Лабораторные работы (МЭИ_Описание_лаб_магнит_изм)

Посмотреть архив целиком

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= mi

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 μo=4π10─7 [Гн/м]: B = μo 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 = μo Н + μo 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 μa = В/Н = μo (1 + χ) и относительную μ = B/(μo 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<Нm;

Предельная петля гистерезиса 3 - петля, полученная при


циклическом изменении напряженности Н ≥ Нm;

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


Потери на гистерезис при перемагничивании материала с частотой ƒ

: Рг = ƒ ( dB )/γ, γ~ плотность материала (кг/мЗ).


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

μн = Lim B/ μo H

H→0

и дифференциальная магнитная проницаемость

μD = dB / μodH

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

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 = Ргв.


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)/dtn2, (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 • n2dB(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

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) =Sn2/R2 dB(t)/dt (14)

Теперь для напряжения на конденсаторе мы можем записать:


Uc(t) = 1/CI2(t/)dt/ =─n2•S•B(t)/R2•C (15)

Из (15) следует, что на вход "У” осциллографа следует подать напря­жение с конденсатора С, т. е.

Uy=Uc =n2•S•B(t)/R2•C (16)

Таким образом, координаты электронного луча на экране осцилло­графа будут меняться пропорционально H(t) по оси "х" и B(t) по оси "у". Поскольку В =μо + J), то по изменению величинь маг­нитной индукции В мы можем судить о намагниченности Jизучаемого образца; отметим, что при Н=0 остаточная индукция Вoст точностью до множителя μo равна остаточной намагниченности Jocт.

Изменяя амплитуду тока I1 в первичной обмотке, мы будем менять, соответственно, Ux и Uy, 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.

Для определения энергетических потерь на перемагничивание необ­ходимо при определенной амплитуде магнитного поля Hо(t) перенести петлю гистерезиса на миллиметровку (предварительно скопировав пет­лю на кальку). Затем откалибровать оси "H" и "B", подсчитав ампли­тудные значения Ho и Во по формулам (6), (7) и (15):

Ho=N1Uox/ℓ•R1, Bo=R2•CUoy/n2•S, (17)


После этого нужно подсчитать плошадь петли в единицах " BH”,

Поскольку энергия магнитного поля и среде единичного объема EH =HB/2 , то энергетические потери на перемагничивание тороида за один цикл;

W=1/2SгисV, (18)

где Sгис — площадь петли гистерезиса в единицах "BH", Vобъем тороида. Соответственно, потери мощности на перемагничивание при частоте сигнала ν:

P= ν W =1/2• Sгис •Vν, (19)



2 Устройство и работа автоматизированного стенда

2.1 Состав аппаратной части стенда

Стенд выполнен на базе персонального компьютера, к ко­торому подключается измерительный блок со сменными об­разцами магнитомягких материалов. 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 аудио плата. 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.

2.2 Структурная схема стенда и принцип измерений

Структурная схема стенда, поясняющая принцип измере­ний, изображена на передней панели измерительного блока.



Структурная схема стенда

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. Напря­женность магнитного поля в материале определяется током I в намагничивающей обмотке по формуле: Н=In, где n -плотность витков обмотки 1 (количество витков /м). Значение тока намагничивания и, следовательно, напряженности поля в образце определяется по значению падения напряжения на измерительном резисторе R, который включается последова­тельно с обмоткой 1.

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 2 интегрируется ИУ, на выходе которого напряжение измерительного сигнала пропорционально уже непосредственно В. Напряжение с вы­хода ИУ подается на второй линейный вход звуковой карты в ПК. Таким образом, в ПК поступает информация о напряжен­ности Н, индукции В магнитного поля в исследуемом образце и их частоте, на основании которой осуществляется построение кривых намагничивания и расчет всех магнитных пара­метров материалов.


3 Программное обеспечение стенда

3.1 Структура программного обеспечения

Программное обеспечение лабораторного стенда включает комплекс программных средств для организации и проведе­ния автоматизированных измерений, обработки и представ­ления измерительной информации, сохранения результатов измерения в базе данных, генерации отчетов по результатам исследований, а также включает систему контроля знаний при допуске к выполнению лабораторной работы.

3.2 Описание программного интерфейса

Основная программа представляет собой интегрированную программную среду выполнения лабораторной работы, кото­рая работает под управлением операционной системы Windows и позволяет с помощью элементов экранного интер­фейса управлять процессом измерений и обработкой резуль­татов.




3.2.1 Основное меню

Главное окно программы содержит меню, которое включа­ет следующие пункты: Измерение, Буфер обмена, Настройки, Отчет, Окно, Справка. Некоторые из них содержат подменю.



При нажатии этой кнопки данные из выделенной

записи выбираются для использования в расчетах физических величин


Игнорирование. Окно закрывается, но выбора данных не

производится




3.2.6 Окно характериографа

Окно характериографа предназначено для отображения ре­зультатов текущих измерений. Результат представляется либо в виде кривой намагничивания В(Н), либо в виде временных функций H(t), B(t). Для переключения между этими двумя

режимами используйте кнопкуна панели инструментов.

В левой части окна имеются кнопки выбора частотного диа­пазона измерительного сигнала и движки плавной установки частоты и амплитуды сигнала. При изменении амплитуды сигнала автоматически изменяется масштаб по осям В и Н в окне характериографа. Автоматическое изменение масштаба можно отключать и включать. Для этого используйте кнопку на панели инструментов.


4 Проведение измерений

4.1 Измерение петли гистерезиса

В меню Настройки выберите пункт Образец. В поя­вившемся окне Параметры образца выберите в таблице строку с параметрами того образца, который соответствует установленному на измерительном блоке. После выбора на­жмите кнопку Выбор. Для нового образца необходимо внести его данные в таблицу и выбрать эту строку.

Для измерения петли гистерезиса выберите пункт ме­ню Измерение. На экране появится окно характериографа.

Элементами регулировки Амплитуда и Частота с левой стороны окна изменяйте амплитуду и частоту напря­женности магнитного поля в образце.

Для сохранения результатов измерения в базе данных нажмите кнопку < Запись измерений >.

4.2 Измерение временных характеристик
напряженности поля и индукции

На экране можно наблюдать два вида характеристик: пет­лю гистерезиса или временные зависимости напряженности и

индукции магнитного поля. Выбор вида характеристик про­изводится при помощи панели инструментов, где надо нажать

кнопку <Вид графиках Для изменения вида характери­стик через контекстное меню подведите курсор мыши к окну характериографа и нажмите правую кнопку. В таблице выбе­рите команду <Вид>.

4.3 Измерение основной кривой намагничивания

Основная кривая намагничивания строится по значениям точек максимума и минимума частных петель гистерезиса, поэтому измерение происходит следующим образом:

  • проделайте пункт: Измерение петли гистерезиса;

  • зафиксируйте предельную петлю гистерезиса;

  • фиксируйте координаты вершин частных петель с
    помощью кнопки «Фиксация точки>, которая располага­
    ется в строке панели инструментов. Для фиксации точки с
    помощью контекстного меню подведите курсор мыши к ак­
    тивному окну и нажмите его правую кнопку. В таблице выбе­
    рите команду <Фиксация точки>;

  • фиксацию точки осуществляйте 10-15 раз (чем
    больше зафиксированных точек, тем более точно получается
    основная кривая). Зафиксируйте точку при нулевой амплиту­
    де сигнала, чтобы кривая начиналась из начала координат;

- запись результатов осуществляется кнопкой
<3апись измерений>.

4.4 Просмотр и анализ результатов измерений из ба­
зы данных

  • в окне «База данных» выберите строку записи, ко­
    торую хотите просмотреть;

  • в панели навигатора нажмите кнопку <Про-
    смотр> (на экране появится окно результатов измерения);

  • 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 с правой стороны

экрана появляются точные координаты отмеченной точки, (чтобы удалить отмеченную точку подведите к ней курсор мышки и нажмите левую кнопку);

  • сохранение результатов происходит при нажатии
    кнопки