ЛР № 7. Вивчення властивостуй феромагнітних матеріалів.

Теоретичні відомості.

Феромагнетики - це речовини, які мають велику магнітну проникність. У пара- і діамагнетиків магнітна проникність відрізняється від одиниці на величину10^-4...10^-5. У феромагнетиків магнітна проникність значно більше
одиниці: звичайні сталі мають кілька сот, а у деяких сплавів магнітна проникність доходить до 10⁶.

До феромагнетиків відносяться: залізо, нікель, кобальт, гадоліній, їх чисельні сплави з іншими металами, а також неметалічні речовини (ферити).

Магнітна індукція В і напруженість магнітного поля Н неоднозначно зв'язані одне з другим: індукція В залежить не тільки від напруженості магнітного поля Н, але і від " історії” зразка. Зв'язок між магнітною індукцією і напруженістю магнітного поля типового феромагнетика показаний на рис.1

Якщо прикладати магнітне поле до розмагніченого зразка, то його намагнічування відбувається по деякій кривій, яка виходить з початку координат. Цю криву називають основною кривою намагнічування.

Вектор В індукції результуючого магнітного поля в намагніченому зразку дорівнює векторній сумі магнітних індукцій зовнішнього і внутрішнього полей:

В =В₀ + В_вн

де: В₀ - магнітна індукція поля в вакуумі;

В_вн - магнітна індукція внутрішнього поля.

На основній кривій намагнічування можна відмітити деяку напруженість магнітного поля, при якій різко сповільнюється зростання індукції. Настає стан магнітного насичення. При цьому всі області матеріалу, які мають свій напрямок магнітного поля (домени), зорієнтовані в напрямку зовнішнього магнітного поля.

Магнітним гістерезисом феромагнетиків називається відставання зміни магнітної індукції В від зміни напружено зовнішнього намагнічуючого поля. Магнітний гістерезис – наслідок необоротних змін при намагнічуванні та перемагнічуванні. Петлею гістерезису (рис.1) називається крива зміни магнітної індукції феромагнітного тіла, розміщеного в зовнішньому магнітному полі при зміні напруженості останнього від +H_S до –H_s і навпаки, де Н - напруженість магнітного поля, яка відповідає насиченню. Магнітна індукція, яка досягається при напруженості зовнішні нього поля ± Н_s, називається індукцією насичення. Магнітна індукція ± В_r, яка зберігається в зразку після зменшення напруженості поля від ± Н_s до 0, називається залишковоюіндукцією. Залишкова індукція залежить від складу і термообробки феромагнетика. У магніто-жорстких зразків, з яких виготовляють постійні магніти, В може мало відрізнятись від індукції насичення. Напруженість Н зворотнього поля, яке доводить магнітну індукцію до нуля, називається коерцитивною силою, У магніто-жорстких зразківН_с перевищує 10 кА/м.

Форма кривих гістерезису залежить від частоти і визначаєтьсяне тільки магнітними властивостями речовини, але і значенням струмів Фуко, які швидко зростають з частотою. З підвищенням частоти криві гістерезису розширюються у відповідності із збільшенням втрат, " Динамічна петля" гістерезису (петля ) завжди ширша " статичної" (петлі, знятої при повільній зміні Н).

Площа петлі гістерезису з певному масштабі пропорційна no-тужності втрат за один цикл перемагнічування зразка.

Магнітною проникністю m називають або відношення В/Н, або похідну В по Н; в першому випадку говорять про повну, а в другому - про диференціальну магнітну проникність речовини:

m=B/m₀H; m=1/m₀*dB/dH

де: - магнітна стала, яка дорівнює в СІ 4p*10^-7 Гн/м. Магнітну індукцію зручно визначати за допомогою ЕРС, яка виникає при зміні магнітного потоку Ф в котушці:

(1)

Нехай котушка щільно охоплює зразок і індукція В у зразку однорідна. В цьому випадку Ф=SB, де S - площа витка, N - число витків у вимірювальній обмотці.

Підставивши це значення у формулу (1) після інтегрування

знаходимо

Таким чином, для визначення В треба проінтегрувати сигнал,
наведений змінним магнітним полем на вимірювальну котушку, намотану на зразок.

Для дослідження феромагнетиків беруть зразки тороїдальної форми. Ця форма характерна тим, що величина напруженості магнітного поля всередині зразка дорівнює напруженості зовнішнього магнітного поля, яке виникає при протіканні струму в намагнічуючій обмотці зразка.

В даній роботі досліджуються магнітні матеріали за допомогою

осцилографа. Схема установки для дослідження феромагнітних матеріалів приведена на рис.2. Робота схеми відбувається наступним чином. Напруженість магнітного поля в досліджуваному зразку пропорційна струму в намагнічуючій обмотці W₁, яка жи­виться генератором (автогенератором), Ця пропорційність виникає із співвідношення:

(2)

але, так як U_R0 = I*R₀, то напруга на активному опорі R₀ про­порційна напруженості магнітного поля

Напруга, яка знімається е активного опору R₀ подається на горизонтальні пластини осцилографа.

В обмотці W₂ зразка виникає ЕРС під дією магнітного поля, яка дорівнює Е₂ = W₂ S dB/dt, де S – площа перерізу зразка.

На вертикальні пластини подається напруга U_н, яка знімається з ємності С_н, пропорційна вторинній ЕРС. Напругу на конденсатoрі можна підрахувати по формулі:

де: С_Н - ємність конденсатора iндукуючої ланки;

і - струм в інтегруючій ланці.

Величини R_Н і C_Н вибирають так, що R_Н»1/wC_Н, це значить, і = Е₂/R_Н, де: R_Н - опір інтегруючої ланки.

Для того, шоб напруга, прикладена до вертикального входу
осцилографа була пропорційна індукції в зразку за весь nepioд
перемагнічування, необхідно проінтегрувати ЕРС по часу. З враху
ванням попередніх формул вираз для U_Н приймає наступний вигляд:

(3)

Напруга U_Н, пропорційна магнітній індукції в зразку магнітного матеріалу, подається на систему вертикального відхилення променів осцилографа.

При одночасній дії U_Ro і U_Н на екрані утворюється крива залежкості В від Н - гістерезисний цикл. Геометричне місце точок вершин гістерезисних циклів, отриманих при різних напруженостях, дає основну криву намагнічування.

Рис.2

Градуювання осей осцилографа.

Градуювання горизонтальної осі осцилографа проводиться по граничній петлі гістерезису таким чином. Відмикаємо від вертикального входу осцилографа провідники, що з'єднують осцилограф зі схемою, і при допомозі вольтметра (В7-16А) вимірюємо напругу безпосередньо на вхідних клемах горизонтальної напруги (" вхід" - " земля" підсилювача “Х”).

Вимірюємо відстань від центру екрану до краю граничної гістерезисної петлі по горизонтальній осі. (При граничному гістерезисному циклі і відімкненому вертикальному вході края граничної петлі чітко видно на горизонтальній лінії розгортки).Градуювання вертикальної осі осцилографа проводиться аналогічно: відключають горизонтальний вхід осцилографа і вимірюють напругу на вертикальному вході осцилографа вольтметром (В7-16А).

Масштаб горизонтальної осі осцилографа обчислюється за формулою:

(4)

де: h - масштаб горизонтальної осі осцилографа; Ам^-1 /под.;

W₁ - число витків первинної обмотки;

U_Ro -напруга на горизонтальному вході осцилографа;

R₀ - величина зразкового опору, Ом;

r_сер.- середній радіус зразка, см;

х - число поділок, на яке відхилився промінь при градуюванні горизонтальної осі осцилографа.

Обчислення масштабу вертикальної осі осцилографа npoводится за формулою:

(5)

де: U_н - напруга на вертикальному вході осцилографа, B;

R_Н - опір, Ом;

b - масштаб вертикальної осі осцилографа, Тл/под.;

Сн - ємність конденсатора, Ф;

S - плоша перерізу зразка, см²;

Y - число поділок, на яке відхилився промінь.

Порядок виконання роботи.

1. Збираю схему.