3.4. Снятие основных кривых намагничивания и петель гистерезиса ферромагнитных и ферримагнитных материалов

Цель работы

Целью работы является изучение магнитных свойств, исследование с помощью осциллографа процессов намагничивания и и размагничивания, экспериментальное получение основной кривой намагничивания магнитных материалов и построение зависимости магнитной проницаемости материала от напряженности магнитного поля.

Методы измерений

Основной характеристикой магнитного материала является петля гистерезиса. Существует два метода снятия петли гистерезиса магнетиков - статический и динамический. Статический метод позволяет исследовать кривые намагничивания с помощью баллистического гальванометра.

Динамический метод позволяет произвести измерение магнитной индукции в образцах. Магнитную индукцию удобно определять с помощью ЭДС, возникающей при изменении магнитного потока Φ в катушке, намотанной на образец. В соответствии с законом электромагнитной индукции значение ЭДС – «Е» пропорционально скорости изменения магнитного потока «Ф»:

(1)

Пусть катушка плотно охватывает образец, и индукция «В» в образце однородна. В этом случае

, (2)

где N₂ число витков в измерительной катушке, а S площадь витка.

Подставляя это значение Φ в формулу (1), после интегрирования найдём

(3)

Таким образом, для определения B нужно проинтегрировать ЭДС, наведённую меняющимся магнитным полем в измерительной катушке, намотанной на магнитопровод из исследуемого магнитного материала.

Для интегрирования сигнала применяют разного рода интегрирующие схемы. Простейшая из них состоит из соединённых последовательно резистора R и конденсатора C (рис. 3.6). Схема выполняет своё назначение, если сопротивление R резистора заметно превышает ёмкостное сопротивление конденсатора (если выходной сигнал много меньше входного). При выполнении этого условия ток в цепи пропорционален входному напряжению, а напряжение на ёмкости C:

(4)

Этот вывод тем ближе к истине, чем меньше характерное время процесса (например, его период) по сравнению с постоянной времени τ = RC.

Обозначив параметры интегрирующей ячейки через R и C, выразим индукцию B с помощью формул (3) и (4) через

(5)

Описание лабораторной установки. Применяемая в работе схема приведена на рисунке 3.6.

Рис. 3.6. Схема лабораторной установки

Подлежащий исследованию сердечник из магнитного материала снабжается намагничивающей и измерительной обмотками. Необходимое значение намагничивающего тока устанавливается регулятором. Напряжение с шунта r, установленного в цепи тока намагничивания, подается на пластины горизонтального отклонения электронного осциллографа; отклонение луча по горизонтали в каждый данный момент будет пропорционально намагничивающему току и соответственно напряженности поля Н. Благодаря интегрирующей цепочке RC мгновенное значение падения напряжения на конденсаторе С пропорционально мгновенному значению индукции в образце. Это напряжение подается на пластины вертикального отклонения осциллографа, и на экране получается изображение кривой гистерезисного цикла.

В работе исследуются магнитопроводы двух трансформаторов. Трансформатор Т1 имеет магнитопровод из листов горячекатаной электротехнической стали. Трансформатор Т2 имеет кольцевой магнитопровод из феррита.

В таблице 1 приведены параметры магнитопроводов и катушек этих трансформаторов.

Таблица 1

Параметры трансформаторов с исследуемыми магнитопроводами

	Трансформатор Т1	Трансформатор Т2
Материал магнитопровода	Электротехническая сталь	Феррит маргацево-цинковый
Размеры магнитопровода	высота 56 мм	диаметр внешний 28 мм
	ширина 64 мм	Диаметр внутренний 16 мм
	толщина 24 мм	толщина 9 мм
	ширина сердечника 16 мм
Сечение магнитопровода	S=384 мм2	S=54 мм2
Длина магнитной линии	l=152 мм	l=69 мм
Число витков	N1 = 180, N2 = 1980	N1 = 10, N2 = 33
Параметры RC-цепочки	R = 100 кОм, С = 4 мкФ	R = 4,7 кОм, С = 0,075 мкФ
Частота измерения	50 Гц	5 кГц
Сопротивление шунта r	10,2 Ом	10,2 Ом

На панели установки размещены (рис 3.7):

Исследуемые образцы 6, осциллограф 1, регулятор тока в первичной обмотке трансформатора 2, переключатель объектов измерения 3, , тумблеры «Питание генератора» 4 и «Сеть» 5.

Рис. 3.7 Панель установки для исследования магнитных материалов

Методические указания

В начале измерений необходимо убедиться в нулевом положении регулятора тока 2. Затем включается питание установки тумблером «Сеть»5 и включается питание осциллографа кнопкой, расположенной на панели осциллографа 1. В исходном положении экран включённого осциллографа показан на рис. 3.8.

Рис 3.8. Исходное положение экрана осциллографа

Включается питание генератора тумблером «Питание генератора» 4 и переключателем 3 выбирается исследуемый образец (Т1 или Т2). Для каждого образца необходимо произвести переключения в осциллографе.

В положении переключателя 3 «Т1»:

- нажать кнопку ЗАП/ВЫЗ на осциллографе

- выбрать ячейку памяти «М1» последовательным нажатием кнопки F3 (поз. 9 на рис 3.7);

- нажать кнопку «Вызов» (поз. 10 на рис 3.7);

- нажать кнопку «Измерения» на осциллографе (поз. 8 на рис 3.7).

После проведения этих операций в правой части экрана появятся окна измеряемых напряжений (см. рис 3.9). При измерениях регистрируются амплитуды сигналов в вольтах - Vamp, отображаемые в верхней клетке правой части экрана: 1-амплитуда по оси «х» - U_x, 2- амплитуда по оси «у» - U_y. Этим амплитудам соответствуют координаты конечной точки петли гистерезиса (см. рис 3.9)

Рис 3.9 Экран осциллографа при измерениях

При включённом генераторе и нулевом положении регулятора тока в центре экрана осциллографа светится точка. При этом в верхней клетке правой части экрана значения напряжений по обеим осям равны нулю. При увеличении тока с помощью регулятора 3 на экране появляется петля гистерезиса. Необходимо выставить такое положение регулятора, при котором значения напряжений минимальны, но не равны нулю. Эти напряжения записываются как первый результат.

В работе следует снять не менее 10 показаний, постепенно увеличивая ток в первичной обмотке трансформатора. При этом большее количество точек должно приходиться на начальные петли гистерезиса (3-4 точки) и на область насыщения. При последнем измерении надо зарисовать предельную петлю гистерезиса.

Напряженность поля, магнитная индукция в сердечнике и магнитная проницаемость материала рассчитываются по формулам:

B =  ₀ H

По полученным данным необходимо построить основную кривую намагничивания и зависимость (H). Отметить на рисунке с предельной петлей гистерезиса индукцию насыщения, коэрцитивную силу и остаточную индукцию.

Значения коэрцитивной силы, индукции насыщения, остаточной индукции, начальной и максимальной магнитной проницаемости сравниваются со справочными значениями.

После проведения измерений на образце Т1 необходимо отключить питание генератора тумблером 4 и переключить режим измерения с Т1 на Т2

В положении переключателя 3 «Т2»:

- нажать кнопку ЗАП/ВЫЗ на осциллографе

- выбрать ячейку памяти «М2» последовательным нажатием кнопки F3 (поз. 9 на рис 3.7);

- нажать кнопку «Вызов» (поз. 10 на рис 3.7);

- нажать кнопку «Измерения» на осциллографе (поз. 8 на рис 3.7).

Повторить и обработать измерения в том же порядке, что и для образца Т1.

Контрольные вопросы:

1. Какие материалы относятся к магнитным?

2. Каково магнитное строение у ферромагнетиков?

3. Каково магнитное строение у ферримагнетиков?

4. Что такое «электротехническая сталь»?

5. Что такое «феррит»?

6. Что такое «Начальная кривая намагничивания» и «Основная кривая намагничивания»?

7. Что такое «начальная магнитная проницаемость» и «максимальная магнитная проницаемость»?

8. Что такое магнитный гистерезис?

9. Что означает насыщение ферромагнетика?

10. Что такое «индукция насыщения»?

11. Что такое коэрцитивная сила?

12. Что такое остаточная индукция?

13. В чем причина образования остаточной магнитной индукции в ферромагнетиках.

14. Чем отличаются магнитомягкие и магнитотвердые материалы?

15. Где применяются магнитомягкие и магнитотвердые материалы?

16. Какие Вы знаете виды магнитных потерь?

17. В чем различие потерь на вихревые токи и потерь на перемагничивание?

18. Как связана петля гистерезиса с затратами энергии на перемагничивание ферромагнетиков?

19. Что такое «температура Кюри»?