Содержание: Общие сведения. 2 Диамагнетики. 2 Парамагнетики. 2 Ферромагнетики. 3 Ферромагнетики. 6 Начальное намагничивание. 6 Циклическое перемагничивание. 7 Ферромагнитные материалы. 9 Экспериментальное изучение свойств ферромагнетиков. 15 Лабораторная установка. 21 Исследование ферромагнитных свойств электротехнической стали.
22 Исследование ферромагнитных свойств феррита. 26 Лабораторная работа. 28 Приложение. 33 Схема установки /общий вид/. 33 Схема установки /электрическая/ . 34 Список используемой литературы. 35 Общие сведения. Все вещества при рассмотрении их магнитных свойств принято называть магнетиками, т.е. они способны под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться).
По своим магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы: o диамагнетики; o парамагнетики; o ферромагнетики. Количественной характеристикой намагниченного состояния вещества служит векторная величина – намагниченность J. Рассмотрим каждую группу в отдельности. Диамагнетики. Диамагнетиками называются вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции поля.
К диамагнетикам относятся вещества, магнитные моменты атомов, молекул или ионов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярный водород и азот, цинк, медь, золото, висмут, парафин и многие другие органические и неорганические соединения. В случае отсутствия магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома равен нулю.
Т.к. диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойственен всем веществам. Следует отметить, что магнитная проницаемость у диамагнетиков µ Hmax получается уже безгистерезисный участок кривой B(H). Если для данного ферромагнитного материала, выбирая различные наибольшие значения тока Ia, получить несколько симметричных петель гистерезиса (рис. 5) и соединить вершины петель, то получим кривую, называемую основной кривой намагничивания, близкую к кривой начального намагничивания. Циклическое перемагничивание можно применить для размагничивания магнитопровода, т.е. для уменьшения остаточной индукции до нулевого значения. С этой целью магнитопровод подвергают воздействию изменяющегося по направлению и постепенно уменьшающегося магнитного поля. Периодическое перемагничивание связано с затратой энергии, которая, превращаясь в тепло,
вызывает нагрев магнитопровода. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной при одном цикле перемагничивания. Энергия, затраченная на процесс перемагничивания, называется потерями от гистерезиса. Мощность потерь на циклическое перемагничивание, выражаемая обычно в ваттах на килограмм, зависит от материала, максимальной магнитной индукции и числа циклов перемагничивания в секунду или, что тоже, частоты перемагничивания. Ферромагнитные материалы.
Ферромагнитные материалы делятся на две группы: магнитно-мягкие и магнитно-твердые. а) Магнитно-мягкие материалы (таблица №1) применяются в качестве магнитопроводов (сердечников) в устройствах и приборах, где магнитный поток постоянный (полюсные башмаки и сердечники измерительного механизма) или переменный (например, магнитопровод трансформатора). Они обладают низким значением коэрцитивной силы Hc (ниже 400А/м), высокой магнитной проницаемостью
и малыми потерями от гистерезиса. К этой группе материалов относятся: техническое железо и низкоуглеродистые стали, листовые электротехнические стали, железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью (пермаллои) и оксидные ферромагнетики – ферриты и оксиферы. Техническое железо с содержанием углерода до 0,04%, углеродистые стали и чугун широко применяются для магнитопроводов, работающих в условиях постоянных магнитных полей. Техническое железо обладает высокой индукцией насыщения (до 2,2 Тл), высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой. Электротехнические стали – это сплавы железа с кремнием (1-4%). Путем изменения содержания кремния и применением различных технологических приемов получаются стали с широким диапазоном магнитных свойств. Кремний улучшает свойства технического железа: увеличиваются начальная и максимальная магнитные проницаемости, уменьшается коэрцитивная сила, уменьшаются потери
энергии от гистерезиса, увеличивается удельное электрическое сопротивление, что важно для уменьшения так называемых вихревых токов, возникающих при циклически изменяющемся магнитном поле и нагревающих магнитопровод. Стали, с низким содержанием кремния, имеют низкую магнитную проницаемость, большую индукцию насыщения и большие удельные потери, они применяются в установках и приборах цепей постоянного тока или переменного тока низкой частоты. Стали с высоким содержанием кремния применяются в тех случаях,
когда нужно иметь высокую магнитную проницаемость в слабых и средних полях и малые потери от гистерезиса и вихревых токов, вследствие чего они могут применятся для магнитопроводов, работающих при повышенной частоте тока. Рассмотрим некоторые виды магнито-мягких материалов, которые наиболее часто применяются в промышленности. Пермаллои – это сплавы различного процентного содержания железа и никеля, а некоторые из них, кроме того, молибдена, хрома, кремния, алюминия.
Пермаллои имеют высокую магнитную проницаемость, в 10-15 раз большую, чем у листовой электротехнической стали. В этих сплавах индукция насыщения достигается при малых напряженностях поля (от десятых долей до нескольких сотен ампер на метр). Одни из них имеют низкую индукцию насыщения Bs (около 0,6 –0,8 Тл), другие – относительно высокую (1,3 – 1,6 Тл). К первой группе относятся высоконикелевые пермаллои, например содержащий 79% никеля и 3,8% молибдена, у которого (н=22000; (max=120000; Bs=0,75Тл. Ко второй группе относятся низконикелевые пермаллои, например содержащие 45% никеля, у которого (н=2500; (max=23000; Bs=1,5Тл. У пермаллоев с прямоугольной петлей гистерезиса (рис. 6) степень прямоугольности петли характеризуется отношением остаточной индукции Br к максимальной индукции Bmax, под которой понимают индукцию при напряженности поля, в 5-10 раз превышающую
коэрцитивную силу. Это отношение достигает 0,85-0,99. Коэрцитивная сила таких пермаллоев лежит в пределах от 1 до 30 А/м. Магнитные свойства пермаллоев в сильной степени зависят от технологии их изготовления. Ферритами называют ферромагнитные материалы, получаемые из смеси окислов железа, цинка и других элементов. При изготовлении магнитопроводов смесь размалывают, прессуют и отжигают при температуре около 1200 0С;
таким образом, получают магнитопроводы нужной формы. Ферриты обладают очень большим удельным сопротивлением, вследствие чего потери из-за вихревых токов чрезвычайно, малы и их можно применять при высокой частоте. Ферриты обладают значительной начальной магнитной проницаемостью, незначительной индукцией насыщения(0,18 – 0,32Тл) и малой коэрцитивной силой (8 – 80 А/м).
Магнитодиэлектрики – это материалы, получаемые из смеси мелкозернистого ферромагнитного порошка с диэлектриком (поливинилхлорид, полиэтилен). Смесь формуют, прессуют и запекают; в результате мельчайшие частицы ферромагнетика оказываются разделенными электроизолирующей пленкой из немагнитного материала. Ферриты и магнитодиэлектрики широко применяются в качестве сердечников в аппаратуре проводной и радиосвязи, в магнитных усилителя, вычислительных машинах и в других областях техники. В настоящее время ведутся разработки новых видов магнито-мягких материалов. Одним из таких видов является ленточный магнитопровод разработанный фирмой ГАММАМЕТ® — гаммамет® 412А. Магнитопроводы ГАММАМЕТ® 412А изготавливаются из ленты толщиной 25 мкм с нанокристаллической структурой. Лента получается методом быстрой закалки из сплава на основе железа. Магнитопроводы после термической обработки в продольном магнитном поле имеют высокую прямоугольность
петли магнитного гистерезиса (см. рис. 7) и низкие удельные магнитные потери. Предельные значения температуры окружающей среды от -60 °С до +125°С. Полный срок службы магнитопроводов – 30 лет. Технические условия обеспечивают коэффициент прямоугольности Br/B10>0,85. Магнитопроводы ГАММАМЕТ® 412А заменяют магнито-мягкие железоникелевые сплавы и ферриты с прямоугольной петлей магнитного гистерезиса. Область применения: магнитные усилители, импульсные трансформаторы,
дроссели насыщения, магнитные ключи. |Таблица №1 |"Магнитные свойства некоторых магнито-мягких материалов". | В таблице приведены данные о магнитных свойствах некоторых магнито- мягких материалах. Такие материалы намагничиваются в относительно слабых магнитных полях и обладают высокими значениями начальной µн и максимальной µmax магнитных проницаемостей, малым значением коэрцитивной силы
Hc . Значения Bmax – максимальной магнитной индукции – соответствует намагниченности насыщения ферромагнетиков. К магнитно-твердым материалам относятся: углеродистые, вольфрамовые, хромистые и кобальтовые стали; их коэрцитивная сила 5000-8000 А/м, остаточная индукция 0,8 – 1Тл. Они обладают ковкостью, поддаются прокатке, механической обработке и выпускаются промышленностью в виде полос или листов. К магнитно-твердым материалам, обладающим лучшими магнитными свойствам, относятся сплавы: альни, альниси, альнико и др. Они характеризуются коэрцитивной силой Hc =20 000(60 000 А/м и остаточной индукцией Br=0,4(0,7 Тл. |Таблица №2 |"Магнитные свойства некоторых магнито-твердых материалов". | В таблице приведены основные данные о магнитных свойствах некоторых магнито-твердых материалов. Эти материалы намагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях и обладают большими значениями
коэрцитивной силы Hc, большой остаточной магнитной индукцией Br, большими значениями плотности энергии магнитного поля ?=Br ?Hc и сравнительно малыми значениями магнитной проницаемости. Большой вклад в экспериментальное изучение свойств ферромагнетиков внес А. Г. Столетов. Предложенный им экспериментальный метод заключался в измерении магнитного потока
Фm в ферромагнитных кольцах при помощи баллистического гальванометра. Тороид, первичная обмотка которого состояла из N1 витков, имел сердечник из исследуемого материала (например, отожженного железа). Вторичная обмотка из N2 витков была замкнута на баллистический гальванометр G (рис. А). Обмотка N1 включалась в цепь аккумуляторной батареи
Б. Напряжение, приложенное к этой обмотке, а, следовательно, и силу тока I1 в ней можно было изменять с помощью потенциометра R1. Направление тока изменялось посредством коммутатора К. При изменении направления тока в обмотке N1 на противоположное, в цепи обмотке N2 возникал кратковременный индукционный ток и через баллистический гальванометр проходил электрический
заряд q , который равен отношению взятого с обратным знаком изменения потокосцепления вторичной обмотки к электрическому сопротивлению R в цепи гальванометра: Если сердечник тонкий, а площадь поперечного сечения равна S, то магнитная индукция поля в сердечнике Напряженность магнитного поля в сердечнике вычисляется по следующей формуле где Lср – средняя линия сердечника. Зная B и H можно найти намагниченность Рассмотрим еще один способ экспериментального изучения свойств ферромагнетиков (на наш взгляд один из наиболее наглядных). Данный метод аналогичен предыдущему, но отличие состоит в том, что в место гальванометра применяется электронный осциллограф. При помощи осциллографа Осц (см. ниже схему) мы получаем наглядное подтверждение явления магнитного гистерезиса, наблюдая петлю на экране прибора.
Рассмотрим устройство экспериментальной установки. Напряжение снимаемое с потенциометра Rр пропорционально намагничивающему току I, а следовательно, напряженности поля в экспериментальном образце Эо. Далее, сигнал, снимаемый с реостата Rр, подается на вход (Х), т.е. на пластины горизонтального отклонения осциллографа. С входа интегрирующей цепочки (пунктирный прямоугольник на схеме) снимается напряжение
Uc, которое пропорционально скорости изменения магнитной индукции, т.е. подается на вход (Y) осциллографа, пластины вертикального отклонения. Рассмотрим работу интегрирующей цепочки. |Способ I, расчета магнитной индукции. | Известно, что емкость конденсатора можно вычислить по следующей формуле где dq – заряд, значение которого можно определить зная ток I Таким образом, напряжение на конденсаторе определяется по следующей формулой
При достаточно больших величинах сопротивления R[pic](по сравнению с сопротивлением остальной части цепи) напряжение на емкости Uc значительно меньше напряжения на клеммах AD (Uc Пиши отсюда. Лабораторная работа. Изучение свойств ферромагнитных материалов |Цель работы: |научится измерять электрические величины при помощи | | |электронного осциллографа; получение экспериментальной | | |зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного | | |поля. | |Оборудование: |электронный осциллограф С1—93, лабораторная установка | | |(технические данные которой приведены в приложении), | | |лабораторный автотрансформатор (ЛАТр), генератор | | |синусоидального сигнала ГЗ-103А, миллиметровая бумага, | | |линейка, калькулятор, источник питания с выходным | | |напряжением 0ч10 В. | |Задание I. |Подключение осциллографа. | | |Для начала произведем калибровку осциллографа. | | |Включите осциллограф. Оперируя ручками "яркость" и | | |"контрастность" сфокусируйте
луч таким образом, чтобы у Вас| | |на экране появилась точка. Затем на соответствующие входы | | |(вход (Х) и (Y)) подадим поочередно сигнал дискретной | | |величины (сигнал постоянного напряжения от выпрямительного | | |блока). При этом точка, полученная ранее на экране, должна | | |отклониться от своего первоначального положения. | | |Если Вы не наблюдаете точки на экране осциллографа, тогда | | |Вам необходимо уменьшить, либо
увеличить, чувствительность | | |осциллографа. Для этого установите переключатель регулятора| | |чувствительности для входа (Y) в требуемое положение. | | |Поворотом ручки регулятора напряжения на выпрямительном | | |блоке добейтесь того, чтобы точка на экране осциллографа | | |отклонилась на одну клетку (на экране осциллографа есть | | |соответствующая сетка делений). | | |Зафиксируем положение точки и запишем соответствующие | | |показания вольтметра на блоке питания. Полученное значение | | |напряжения (вольт/деление) и будет
нашей чувствительностью | | |на соответствующих входах. | | |При этом необходимо помнить, что чувствительность по (Х) не| | |изменяется, а по (Y) для каждого случая соответствует | | |определенное положение переключателя чувствительности | | |осциллографа . | | |Согласно схеме (см. приложение, схема электрическая) | | |подключите соответствующие выводы лабораторной установки к | | |входам осциллографа. | |Задание II. |Изучение ферромагнитных свойств феррита. | | |В качестве исследуемого образца используется феррита | | |М2000НМ К20х12х6. | | |Произведите калибровку входа (Y) осциллографа. В начале | | |установите регулятор чувствительности осциллографа в | | |положение 0,02 в/дл, а затем от калибруйте его, по | | |приведенной выше методике. | | |Запишите значение чувствительности осциллографа по входам | | |(Х) и (Y) в таблицу. | | |После калибровки осциллографа, установите тумблер в | | |положение 0, на лабораторной установке. | | |Подключите соответствующие выходы генератора частот к входу| | |лабораторной
установки, т.е. к входным клеммам. При этом на| | |генераторе частот должны быть установлены следующие | | |параметры: | | |Частота генератора синусоидального сигнала должна быть | | |равной 20 кГц; | | |Показание выходного напряжения равно 15 В; | | |Нагрузочное сопротивление Rнаг= 50 ?; | | |Включите генератор частот и установите тумблер в положение | | |I, на лабораторной установке. | | |При этом на экране осциллографа Вы должны получить | | |экспериментальную зависимость
магнитной индукции от | |напряженности магнитного поля (петля гистерезиса). | | |Постарайтесь добиться, того чтобы полученная петля занимала| | |большую часть экрана осциллографа и имела участки | | |насыщения. Для этого поворотом ручки регулятора частот, на | | |генераторе частот, добейтесь наиболее подходящего | | |положения. | | |Зарисуйте полученную петлю и расставьте на ней | | |соответствующие точки (Hmax , Bmax , Hc , Br). | | |Определите для этих точек значение напряжения, исходя из | | |известной чувствительности
осциллографа. | | |Запишите полученные данные в таблицу. | |Задание III. |Изучение ферромагнитных свойств электротехнической стали. | | |В качестве исследуемого образца используется магнитопровод | | |трансформатора ТВК-90-ПЦ-5. | | |Произведите калибровку осциллографа по входу (Y), при этом | | |регулятор чувствительности осциллограф должен быть | | |установлен в положение 2,0 В/дл. | | |Запишите значение чувствительности осциллографа по входам | | |(Х) и (У) в таблицу, в раздел для данного случая. | | |Установите тумблер в положение 0. | | |Подключите ЛАТр к входу установки, при этом установите | | |регулятор напряжения на значение U=56В. | | |Включите установку, переключите тумблер в положение II. | | |Обратите внимание: | | |ни в коем случае не следует включать ЛАТр при положении | | |тумблера в позиции I. | | | | | |Проделайте те же самые измерения, что и для
задания II. | | |Зарисуйте петлю для данного случая. И занесите | | |соответствующие данные в ниже приведенную таблицу. | |Задание IV. |Расчет магнитных величин. | | |Занесем полученные данные в таблицу. | | |Феррит |Электротехническая сталь | |Чувствительность по | | |(Х), в/дл. | | |Чувствительность по | | | |(У), в/дл. | | | |LCр | | | |S | | | |? 1 | | | |? 2 | | | |R | | | |C | | | |BUmax, в/дл | | | |HUmax, в/дл | | | | | |Продолжение
таблицы > | |BUr, в/дл | | | |HUc, в/дл | | | |Bmax | | | |Hmax | | | |Br | | | |Hc | | | |?max | | | Где B и H определяются по следующей формуле BU — показание осциллографа по (Y), т.е. значение чувствительности по входу (Y) умножают на количество делений которым соответствует отклонение луча; HU — показание по (Х). LCр — средняя магнитная линия, жирная пунктирная линия на рисунке ниже; S — площадь поперечного сечения. Rр — сопротивление реостата,
Rр = 8 LCр и S определяются по рисункам ниже: |Для электротехнической стали |Для феррита | |Размеры указаны в мм. |размеры указаны в мм. | Значение R,С и ?1, ?2 определятся по данным приведенным в приложении. ?max — значение магнитной проницаемости, рассчитывается по следующей формуле: где ?0 — магнитная постоянная, ?0=4 10 –7 [Гн/м]. Вопросы: 1. Дайте определение ферромагнетика. 2. В чем заключается явление магнитного гистерезиса. 3. Объясните и покажите на полученных графиках характерные величины (Hmax и Вmax). Дайте их определение. 4. Каков характер зависимости магнитной индукции и напряженности магнитного поля в цепях постоянного тока? 5. Как повлияет на петлю магнитного гистерезиса изменение частоты питающего напряжения. 6. Расскажите о магнито-твердых и магнито-мягких материалах. В чем заключается их отличие. 7. Из каких материалов изготавливают постоянные магниты.
Литература. 1. "Курс физики", А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. 2. "Теоретическая электротехника", В. С. Попов. 3. "Курс физики", Т. И. Трофимова. 4. "Физика", Д. Джанколи, том II. 5. "Физический практикум", под редакцией проф. В.
И. Вероновой. Приложение. Схема установки /общий вид/. |Обозначение |Название элемента, тип |Тех. Характеристики | |Тр2 |Трансформатор ТВК-90-ПЦ-5 |?1=173; ?2=64 | |Rр |Реостат |R=8?; P=25W | |C2 |Конденсатор МБГЧ-1 |С=2мкФ; Uраб=250В | |R2 |Сопротивление МЛТ-2 |R=6,2к? | |Тр1 |Феррит М2000НМ К20х12х6 |?1=5; ?2=5 | |R1 |Сопротивление МЛТ-2 |R=1,3к? | |C1 |Конденсатор МБМ |С=0,5мкФ; Uраб=160В | |Тмб |Тумблер трехпозиционный с нейтральным|II-0-I
| | |положением. | | Схема установки /электрическая/ . Список используемой литературы. 1. А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. "Курс общей физики". — М.: Высшая школа, 1989г. 2. В. И. Иверонова и др. "Физический практикум". — М.: Физико- математическая литература,
1962г. 3. В. С. Попов. "Теоретическая электротехника". — М.: Энергоатомиздат, 1990г. 4. Т. И. Трофимова. "Курс физики". — М.: Высшая школа,1998г. 5. Д. Джанколи. "Физика". Том II. — М.: Мир, 1989г. 6. Г. Г. Рекус, В. Н. Чесноков. "Лабораторные работы по электротехнике и основам электроники". — М.: Высшая школа, 1989г.