При намагнічуванні феромагнетика полем змінного струму залежність має вигляд петлі гістерезису (рисунок 1). Площа петлі визначається амплітудою напруженості магнітного поля Hmax. Площа буде найбільшою, коли Hmax = Hs. де Hs - напруженість поля, при якій зразок намагнічується до насичення. Ця гранична петля на малюнку 1 показана суцільною лінією. При меншій амплітуді (Hmax Вершини граничної петлі і приватних циклів лежать на основній кривій намагнічування. Визначаючи координати цих вершин, можна побудувати основну криву намагнічування і розрахувати mr (H), як описано в роботі № 8. Малюнок 1 Петля гістерезису За графіком граничної петлі гістерезису визначають наступні характеристики феромагнетика: - Hs і Bs - параметри точки магнітного насичення; - Br - залишкову магнітну індукцію; - Hc - значення коерцитивної сили; - w - енергію, витрачену на перемагнічування одиниці об'єму феромагнетика. Перемагнічування феромагнетика пов'язане з витратою енергії, яка в кінцевому рахунку переходить у внутрішню. Ця енергія, витрачена на перемагнічування одиниці об'єму магнетика, може бути знайдена як площа, обмежена петлею гистерезиса. Таким чином, за допомогою петлі гистерезиса для досліджуваного зразка можна побудувати основну криву намагнічування, графік залежності магнітної проникності від напруженості магнітного поля і визначити параметри феромагнетика Hc, Br, Hs, Bs і питому енергію w його перемагнічування. Петлю гістерезису в даній роботі спостерігають на екрані осцилографа. Якщо на пластини горизонтального розгорнення осцилографа (вхід Х) подати сигнал, який змінюється з часом пропорційно напруженості магнітного поля H. а на пластини вертикальної розгортки (вхід Y) - сигнал, пропорційний індукції магнітного поля B. то промінь на екрані осцилографа буде описувати петлю гістерезису. Досліджуваний зразок з феррімагнітном матеріалу у формі тороида є серцевиною двох обмоток (малюнок 2): первинної (намагничивающей) з числом витків N1 і вторинної (N2), призначеної для вимірювання величини B.
Малюнок 2. Електрична схема:
1 - генератор сигналів спе-ціальної форми; 2 - мініблок «Реостат» з опором R1; 3 - мультиметр (режим A 20 mA, входи COM, mA); 4 - тороид з первинної N1 і вторинної N2 обмотками; 5 - мініблок «Фер-ромагнетік»; 6 - амортизаційний ключ; 7 - інтегратор струму; 8 - мініблок «Інтегратор струму»; UХ - напруга, що подається на вхід X осцилографа, UX = UR
H; UY - напруга, що подається на вхід Y осцилографа, UY = Uінт
Вимірювання напруженості магнітного поля H
Напруженість магнітного поля H в зразку при протіканні в первинній обмотці струму I можна розрахувати за формулою
де N1- число витків первинної обмотки; l - довжина середньої осьової лінії тороїда.
На вхід X осцилографа подають падіння напруги на опорі R1 (див. Рисунок 2), пропорційне току I в первинній обмотці тороїда. Отже, напруженість магнітного поля в зразку пропорційна відхиленню променя x по осі Х:
де n - коефіцієнт пропорційності.
Величину n можна знайти, вимірюючи x для відомого значення H. Для цього використовують максимальне зміщення променя (в мм) в вершині петлі гистерезиса, яке відповідає амплітуді напруженості і амплітудному значенням струму в первинній обмотці
де I - діюче значення струму, що вимірюється мультиметром.
Підставивши амплітудні значення в (2) і (3) отримаємо
Вимірювання індукції B магнітного поля у феромагнетику
При зміні магнітного поля, створеного первинної обмоткою, у вторинній виникає ЕРС індукції ei (величина її пропорційна швидкості зміни магнітного потоку) і індукційний струм:
де R2 - опір ланцюга вторинної обмотки; Ф = BS - магнітний потік через один виток тороида; В - індукція магнітного поля в тороіде; N2 - число витків вторинної обмотки; S - площа поперечного перерізу сердечника.
В результаті протікання індукційного струму в колі вторинної обмотки (див. Рисунок 2) на інтеграторі накопичується заряд
Напруга Uу. що видається з інтегратора на вхід Y осцилографа, буде пропорційно індукції магнітного поля:
де g - градуировочная постійна інтегратора.
Ця напруга призводить до відхилення y (в мм) променя по вертикалі:
де K - ціна ділення осі Y; величина K залежить від положення ручки «Посилення» потенциометра підсилювача Y осцилографа; lдел - довжина великого поділу осі Y осцилографа, мм.
Лінійні співвідношення (7) і (8) призводять до пропорційності B (t)
y. яку можна представити у вигляді
де m - коефіцієнт, що залежить від параметрів установки,
Оцінка питомої енергії w перемагничивания зразка:
Використовуючи формули (3) і (9), уявімо вираз (1) у вигляді
де - площа петлі гістерезису, виражена в мм 2. так як x і y представлені числом малих поділок відповідної шкали.
Монтажна схема представлена на малюнку 3
Малюнок 3 Монтажна схема:
ЕО - електронний осцилограф; 2, 3, 5, 8 - див. Малюнок 2
Первинна N1 і вторинна N2 обмотки намотані на кільцевій сердечник, який виготовлений з досліджуваного феромагнітного матеріалу. Первинну обмотку, по якій протікає змінний струм, використовують для намагнічування магнетика і по її параметрам визначають напруженість H під час градуювання шкали X осцилографа. Для вимірювання миттєвих значень H змінного магнітного поля на вхід X осцилографа подають сигнал з реостата R1.
Вторинна обмотка призначена для вимірювання миттєвих значень індукції B магнітного поля в осерді. З цією метою на вхід Y осцилографа подають напругу з інтегратора.
Режим генератора сигналів спеціальної форми - синусоїдальний сигнал (світиться індикатор форми).
Порядок виконання роботи
1 Складіть електричне коло за монтажною схемою, наведеною на малюнку 3.
2 Увімкніть кнопками «Мережа» харчування блоку генераторів напруги і блоку мультиметров. Демпфуючих ключ 7 інтегратора струму встановити в положення «Скидання». Натисніть кнопку «Початкова установка» (поз. 19, див. Рисунок 1 на стор. 6) .Загорітся індикатор 6 (поз. 19, див. Рисунок 1 на стор. 6) сигналу синусоїдальної форми. Частота вихідного сигналу встановиться 500Гц (див на індикатор - поз.5, малюнок 1, стор. 6).
3 Увімкніть осцилограф і виведіть електронний промінь в центр екрану.
4 Збільшуючи струм I в первинній обмотці за допомогою кнопок установки рівня виходу «0 - 15 В» (поз. 10, див. Рисунок 1 на стор. 6) генератора сигналів спеціальної форми, отримаєте зображення граничної петлі гістерезису, для якої зростання струму не призводить до збільшення площі петлі. При цьому, змінюючи опір реостата в мініблоке «Реостат» і повертаючи ручку осцилографа «Посилення Y», встановіть максимальні розміри петлі, які вписуються в екран осцилографа.
5 Підберіть значення струму I. при якому координата вершини петлі гистерезиса xmax дорівнює довжині осі X екрану. Значення I і xmax запишіть в таблиця 1.
6 Внесіть в таблиці 1 параметри установки і досліджуваного зразка:
N1 і N2 - число витків первинної і вторинної обмоток;
l - довжина середньої осьової лінії сердечника;
S - площа поперечного перерізу сердечника;
R2 - опір ланцюга вторинної обмотки;
g - градуировочная постійна інтегратора (23,7 × 10 -8 Кл / В);
K - ціна ділення осі Y осцилографа (див. «Підсилювач Y». Число K зазначено в одиницях В / справ - вольт на велике розподіл осі Y);
- довжина великого поділу осі Y осцилографа (в мм) - вимірюється лінійкою.
Вимірювання параметрів петлі магнітного гістерезису
1 Перенесіть на кальку осциллограмму граничної петлі гістерезису.
2 Виміряйте позитивну і негативну координати точок петлі, які відповідають величинам коерцитивної сили Нс. залишкової індукції Br. напруженості насичення Нs і індукції насичення Bs (див. малюнок 1). Результати цих вимірювань запишіть у таблиці 2.
Результати розрахунків запишіть у таблиці 2.
3 За осциллограмме петлі гистерезиса оціните її площа в мм 2 (по числу клітин міліметрового паперу, що потрапили всередину петлі).
Визначте за формулою (11) питому енергію w перемагничивания феромагнетика:
Оцініть енергію, витрачену на перемагнічування зразка об'ємом V за один цикл як:
Результати запишіть в таблиці 2.
4 За даними таблиці 3 для кожної пари значень x і y розрахуйте величини H і B за формулами (3) і (9) і обчисліть магнітну проникність mr. З виразу: B = m0mr H:
де величина m0 = 4p × 10 -7 Гн / м.
Результати розрахунків запишіть у таблиці 3.
5 За даними таблиці 3 побудуйте основну криву намагнічування і графік залежності.
6 У висновку по роботі відобразіть особливості форми досвідчених кривих:
7 зіставте хід основною кривою намагнічування з положенням максимуму на графіку;
б) порівняйте отримані криві з відомими теоретичними та експериментальними залежностями.
Зробіть висновок про матеріалі сердечника: магнитомягкий або магнітожорстких, - порівнюючи знайдене значення Br з Bs.
1 Покажіть на графіку основну криву намагнічування і залежність для феромагнетиків:
2 В чому відмінність основною кривою намагнічування від петлі гистерезиса?
3 Назвіть характерні властивості феромагнетиків та особливості їх намагнічування.
4 Опишіть зміни доменної структури феромагнетика в процесі його намагнічування (у міру зростання напруженості поля H).
5 Від яких величин залежить:
а) напруженість H магнітного поля тороїда;
б) магнітна індукція B тороида з феромагнітним сердечником;
в) магнітна проникність r матеріалу сердечника тороїда?
6 Які формули (з наведених в роботі) показують залежність величин B і H від інших величин?
7 Які вимірювані величини і які формули використовують для визначення наступних величин:
а) напруженості H магнітного поля в осерді;
б) магнітної індукції B;
в) магнітної проникності mr матеріалу сердечника?
8 Вкажіть спосіб включення і призначення наступних елементів:
а) опору R1 в ланцюзі первинної обмотки;
б) інтегратора струму в колі вторинної обмотки.
9 Для чого використовують значення струму в первинній обмотці, виміряний амперметром?
10 Назвіть величини, пропорційно яким змінюються значення напруг Ux і Uy (на входах X і Y осцилографа).
11 Знайдіть характерні точки петлі гістерезису, координати яких використовують:
б) для побудови основної кривої намагнічування?
12 За якими формулами в роботі визначають наступні величини:
a) залишкової індукції Br; б) коерцитивної сили Hc;
в) магнітної проникності сердечника mr?