МЭИ_Описание_лаб_магнит_изм (Лабораторные работы)

1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ

Методические указания

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы по исследованию свойств магнитных материалов на автоматизированном лабораторном стенде «Исследование магнитомягких материалов.

Лабораторная работа предназначена для электротехниче­ских и электронных групп специальностей при изучении дис­циплин "Материалы электронной техники", "Материалы в приборо­строении", "Радиоматериалы и радиодетали" и др.

Цель работы:

• Изучение процессов, протекающих в магнитомягких мате­риалах в магнитном поле;

• исследование основных характеристик магнитомягких ма -териалов ­ по кривой намагничивани

.

1 Теоретические сведения о магнитных материалах и их свойствах

1.1 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 М представляет собой сумму элементарных магнитных моментов m для n атомов данного вещества n

M= ∑m_i

i=1

Магнитные свойства вещества характеризуются магнитной восприимчивостью χ= М /Н, где М - магнитный момент единицы объема вещества или намагниченность в магнитном поле напряженностью Н.

Магнитное поле в вакууме, создаваемое некоторой систе­мой проводников с током или совокупностью постоянных магнитов, характеризуется векторами магнитной индукции В и напряженности поля Н, связанными через магнитную по­стоянную μ_o=4π10^─7 [Гн/м]: B = μ_o H

Магнитное поле в материале, кроме напряженности поля Н, создаваемой током в намагничивающей обмотке, зависит так же от магнитных свойств материала. Полная магнитная индукция в материале составляет В = μ_o Н + μ_o М, 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 μ_a = В/Н = μ_o (1 + χ) и относительную μ = B/(μ_o Н)= 1 +χ магнитные проницаемости материала. Откуда для магнитной восприимчивости имеем χ = μ ─ 1

1.2. 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-, пара- и антиферромагнетики об­разуют группу слабомагнитных материалов; ферро- и ферри-магнетики 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.

1.3 Петля гистерезиса

Магнитные свойства материалов описываются зависимо­стями В от Н и потерь на перемагничивание Р от индукции и частоты. Зависимость вида В(Н) называют кривой намагни­чивания. При циклическом перемагничивании кривая намаг­ничивания образует петлю гистерезиса.

Различают следующие типы зависимостей:

Частная петля гистерезиса 2 - петля, полученная при цик­лическом изменении напряженности, если Н<Н_m;

Предельная петля гистерезиса 3 - петля, полученная при

циклическом изменении напряженности Н ≥ Н_m;

Основная кривая намагничивания 1. Представляет собой геометрическое место вершин симметричных петель гистере­зиса, получающихся при циклическом перемагничивании или при монотонном увеличении напряженности поля в предва­рительно размагниченном образце.

Петля гистерезиса

Основные параметры петли гистерезиса:

Остаточная индукция Вr - индукция, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внеш­него магнитного поля;

Коэрцитивная сила Н_c - размагничивающее поле, которое должно быть приложено к образцу, чтобы индукция стала равной нулю;

Потери на гистерезис при перемагничивании материала с частотой ƒ

: Р_г = ƒ • ( ∫dB )/γ, γ~ плотность материала (кг/м^З).

По основной кривой намагничивания могут быть опреде­лены также: начальная магнитная проницаемость

μ_н = Lim B/ μ_o H

H→0

и дифференциальная магнитная проницаемость

μ_D = dB / μ_odH

Магнитные свойства материалов характеризуются также реверсивной (обратимой) магнитной проницаемостью μ_p ,

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 в глубь 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:

Р = Р_г+Р_в.

1.4 Магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы

Различаю 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, электротех­нические стали сплавы железа с углеродом, кремнистые стали ( содержат 0,5─5% кремния), пермаллой - сплав железа с ни­келем с добавками других металлов, магнитомягкие ферриты - системы окислов железа, цинка, никеля, марганца и некото­рых других металлов, магнитодиэлектрики - мелкодисперс­ные порошки высокопроницаемых материалов на основе кар­бонильного железа (Р10, Р20,..,Р100 и др.), альсифера (ТЧ-90,ТЧК-55), пермаллоев (П-250, П-160, ..), ферритов (НМ-5) в неферромагнитной связке.

Магнитотвердые материалы, напротив, имеют большую коэрцитивную силу, высокие значения объемной плотности энергии, малую магнитную проницаемость. К магнитотвер-дым материалам относятся стали с высоким содержанием уг­лерода (ЕХЗ, ЕВ6, ЕХ5К5), 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.

А. 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 Н и магнитной индукции в образце .В. Такой метод можно реализовать по схеме, изображенной на рис. 9.

Здесь на ферритовом тороиде имеются две обмотки. Первичная об­мотка питается переменным током I₁ от генератора Г через сопротивле­ние R₁

Напряженность магнитного поля внутри этой обмотки равна

H(t) = (n₁/ℓ) • I₁ (t ), (6)

где n₁ число витков в первичной обмотке, ℓ — средняя длина окруж­ности в тороиде (ℓ - π(rвнеш + rвнут), rвнеш и rвнут — внешний и внут­ренний радиусы тороида).

Напряжение Ux подаваемое на вход "x" осциллофафа с сопротив­ления R1, будет пропорционально H(f):

Ux(t) = I₁ (ƒ)•R₁ (7)

Рис. 9. Схема для наблюдения петли гистерезиса: Г — генератор синусоидаль­ных сигналов с частотой v = ωо/2π . T — ферритовый тороид

Во вторичной обмотке n₂ будет возникать ЭДС электромагнитной индукции:

E(t) = dФ(t)/dt •n₂, (8)

где Ф — поток вектора В через витки вторичной обмотки. Если S — площадь одного витка, то

Ф(t) = B(t)• S , (9)

E(t) =-S • n₂ • dB(t)/dt, (10)

Поскольку ЭДС индукции пропорциональна dB(t)/dt, то в схеме применена интегрирующая цепочка на резисторе R₂ и конденсаторе С. Такая цепочка интегрирует подаваемое на нее напряжение, если время перезарядки конденсатора τ = R₂ С много больше периода колебаний сигнала, т. е.

CR₂>> 1/ω )

Или

R₂>>1 / ωC (11)

Покажем, что при выполнении условия (11) напряжение на конден­саторе пропорционально величине магнитной индукции в тороиде.

Если пренебречь самоиндукцией, то закон Ома для вторичной цепи имеет вид;

E(t) = Uc(t) +I₂ (t)R₂, (12)

где

ℓ

Uc(t)=1/C •∫I₂(t^/ )dt^/ -

0

напряжение на конденсаторе в момент времени t

При соблюдении условия (11) вместо (12) можно записать:

E(t) = I₂(t)•R₂ (13)

а с учетом (10) получим:

I2(t) =─S•n₂/R₂ • dB(t)/dt (14)

Теперь для напряжения на конденсаторе мы можем записать: