появляется диалоговое окно, позволяющее выбрать либо существующий отчет, либо создать новый, набрав в поле Имя файла новое название без расширения. После нажатия кнопки Открыть, диалоговое окно закрывается и активизируется соответствующее приложение редактора с открытым файлом отчета. В окне просмотра результатов измерения лабораторной работы появляется кнопка (копировать). Нажатием этой кнопки осуществляется копирование элемента в окне просмотра в отчет (кнопка отображается рядом с копируемым элементом). Не забывайте перед копированием элемента позиционировать место вставки элемента в отчет. 73 После того как отчет сформирован, его можно закрыть с помощью команды меню или кнопки на панели инструментов текстового редактора. После выбора команды Закрыть отчет закрывается соответствующее приложение редактора и пропадают кнопки в окне просмотра результатов измерения. По умолчанию все отчеты сохраняются с расширением .otc в папке Program FilesPGUFerromagneticOtc. Вы также можете изменить место сохранения отчета, выбрав команду Сохранить как пункта главного меню Файл текстового процессора. Для сохранения отчета на флэш-накопитель необходимо перезагрузить компьютер, в меню загрузки выбрать Windows XP. Вставьте флэшнакопитель и сохраните отчет. Использование Windows XP связано с отсутствием поддержки USB портов в Windows 98. Расчет потерь на гистерезис В слабых магнитных полях кривые петли гистерезиса квадратично зависят от напряженности поля H и описываются формулой Рэлея ( ) [( ) ( )] где - магнитная постоянная; – начальная магнитная проницаемость; – максимальная напряженность магнитного поля (вершина петли гистерезиса); – эмпирическая постоянная, определяемая петлей гистерезиса. Знак плюс соответствует интервалу возрастания H (выпуклая часть петли гистерезиса ( )), а знак минус – интервалу убывания H (вогнутая часть петли гистерезиса ( )): ( ) [( ) ( )] ( ) [( ) ( )] Наиболее просто посчитать из условия ( ) : где – остаточная индукции петли гистерезиса. Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания, отнесенные к единице объема магнитного материала, определяются площадью петли гистерезиса ∫ ( ) 74 Потери (активная мощность), выделяющаяся в сердечнике сечением и длиной магнитного контура за счет потерь на гистерезис при циклическом перемагничивании полем частоты определяется как где – объем ферритового образца. Потери можно также посчитать, пользуясь квадратичной аппроксимацией кривой петли гистерезиса: ( ) Аппроксимация кривой размагничивания отличается лишь знаками при коэффициентах и размагничивания . Коэффициент находят из условия ( ) А коэффициенты и решением системы уравнений ( ) ( ) Складывая первое и второе уравнение, найдем Потери на гистерезис в свою очередь определяются как ∫ ( ) Соответственно активные потери в образце на частоте При проведении измерения следует подобрать амплитуду напряженности магнитного поля так, чтобы кривая перемагничивания имела квадратичный характер. Данные ферритового образца 2000НМ: , Контрольные вопросы 1. Опишите процессы, происходящие в ферромагнитных материалах при их перемагничивании, в соответствии с кривыми намагничивания. Охарактеризуйте типы кривых намагничивания. 2. Назовите параметры петли гистерезиса и другие параметры, характеризующие магнитные свойства материалов 75 3. Поясните различия между магнитомягкими и магнитотвердыми ферромагнитными материалами. Приведите примеры данных материалов. 4. Назовите виды потерь на перемагничивание в ферромагнитных материалах. 5. Приведите примеры применения ферромагнитных материалов с различными свойствами