Опыт 2. Измерение динамических характеристик ферромагнитных материалов осциллографическим методом
Динамическими характеристиками магнитных материалов называют характеристики, полученные в переменных магнитных полях. Динамические характеристики в значительной мере зависят не только от качества самого материала, но и от ряда других факторов: формы и размеров образца, формы кривой и частоты изменения намагничивающего поля и т. д. Поэтому динамические характеристики являются по существу характеристиками не материала, а конкретного образца и по ним можно судить о пригодности образца для конкретных условий намагничивания. К основным динамическим характеристикам магнитных материалов относят динамические петли гистерезиса и динамические кривые намагничивания. На рис. 5.7, а показано семейство петель гистерезиса, полученных при различных значениях максимальных напряжённостей магнитного поля. Петля гистерезиса, соответствующая насыщению материала, называется предельной динамической петлёй. В справочниках обычно приводят симметричные предельные петли гистерезиса для различных материалов. По предельной петле гистерезиса можно найти максимальное значение индукции Bm и напряжённости Hm, а также остаточную индукцию Br (при H=0) и коэрцитивную силу Hc, т.е. напряжённость поля, при которой B=0. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной на перемагничивание вещества и вихревые токи. Другая характеристика – основная динамическая кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса и строится путём соединения вершин частных петель гистерезиса. По виду основной кривой намагничивания можно определить магнитные проницаемости для различных значений H. Кривая относительной магнитной проницаемости μ r = B/μ 0H, где μ 0 = 4 π 10–7 Гн/м является магнитной постоянной, показана на рис. 5.7, б. Начальный участок кривой соответствует области начальной магнитной проницаемости
По виду основной кривой намагничивания и петли гистерезиса, а также по значениям Bm, Hm, Br, Hc можно судить о свойствах данного магнитного материала и области его практического применения. Материалы с узкой петлёй гистерезиса и большим значением Br, являющиеся магнитомягкими, целесообразно применять, например, для изготовления магнитопроводов измерительных механизмов, у которых рабочее магнитное поле создаётся измеряемым током. Это уменьшит погрешности из-за гистерезиса и нелинейности кривой намагничивания (ферродинамические, индукционные приборы). Материалы с широкой петлёй гистерезиса, большой коэрцитивной силой Hc относятся к магнитотвёрдым и используются для изготовления постоянных магнитов. Основные параметры магнитомягких материалов, наиболее часто используемых в технике, приведены в табл. 5.2. Осциллографический метод исследования магнитных материалов на переменном токе удобен тем, что позволяет визуально наблюдать динамические петли, а также производить измерение магнитных характеристик в широком диапазоне частот.
Таблица 5.2
Схема установки для определения магнитных характеристик осциллографическим методом приведена на рис.5.8.
Установка состоит из осциллографа, на вход вертикального отклонения которого Y подано напряжение с выхода интегрирующей цепочки, а на вход горизонтального отклонения Х – напряжение, снимаемое с сопротивления Rэ. Испытуемый образец кольцевой формы содержит намагничивающую и измерительную обмотки. В цепь намагничивающей обмотки включён амперметр и сопротивление Rэ, к зажимам измерительной обмотки – интегрирующая цепочка RиCи. Автотрансформатор обеспечивает регулирование тока через намагничивающую обмотку. На Х вход осциллографа подаётся напряжение UHt, пропорциональное намагничивающему току (по закону Ома):
а ток iнам пропорционален напряжённости магнитного поля (по закону полного тока):
где l ср – средняя длина магнитной линии образца. Таким образом, мгновенное значение напряжения UHt пропорционально мгновенному значению напряжённости магнитного поля образца H t:
В измерительной обмотке наводится ЭДС, пропорциональная производной от индукции по времени
где S – площадь поперечного сечения образца. Выходное напряжение интегрирующей цепочки оказывается пропорциональным мгновенному значению индукции
где Поэтому электронный луч осциллографа опишет на экране кривую, являющуюся динамической петлёй гистерезиса.
|
, которая графически определяется как tg α н с учётом масштабов по осям. Аналогично находится максимальная магнитная проницаемость μ r m по tg α m.
,
,
.
,
,
и = Rи Cи – постоянная времени интегрирования.
