Мета роботи: вивчення магнітних характеристик феримагнетика, вимірювання параметрів петлі гистерезиса В (Н) фериту за допомогою осцилографа.
Прилади й приналежності: лабораторний макет, осцилограф ОСУ-20, генератор низької частоти GAG-810.
Ферити відносяться до групи сильномагнітних речовин, що володіють яскраво вираженими магнітними властивостями. Під магнітними властивостями розуміється здатність речовини здобувати магнітний момент, т. Е. Намагнічуватися при впливі на нього магнітного поля. Магнітні властивості речовини характеризуються Магнітною сприйнятливістю:
Де J - Вектор намагніченості в магнітному полі напруженістю Н. який являє собою магнітний момент одиниці фізично малого обсягу V речовини:
У вираженні (2) # 931; PI - векторна сума магнітних моментів атомів (молекул) в обсязі V.
За значенням магнітної сприйнятливості # 967; речовини діляться на групи. Магнітна сприйнятливість феро - і феримагнетиків відрізняється великими значеннями (до 106) і нелінійно залежить від напруженості магнітного поля Н і температури. Такі високі значення # 967; обумовлені спонтанної намагніченістю цих речовин, т. е. мимовільним упорядкуванням елементарних магнітних моментів з утворенням результуючого магнітного моменту навіть під час відсутності зовнішнього магнітного поля.
Як феромагнітних матеріалів використовується, і рідкоземельні елементи. Ферити (як і інші магнітні оксиди) - Феримагнетики (неметалеві ферромагнетики). Вони являють собою з'єднання типу MeO · Fe2O3, де Ме - катіони двовалентних металів Mn, Ni, Cu, Mg, Co, Zn, Cd, Fe. На відміну від ферромагнетиков ферити мають велике електричний опір, що дозволяє мати істотно менші втрати на вихрові струми і використовувати їх на високих частотах.
Ферро - і феримагнетики утворюють групу магнітовпорядкованих речовин. Мимовільне магнітовпорядкованих стан речовини обумовлено електростатичним (кулоновим) взаємодією електронів атомів. Ця взаємодія має квантову природу, воно пов'язане з обміном електронами між атомами і тому називається Обмінним. Обмінні сили орієнтують магнітні моменти електронів паралельно один одному. В результаті виникають малі області мимовільної намагніченості - Домени. кожна з яких при температурах нижче точки Кюрі намагнічена до насичення. При відсутності зовнішнього магнітного поля феро - і феримагнетики як правило розмагнічені, оскільки напрямки намагнічування в окремих доменах різні і повний магнітний момент дорівнює нулю.
При появі і збільшенні зовнішнього магнітного поля кордону між доменами зміщуються, зростає обсяг доменів, у яких вектор намагніченості більше збігається з вектором Н зовнішнього поля (гострий кут), і зменшується обсяг доменів, у яких вектор намагніченості менш збігається з вектором Н зовнішнього поля (тупий кут). При достатній величині поля "невигідні" домени зникають зовсім. Потім починає змінюватися напрямок магнітного моменту усередині домена, і, нарешті, в сильному полі моменти всіх доменів установлюються паралельно полю: феримагнетика (так само як і феромагнетик) намагнічений до насичення.
Відмінність феримагнетиків від ферромагнетиков полягає в наступному. У феромагнетиках обмінна взаємодія призводить до впорядкованої орієнтації власних (спінових) магнітних моментів атомів (Прямий обмін). У феримагнетиках магнітоактивного катіони металів розділені великими по діаметру аніонами кисню. Оскільки ймовірність електронного обміну між катіонами швидко зменшується з відстанню, а відстань між ними велике, то згідно моделі Л. Нееля, між катіонами існують обмінні взаємодії через іони кисню, що знаходяться в збудженому стані (Непрямий обмін). Л. Нєєль запропонував розглядати структуру феримагнетика складається з декількох (двох і більше) магнітних подрешеток. Непрямий обмін призводить до антипараллельной орієнтації магнітних моментів іонів відповідних подрешеток. Результуючий магнітний момент є векторною суму парціальних магнітних моментів подрешеток і може дорівнювати нулю (антиферромагнетик) або відмінний від нуля (в межах домену) в феримагнетиках.
Магнітна індукціяВ в магнетику складається з індукції # 956; 0Н. створюваної намагничивающей котушкою зі струмом, і індукцією, створюваної намагниченностью самого магнетика:
де # 956; 0 = 4π · 10-7 Гн / м - Магнітна постійна, # 956; = 1 + # 967; - Магнітна проникність речовини. Магнітна проникність в речовині # 956; показує у скільки разів магнітна індукція в магнетику більше, ніж у вакуумі.
Значення індукції В в фериті (як і в ферромагнетике) залежить не тільки від величини Н. але від попередніх станів намагнічування: зміна індукції відстає від зміни напруженості. Це явище називається магнітним гістерезисом. Крива залежності В (Н) при циклічному перемагничивании називається Петлею гистерезиса (мал. 1).
Існують Повний або граничний (петля 1 на рис.1) і Приватні (петлі 2 на рис. 1) Цикли перемагничивания. Лінія, що з'єднує вершини приватних симетричних петель гистерезиса, називається Основний кривої індукції (крива 3 на рис. 1).
Для отримання повного циклу феррит перемагничивают до насичення (від ВS до -ВS), і величина В змінюється по Повної (зовнішньої) Петлі. ВR - залишкова індукція, НС - коерцитивної сила (величина напруженості, яка знімає залишкову індукцію).
Для отримання приватного циклу необхідно, щоб напруженість зовнішнього поля не досягала значення НS. Таких циклів можна отримати безліч для різних максимальних Н.
При намагнічуванні будь-якого магнетика відбувається робота. Для магнетика з гістерезисом при кожному циклі перемагнічування в кожну одиницю об'єму магнетика вводиться енергія рівна площі петлі гістерезису. Ця енергія переходить в тепло, яке треба враховувати при розрахунку електротехнічних пристроїв змінного струму, що містять магнетики з гістерезисом.
Опис лабораторної установки
Для вимірювання параметрів петлі гистерезиса В (Н) фериту за допомогою осцилографа використовується лабораторна установка, схема якої представлена на рис. 2.
На рис. 2 цифрами позначено: 1 - кільцевий сердечник з досліджуваного фериту з двома обмотками, 2 - Резистор в ланцюзі первинної обмотки, 3 - RC-ланцюжок в колі вторинної обмотки, 4 - лабораторний макет, 5 - осцилограф ОСУ-20, 6 - генератор низької частоти GAG-810.
Досліджуваний сердечник - магнитомягкий марганцево-цинковий ферит марки М1500НМ1, який представляє собою твердий розчин фериту марганцю (MnOFe2O3) і фериту цинку (ZnOFe2O3). Точка Кюрі (Нееля), відповідна температурі переходу в парамагнітний стан становить # 952; К = 200 ° С.
Сердечник конструктивно виконаний у вигляді кільця прямокутного перерізу К20х12х6 (зовнішній діаметр - 20 мм, внутрішній - 12 мм, висота - 6 мм), ефективна довжина магнітної лінії L = 0,05 м, ефективна площа поперечного перерізу S = 24 · 10-6 м2 .
Параметри елементів макета: R 1 = 100 Ом, R 2 = 105 Ом, С = 10-6 Ф, кількість витків первинної (N 1) і вторинної (N 2) обмоток: N 1 = N 2 = 250.
На досліджуваний сердечник намотані дві обмотки (котушки) впритул до нього і один до одного. В цьому випадку можна вважати, що всі лінії індукції, створювані однією котушкою, пронизують і другу.
Первинна обмотка підключена до генератора синусоїдальної напруги. Напруженість поля, що намагнічує Н [А / м] первинної обмотки пропорційна току в ній:
Де I1 [А] - струм первинної обмотки.
У ланцюг первинної обмотки включений резистор R1, з якого знімається напруга U 1 І подається на підсилювач горизонтального відхилення осцилографа.
І позначаючи через Ах ціну поділки осцилографа по осі X в розмірності В / мм, отримуємо вираз для напруженості намагнічує поле Н [А / м]:
Де Kx = ахN 1 / R 1L [А / мм · м], X [мм] - координата по осі Х екрану осцилографа щодо початку розгортки (променевого плями при відсутності сигналу).
Напруга U 2 [В], наводимое на вторинній обмотці, так само:
Де В [Тл] - магнітна індукція в фериті.
Таким чином, магнітна індукція пропорційна інтегралу напруги U 2. Як інтегратора застосовується RC-ланцюг, постійна часу якої багато більше періоду вхідного сигналу.
Напруга на ємності виражається через струм в такий спосіб:
Оскільки за умовою інтегрування R2 >> 1 / # 969; C. і струм визначається опором R2, то UC одно:
Таким чином, магнітну індукцію можна виразити таким чином:
Подаючи на вхід підсилювача вертикального відхилення осцилографа напругу UC. пропорційне B. і позначаючи через АY ціну поділки осцилографа по осі Y в розмірності В / мм, маємо:
Де Ky = Аy · CR 2 / N 2S [Тл / мм], Y [мм] - координата по осі Y екрану осцилографа щодо початку розгортки (променевого плями при відсутності сигналу).
Значення статичної магнітної проникності визначається за формулою:
Порядок виконання роботи
1. Зберіть схему згідно рис. 2.
До точкам "X" макета слід підключати канал "CH1 (X)" осцилографа, до точок "Y" - канал "CH2 (Y)".
2. Увімкніть осцилограф і, почекавши кілька хвилин, за допомогою регулювань "POSITION X" і "POSITION Y" виведете світла пляма в центр екрану. Перемикач "TIME / DIV" повинен бути встановлений в положення "X-Y".
3. Увімкніть генератор, перемикач "ATTENUATOR (dB)" встановіть в положення "0", задайте частоту генератора 150 ... 200 Гц (значення 15 ... 20 за шкалою частоти і селекторних перемикач "FREQ. RANGE" в положенні "х10"). Перемикач форми вихідного сигналу "WAVE FORM" встановіть в положення "
"- синусоїдальна форма.
4. Встановіть регулятор "AMPLITUDE" генератора в крайнє праве положення. Перемикачами "VOLTS / DIV" осцилографа добийтеся того, щоб петля гистерезиса займала більшу частину екрану, при цьому регулятори "VARIABLE" повинні бути в крайньому правому положенні.
5. Якщо петля спотворена, поміняйте місцями висновки Y-каналу осцилографа. Якщо петля розташована в 2-4 чвертях екрану, натисніть кнопку "NORM / INV" осцилографа, щоб розташувати петлю в 1-3 чвертях. Регуляторами "POSITION X" і "POSITION Y» настройте положення петлі симетрично щодо середини екрану.
6. Визначте координату X в мм точки граничної петлі гістерезису при Y = 0, т. Е. Точки, відповідної коерцитивної силі НС. результат занесіть в табл. 1.
Примітка: робоча частина екрану складає 8х10 поділів, 1 розподіл становить 10 мм, кожний розподіл по осях шкали осцилографа розбите на 5 відрізків по 2 мм кожний.
7. Визначте координату Y в мм точки граничної петлі гістерезису при X = 0, т. Е. Точки, відповідної залишкової індукції ВR. результат занесіть в табл. 1.
8. срісуйте з екрану осцилографа граничний цикл петлі гистерезиса.
9. Визначте координати в мм вершини граничної петлі гістерезису X і Y щодо її центру або початку розгортки (лівий нижній кут екрану), результат занесіть в табл. 2.
10. Регулятором "AMPLITUDE" генератора отримаєте на екрані петлі меншого розміру (приватні цикли) і зніміть для них координати вершини. Виконайте таким чином кілька вимірів, поки петля неможливо стягнеться в точку. Результати занесіть в табл. 2.
11. Розрахуйте значення HC. H за формулою (7).
Примітка: значення Ах в розмірності В / мм визначається значенням за шкалою перемикача "VOLTS / DIV" каналу "CH1 (X)", поділеній на 10.
12. Розрахуйте значення ВR, В за формулою (14).
Примітка: значення АY в розмірності В / мм визначається значенням за шкалою перемикача "VOLTS / DIV" каналу "CH2 (Y)", поділеній на 10.
13. Розрахуйте значення # 956; за формулою (15).
14. Побудуйте графіки залежності основною кривою індукції В (Н) і # 956; (H).
15. На малюнку граничної петлі проставте на осях H і В шкали цих величин в размерностях А / м і Тл відповідно.
16. Оцініть за площею граничної петлі гістерезису роботу, що здійснюються за один цикл перемагнічування одиниці об'єму матеріалу зразка, враховуючи, що 1 Дж / м3 = 1 Тл · А / м.
1. Які фізичні величини використовують для характеристики магнітного поля?
2. Який зв'язок між напруженістю магнітного поля і магнітної індукції у вакуумі і в намагнічуються середовищах (магнетиках)?
3. Які величини і залежності характеризують магнітне стан речовини?
4. Дайте якісне пояснення природи феро - і Феримагнетизм?
5. У чому полягає явище магнітного гистерезиса? Що таке граничний і приватні цикли гистерезиса?
6. У чому перевага феритів перед феромагнетиками?