К магнитно-твердым материалам, обладающим лучшими магнитными свойствам, относятся сплавы: альни, альниси, альнико и др. Они характеризуются коэрцитивной силой Hc =20 000(60 000 А/м и остаточной индукцией Br=0,4(0,7 Тл.
|Таблица №2 |"Магнитные свойства некоторых магнито-твердых материалов". |
В таблице приведены основные данные о магнитных свойствах некоторых
магнито-твердых материалов. Эти материалы намагничиваются в сравнительно
сильных магнитных полях и обладают большими значениями коэрцитивной силы
Hc, большой остаточной магнитной индукцией Br, большими значениями
плотности энергии магнитного поля ?=Br ?Hc и сравнительно малыми значениями
магнитной проницаемости.
|Ферромагнетик|Нс, |Вr, |?max, |Свойства |
| |А/м |Tл |Дж/м3 | |
|Альни-3 |40000 |0,5 |7200 |Сплавы обладают |
| | | | |большими значениями |
| | | | |коэрцитивной силы и |
| | | | |остаточной |
| | | | |индукцией. Плотность|
| | | | |6900 кг/м3 (альни) |
| | | | |и 7100 кг/м3 |
| | | | |(альнико). |
| | | | |Применяются для |
| | | | |изготовления литых |
| | | | |постоянных магнитов.|
|Альнико-15 |48000 |0,75 |12000 | |
|Альнико-18 |52000 |0,90 |19400 | |
|Магнико |40000 |1,23 |32250 |Высококоэрцитивный |
| | | | |сплав, плотностью |
| | | | |7000кг/м3. Сплав |
| | | | |используется для |
| | | | |изготовления |
| | | | |постоянных магнитов.|
| | | | |Магниты из магнико |
| | | | |при равномерной |
| | | | |магнитной энергии в |
| | | | |4 раза легче |
| | | | |магнитов из сплава |
| | | | |альни. |
Экспериментальное изучение свойств ферромагнетиков.
Большой вклад в экспериментальное изучение свойств ферромагнетиков внес А. Г. Столетов. Предложенный им экспериментальный метод заключался в измерении магнитного потока Фm в ферромагнитных кольцах при помощи баллистического гальванометра.
Тороид, первичная обмотка которого состояла из N1 витков, имел
сердечник из исследуемого материала (например, отожженного железа).
Вторичная обмотка из N2 витков была замкнута на баллистический гальванометр
G (рис. А). Обмотка N1 включалась в цепь аккумуляторной батареи Б.
Напряжение, приложенное к этой обмотке, а, следовательно, и силу тока I1 в
ней можно было изменять с помощью потенциометра R1. Направление тока
изменялось посредством коммутатора К.
При изменении направления тока в обмотке N1 на противоположное, в цепи обмотке N2 возникал кратковременный индукционный ток и через баллистический гальванометр проходил электрический заряд q , который равен отношению взятого с обратным знаком изменения потокосцепления вторичной обмотки к электрическому сопротивлению R в цепи гальванометра:
Если сердечник тонкий, а площадь поперечного сечения равна S, то магнитная индукция поля в сердечнике
Напряженность магнитного поля в сердечнике вычисляется по следующей формуле
где Lср – средняя линия сердечника.
Зная B и H можно найти намагниченность
Рассмотрим еще один способ экспериментального изучения свойств ферромагнетиков (на наш взгляд один из наиболее наглядных).
Данный метод аналогичен предыдущему, но отличие состоит в том, что в место гальванометра применяется электронный осциллограф. При помощи осциллографа Осц (см. ниже схему) мы получаем наглядное подтверждение явления магнитного гистерезиса, наблюдая петлю на экране прибора.
Рассмотрим устройство экспериментальной установки.
Напряжение снимаемое с потенциометра Rр пропорционально намагничивающему току I, а следовательно, напряженности поля в экспериментальном образце Эо. Далее, сигнал, снимаемый с реостата Rр, подается на вход (Х), т.е. на пластины горизонтального отклонения осциллографа.
С входа интегрирующей цепочки (пунктирный прямоугольник на схеме) снимается напряжение Uc, которое пропорционально скорости изменения магнитной индукции, т.е. подается на вход (Y) осциллографа, пластины вертикального отклонения.
Рассмотрим работу интегрирующей цепочки.
|Способ I, расчета магнитной индукции. |
Известно, что емкость конденсатора можно вычислить по следующей формуле где dq – заряд, значение которого можно определить зная ток I
Таким образом, напряжение на конденсаторе определяется по следующей формулой
При достаточно больших величинах сопротивления R[pic](по сравнению с сопротивлением остальной части цепи) напряжение на емкости Uc значительно меньше напряжения на клеммах AD (Uc Пиши отсюда.
Лабораторная работа.
Изучение свойств ферромагнитных материалов
|Цель работы: |научится измерять электрические величины при помощи |
| |электронного осциллографа; получение экспериментальной |
| |зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного |
| |поля. |
|Оборудование: |электронный осциллограф С1—93, лабораторная установка |
| |(технические данные которой приведены в приложении), |
| |лабораторный автотрансформатор (ЛАТр), генератор |
| |синусоидального сигнала ГЗ-103А, миллиметровая бумага, |
| |линейка, калькулятор, источник питания с выходным |
| |напряжением 0ч10 В. |
|Задание I. |Подключение осциллографа. |
| |Для начала произведем калибровку осциллографа. |
| |Включите осциллограф. Оперируя ручками "яркость" и |
| |"контрастность" сфокусируйте луч таким образом, чтобы у Вас|
| |на экране появилась точка. Затем на соответствующие входы |
| |(вход (Х) и (Y)) подадим поочередно сигнал дискретной |
| |величины (сигнал постоянного напряжения от выпрямительного |
| |блока). При этом точка, полученная ранее на экране, должна |
| |отклониться от своего первоначального положения. |
| |Если Вы не наблюдаете точки на экране осциллографа, тогда |
| |Вам необходимо уменьшить, либо увеличить, чувствительность |
| |осциллографа. Для этого установите переключатель регулятора|
| |чувствительности для входа (Y) в требуемое положение. |
| |Поворотом ручки регулятора напряжения на выпрямительном |
| |блоке добейтесь того, чтобы точка на экране осциллографа |
| |отклонилась на одну клетку (на экране осциллографа есть |
| |соответствующая сетка делений). |
| |Зафиксируем положение точки и запишем соответствующие |
| |показания вольтметра на блоке питания. Полученное значение |
| |напряжения (вольт/деление) и будет нашей чувствительностью |
| |на соответствующих входах. |
| |При этом необходимо помнить, что чувствительность по (Х) не|
| |изменяется, а по (Y) для каждого случая соответствует |
| |определенное положение переключателя чувствительности |
| |осциллографа . |
| |Согласно схеме (см. приложение, схема электрическая) |
| |подключите соответствующие выводы лабораторной установки к |
| |входам осциллографа. |
|Задание II. |Изучение ферромагнитных свойств феррита. |
| |В качестве исследуемого образца используется феррита |
| |М2000НМ К20х12х6. |
| |Произведите калибровку входа (Y) осциллографа. В начале |
| |установите регулятор чувствительности осциллографа в |
| |положение 0,02 в/дл, а затем от калибруйте его, по |
| |приведенной выше методике. |
| |Запишите значение чувствительности осциллографа по входам |
| |(Х) и (Y) в таблицу. |
| |После калибровки осциллографа, установите тумблер в |
| |положение 0, на лабораторной установке. |
| |Подключите соответствующие выходы генератора частот к входу|
| |лабораторной установки, т.е. к входным клеммам. При этом на|
| |генераторе частот должны быть установлены следующие |
| |параметры: |
| |Частота генератора синусоидального сигнала должна быть |
| |равной 20 кГц; |
| |Показание выходного напряжения равно 15 В; |
| |Нагрузочное сопротивление Rнаг= 50 ?; |
| |Включите генератор частот и установите тумблер в положение |
| |I, на лабораторной установке. |
| |При этом на экране осциллографа Вы должны получить |
| |экспериментальную зависимость магнитной индукции от |
| |напряженности магнитного поля (петля гистерезиса). |
| |Постарайтесь добиться, того чтобы полученная петля занимала|
| |большую часть экрана осциллографа и имела участки |
| |насыщения. Для этого поворотом ручки регулятора частот, на |
| |генераторе частот, добейтесь наиболее подходящего |
| |положения. |
| |Зарисуйте полученную петлю и расставьте на ней |
| |соответствующие точки (Hmax , Bmax , Hc , Br). |
| |Определите для этих точек значение напряжения, исходя из |
| |известной чувствительности осциллографа. |
| |Запишите полученные данные в таблицу. |
|Задание III. |Изучение ферромагнитных свойств электротехнической стали. |
| |В качестве исследуемого образца используется магнитопровод |
| |трансформатора ТВК-90-ПЦ-5. |
| |Произведите калибровку осциллографа по входу (Y), при этом |
| |регулятор чувствительности осциллограф должен быть |
| |установлен в положение 2,0 В/дл. |
| |Запишите значение чувствительности осциллографа по входам |
| |(Х) и (У) в таблицу, в раздел для данного случая. |
| |Установите тумблер в положение 0. |
| |Подключите ЛАТр к входу установки, при этом установите |
| |регулятор напряжения на значение U=56В. |
| |Включите установку, переключите тумблер в положение II. |
| |Обратите внимание: |
| |ни в коем случае не следует включать ЛАТр при положении |
| |тумблера в позиции I. |
| | |
| |Проделайте те же самые измерения, что и для задания II. |
| |Зарисуйте петлю для данного случая. И занесите |
| |соответствующие данные в ниже приведенную таблицу. |
|Задание IV. |Расчет магнитных величин. |
| |Занесем полученные данные в таблицу. |
| |Феррит |Электротехническая сталь |
|Чувствительность по | |
|(Х), в/дл. | |
|Чувствительность по | | |
|(У), в/дл. | | |
|LCр | | |
|S | | |
|? 1 | | |
|? 2 | | |
|R | | |
|C | | |
|BUmax, в/дл | | |
|HUmax, в/дл | | |
| | |Продолжение таблицы --> |
|BUr, в/дл | | |
|HUc, в/дл | | |
|Bmax | | |
|Hmax | | |
|Br | | |
|Hc | | |
|?max | | |
Где B и H определяются по следующей формуле
BU — показание осциллографа по (Y), т.е. значение чувствительности по входу (Y) умножают на количество делений которым соответствует отклонение луча;
HU — показание по (Х).
LCр — средняя магнитная линия, жирная пунктирная линия на рисунке ниже;
S — площадь поперечного сечения.
Rр — сопротивление реостата, Rр = 8 ?.
LCр и S определяются по рисункам ниже:
|Для электротехнической стали |Для феррита |
|Размеры указаны в мм. |размеры указаны в мм. |
Значение R,С и ?1, ?2 определятся по данным приведенным в приложении.
?max — значение магнитной проницаемости, рассчитывается по следующей формуле:
где ?0 — магнитная постоянная, ?0=4??10 –7 [Гн/м].
Вопросы:
1. Дайте определение ферромагнетика.
2. В чем заключается явление магнитного гистерезиса.
3. Объясните и покажите на полученных графиках характерные величины (Hmax и
Вmax). Дайте их определение.
4. Каков характер зависимости магнитной индукции и напряженности магнитного поля в цепях постоянного тока?
5. Как повлияет на петлю магнитного гистерезиса изменение частоты питающего напряжения.
6. Расскажите о магнито-твердых и магнито-мягких материалах. В чем заключается их отличие.
7. Из каких материалов изготавливают постоянные магниты.
Литература.
1. "Курс физики", А. А. Детлаф, Б. М. Яворский.
2. "Теоретическая электротехника", В. С. Попов.
3. "Курс физики", Т. И. Трофимова.
4. "Физика", Д. Джанколи, том II.
5. "Физический практикум", под редакцией проф. В. И. Вероновой.
Приложение.
Схема установки /общий вид/.
|Обозначение |Название элемента, тип |Тех. Характеристики |
|Тр2 |Трансформатор ТВК-90-ПЦ-5 |?1=173; ?2=64 |
|Rр |Реостат |R=8?; P=25W |
|C2 |Конденсатор МБГЧ-1 |С=2мкФ; Uраб=250В |
|R2 |Сопротивление МЛТ-2 |R=6,2к? |
|Тр1 |Феррит М2000НМ К20х12х6 |?1=5; ?2=5 |
|R1 |Сопротивление МЛТ-2 |R=1,3к? |
|C1 |Конденсатор МБМ |С=0,5мкФ; Uраб=160В |
|Тмб |Тумблер трехпозиционный с нейтральным|II-0-I |
| |положением. | |
Схема установки /электрическая/ .
Список используемой литературы.
1. А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. "Курс общей физики". — М.: Высшая школа,
1989г.
2. В. И. Иверонова и др. "Физический практикум". — М.: Физико- математическая литература, 1962г.
3. В. С. Попов. "Теоретическая электротехника". — М.: Энергоатомиздат,
1990г.
4. Т. И. Трофимова. "Курс физики". — М.: Высшая школа,1998г.
5. Д. Джанколи. "Физика". Том II. — М.: Мир, 1989г.
6. Г. Г. Рекус, В. Н. Чесноков. "Лабораторные работы по электротехнике и основам электроники". — М.: Высшая школа, 1989г.
-----------------------
R
[pic]
Тмб
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
I
Статическая петля магнитного гистерезиса магнитопровода ГАММАМЕТ® 412А рис. 7
[pic]
[pic]
C
Эо
Rр
Осц
[pic]
[pic]
D
A
(*)
II
Uвх
R1
Тмб
C1
С2
R2
RП
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
UВХ
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Тр2
Тр1
II
Hс
R2
Тмб
C2
Тр2
Rр
Осц
UВХ
Br
UC2
URp
Bmax
Hmax
[pic]
[pic]
RC-цепь (интегрирующая цепочка)
C
R
U0
[pic]
[pic]
(***)
S
23
17
10
10
56
49
10
Ф3
Ф1
Ф2
Петля гистерезиса полученная на экране осциллографа
UC2=4,8 В/дл; URp=2,2 В/дл
U
Uc
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
(**)
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
2
1
2
1
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
S
[pic]
[pic]
23
17
10
10
56
49
10
Ф3
Ф1
Ф2
Ф
[pic]
20
12
S
8
6
Страницы: 1, 2
