Теоретические сведения

ч. 1

Министерство образования и науки Украины

Севастопольский национальный технический университет

Факультет радиоэлектроники

Кафедра радиотехники


ОТЧЁТ
по лабораторной работе:

Исследование параметров

магнитных материалов

осциллографическим методом”

по дисциплине


ХИМИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОМАТЕРИАЛЫ”

Выполнил: студент группы Р-12д

Синчук Э.О.



Проверил: Лукъянченко Г.А.

Севастополь

2011

цель работы
Работа имеет своей целью:

-изучить влияние химического состава и технологии производства на магнитные свойства материалов;

-изучить осциллографический метод экспериментального исследования динамических характеристик магнитных материалов;

-систематизировать, закрепить и углубить теоретические и практические знания по изучаемой дисциплине.


ТЕОРЕТИЧЕСКие сведения




Краткие теоретические сведения о магнитных материалах

Общие требования к магнитомягким материалам можно сформулировать следующим образом:

1) материал должен легко намагничиваться и размагничиваться, т.е. петля гистерезиса должна быть узкой, чему соответствует малое значение коэрцитивной силы и большое значение начальной и максимальной магнитной проницаемости;

2) материал должен обладать большой индукцией насыщения, т.е. обеспечивать прохождение максимальной величины магнитного потока через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. При выполнении этого требования можно получить наименьшие габариты и массу устройства;

3) при работе в переменных полях изделия из магнитомягкого материала должны иметь возможно меньшие потери, которые складываются из потерь на гистерезис, вихревые токи и магнитное последействие. Потери определяют рабочую температуру изделия. Снижение потерь обеспечивает повышение энергетического к.п.д., позволяет увеличить рабочую индукцию, что способствует уменьшению массы и габаритов устройства.

Существенными факторами являются также линейность кривой намагничивания (на определенном участке), прямоугольность петли гистерезиса и др.

В данной лабораторной работе исследуются три вида магнитомягких материалов: электротехническая сталь, железо-никелевый сплав - пермаллой и магнитный полупроводник - феррит.

Электротехническая сталь 3411 (холоднокатаная, текстурованная с содержанием кремния до 3,8%) имеет наклонную петлю гистерезиса. Существенное влияние на свойство стали оказывает кремний. Однако, значительно повысить частотный предел применения стали его использование не позволяет (ГОСТ 21427-78).



Пермаллой - это железо-никелевый сплав с высокой магнитной проницаемостью. Введение никеля в количестве от 30 до 82% оказывает существенное влияние на свойства сплавов, а именно: резко увеличивает магнитную проницаемость, повышает антикоррозийные свойства, увеличивает чувствительность к пластическим деформациям и снижает величину удельного электросопротивления, что ведет к увеличению потерь на вихревые токи. Пермаллой имеют крутую или прямоугольную петли гистерезиса.

В работе исследуются сплавы 50Н, 50НХС, 79НМ (по заданию преподавателя): 50Н - нелегированный низконикелевый пермаллой с содержанием 50% никеля; 50НХС - низконикелевый пермаллой с содержанием никеля 50%, легированный хромом и кремнием; 79НМА - высоконикелевый пермаллой (79% никеля), легированный молибденом (3,8-4,1%).



Ферриты - это соединения окиси железа с окисями других металлов. Ферриты представляют собой окисные полупроводники, обладающие магнитными свойствами.

В работе исследуются ферриты 1,ЗВТ; 0.9ВТ; ЗВТ. Феррит 1,ЗВТ содержит окиси магния, марганца, железа; феррит 0.9ВТ окиси магния, марганца, железа, цинка, кальция; феррит ЗВТ -окиси лития, магния, марганца, железа. Все вышеперечисленные ферриты имеют прямоугольную петлю гистерезиса, обладают коэрцитивной силой 1,3; 0,9; 3 эрстеда соответственно и имеют основное применение в устройствах вычислительной техники (ВТ) и автоматики.

Для разработки электромагнитной аппаратуры с оптимальными в заданных условиях работы параметрами необходимо знание статических и динамических характеристик магнитных сердечников. В переменных полях по достижении определенных конечных скоростей (частот) изменения Н и В характеристики перемагничивания подвергаются существенному влиянию:

-вихревых токов;

-магнитной вязкости (временного запаздывания изменения В по сравнению с изменением Н при практическом отсутствии макроскопических вихревых токов);

-аккомодации, т.е. приспособления вещества к изменениям намагниченности;

-резонансных эффектов, обуславливающих реагирование магнитных моментов атомов и ядер на некоторые определенные частоты внешнего поля;

-других факторов.

Петля перемагничивания, полученная в переменном поле, называется динамической, а кривая намагничивания, проходящая через вершины симметричных динамических петель, - динамической кривой намагничивания. Основными динамическими характеристиками сердечников на переменном токе являются:

динамическая петля гистерезиса; кривая намагничивания; комплексная магнитная проницаемость; удельные потери.

Если статические характеристики замкнутых тороидальных сердечников можно считать характеристиками материала, то характеристики тех же сердечников на переменном токе зависят не только от магнитных свойств материалов, но и от многих других факторов.

Так как перемагничивание в переменном поле связано не только с потерями на гистерезис, как в квазипостоянных полях, но и с потерями на вихревые токи и, при определенных условиях, с потерями на магнитное последействие, то динамическая петля больше по площади и шире статической.

Динамическая петля перемагничивания может значительно отличаться по форме от статической, так как ее вид зависит от формы, величины, амплитуды и частоты перемагничивающего поля, материала и толщины пластин сердечника, наличия или отсутствия на сердечнике вторичных нагруженных обмоток и др. Динамическая петля имеет форму эллипса при низких значениях индукции, когда функция B(t) и Н(t) практически синусоидальны; еще более эллиптической петля становится с ростом частоты; напоминает статическую при средних значениях индукции и низкой частоте, когда основную роль в процессе перемагничивания играют потери на гистерезис; отдаляется по форме от статической при высоких значениях индукции насыщения, когда растут потери на вихревые токи. При росте потерь на вихревые токи характерным отличием динамической петли от статической является широкий и закруглённый "носик".

Одной из основных статических характеристик сердечников является предельная петля перемагничивания (гистерезиса). Аналогичное понятие применительно к динамической петле перемагничивания на переменном токе, строго говоря, отсутствует, так как с ростом амплитуды напряженности поля, превышающей напряженность технического насыщения в статическом режиме, предельная петля перемагничивания неуклонно увеличивается за счет возрастания потерь, вызванных повышением скорости перемагничивания сердечника. Поэтому следует говорить о динамической петле перемагничивания при определенной амплитуде Нmax поля, заданной форме и частоте. В частных случаях, когда пренебрежимо малы вихревые токи, вследствие то ли низкой частоты поля, то ли высокого, как, например, у ферритов удельного электрического сопротивления, то ли незначительной толщины ленты, а магнитным последействием из-за низкой скорости перемагничивания можно пренебречь, динамические петли на переменном токе оказываются квазистатическими.


Описание метода исследования магнитных характеристик материалов.
Для экспериментального определения динамических характеристик применяется осциллографический метод. Уступая другим методам в точности измерений, осциллографический метод, погрешность которого (7-10%), выгодно отличается по трудоемкости и не имеет равных по наглядности, возможности не только измерять, но и визуально наблюдать влияние различных факторов - частоты, температуры, механических напряжений и др. - на характеристики в широких пределах их изменения. Структурная схема установки для получения на экране осциллографа динамических петель перемагничивания тороидальных сердечников показана на рисунке 1.

Из закона электромагнитной индукции следует [2], что



. (1)

Откуда изменение во времени магнитной индукции в сердечнике определяется интегралом



,

где мгновенное значение ЭДС, наводимое во вторичной обмотке; W2- число витков во вторичной обмотке;



Ф- магнитный поток, Вб;

В- мгновенное значение магнитной индукции, Тл;

S- площадь поперечного сечения исследуемого образца, м2.


Если отсутствует подмагничивание постоянным магнитным полем, то постоянная интегрирования равна нулю. Подавая е2(t) на зажимы цепи из последовательно соединенных резистора R и конденсатора С, при R>>1/c-получим простейший интегратор, ибо в каждый момент времени напряжение на емкости UC с определенной точностью будет пропорционально мгновенному значению магнитной индукции в сердечнике [1]:
; ; ,

где С- электрическая емкость конденсатора, Ф; - электрический заряд между обкладками конденсатора С, Кл; i(t)2 - мгновенное значение тока во вторичной обмотке, А. Тогда


.

Максимальное значение напряжённости намагничивающего поля замкнутой магнитной цепи за период , определяющееся по формуле:


,

где - максимальное значение за период намагничивающего тока; -средняя длина магнитной цепи; W1 – число витков намагничивающей обмотки.

Напряжение Uc подаётся на вход Y осциллографа. На вход Х подаётся напряжение Ur max (с эталонного сопротивления r=1 Ом, включённого последовательно в намагничивающую обмотку).

, (2)

где Imaxамплитудное значение тока в первичной обмотке.

При одновременном приложении этих напряжений к горизонтальным и вертикальным пластинам осциллографа на его экране получится кривая, характеризующая зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля.

Таким образом, на экране осциллографа будет виден гистерезисный цикл испытуемого образца магнитного материала. Геометрическое место точек вершин гистерезисных циклов, полученных при различных напряжениях, дает динамическую кривую намагничивания.

Пусть

.
Тогда мгновенное значение э.д.с. индукции
.

С другой стороны

,
где S – площадь поперечного сечения образца.
В результате

.
Во вторичную обмотку стенда включен вольтметр действующих значений. Поэтому теперь следует определить действующее значение э.д.с. индукции.

,
откуда

. (3)
Описание лабораторной установки
Лабораторная установка состоит из звукового генератора Г3-33, подключенного к первичной обмотке трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора нагружена на RC цепочку. Исследуемые образцы в виде тороидов поочередно подключаются к обмоткам с помощью галетного переключателя. Напряжение с образцового сопротивления r подается на вход “Х”, а напряжение с конденсатора С на вход “Y” электроннолучевого осциллографа.
РАССЧЁТЫ
Si = 2 HС * 2 Br
KН = Br / Bs
Таблица – результаты измерений и расчетов для стали.



Частота

f, Гц


Bs

Тл


Br

Тл


HС

KН

Si

Si/ S1

50

30

20

5

0,66

400

1

100

35

26

12

0,74

1248

3,12

150

40

30

18

0,75

2160

5,4

Таблица – результаты измерений и расчетов для феррита.




Частота

f, Гц


Bs

Тл


Br

Тл


HС

KН

Si

Si/ S1

50

30

25

5

0,33

500

1

100

30

27

5

0,9

540

1,08

300

30

29

5

0,96

580

1,16

Таблица – результаты измерений и расчетов для пермаллоя.



Частота

f, Гц


Bs

Тл


Br

Тл


HС

KН

Si

Si/ S1

50

30

22

5

0,73

440

1

100

40

27

7

0,675

756

1,72

300

40

30

10

0,75

1200

2,73

ч. 1