7. Лабораторная работа № 5 определение основных характеристик магнитных материалов

Цель работы: ознакомиться с осциллографическим способом снятия характеристик магнитных материалов; определить основные параметры магнитных материалов; выяснить влияние частоты питающего напряжения на величину потерь мощности в магнитных материалах при перемагничивании.

7.1. Общие сведения

Материалы по магнитным свойствам делятся на три группы:

– диамагнетики – это вещества с магнитной проницаемостью меньше единицы. величина магнитной проницаемости не зависит от напряженности внешнего магнитного поля;

– парамагнетики – это вещества с магнитной проницаемостью больше единицы, также не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля;

– магнетики – это вещества, у которых магнитная проницаемость намного больше единицы и зависит от величины напряженности внешнего магнитного поля.

Явление ферромагнетизма связано с образованием внутри материала областей, называемых доменами, у которых магнитные моменты электронов в этой области ориентированы взаимно параллельно. Явление образования доменов без приложения напряженности внешнего поля носит название самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитный поток такого тела равен нулю, так как отдельные домены в теле ориентированы в различных направлениях.

При воздействии внешнего магнитного поля процесс намагничивания сводится к следующему:

– росту доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направлением внешнего поля;

– повороту векторов магнитных моментов доменов в направлении сил внешнего поля (процесс ориентации).

При завершении ориентации всех доменов в направлении сил внешнего поля в материале наступает магнитное насыщение. Процесс намагничивания ферромагнитных материалов можно графически охарактеризовать зависимостью

В=f(H), (7.1)

где В – магнитная индукция, гс (Тл); Н – напряженность магнитного поля, э (А/м).

Для всех ферромагнетиков эта зависимость имеет сходный характер (рис. 7.1).

Участок 0 –1 определяется ростом доменов и смещением границ (начальное намагничивание). Участок 1–2 определяется поворотом доменов под воздействием внешнего магнитного поля. Участок 2–3 – магнитное насыщение.

Другой характеристикой магнитных свойств материалов служит магнитная проницаемость, которая определяется по формуле

. (7.2)

Беря отношение для различных точек основной кривой (рис. 7.1), можно получить графическую зависимость μ=f(Н) (рис. 7.2).

Рис. 7.1. График зависимости В=f(Н)Рис. 7.2. График зависимости μ=f(Н)

Наибольшее значение носит название максимальной магнитной проницаемости µ_max. Начальная магнитная проницаемость µ_A определяется при очень слабых полях (Н=0,001э).

Намагничивание материала в переменных магнитных полях характеризуется динамической проницаемостью

. (7.3)

При изменении напряженности магнитного поля от +Н до –Н величина магнитной индукции будет изменяться от +В до –В, но не по основной кривой 0–1–2–3 (рис. 7.3), а более медленно – по кривой 3–4–5–6–7–8–3, вследствие явления магнитного гистерезиса (отставания). Таким образом, будет описана предельная петля гистерезисного цикла перемагничивания.

Значение В (точка 4 на рис. 7.3) при Н=0 называется остаточной индукцией В_ос. Напряженность поля Н (точка 5) называется задерживающей (коэрцитивной) силой Н_с.

По величине коэрцитивной силы Н_с ферромагнитные материалы делятся на две группы:

– магнитомягкие – материалы с малой величиной Н_с;

– магнитотвердые – материалы с большой величиной Н_с.

В лабораторной работе студентам необходимо по величинам Н_с, В_ос, В_max, Н_max определить тип материала.

Если напряженность магнитного поля изменить от +Н до –Н и от –Н до +Н, то можно получить семейство петель гистерезиса (рис. 7.4). Соединив вершины петель гистерезиса, можно получить основную кривую намагничивания 0–1–2–3.

П

Рис. 7.3. График гистерезисного цикла перемагничивания

Рис. 7.4. График гистерезисного цикла

перемагничивания при различных значениях величин напряженности внешнего магнитного поля

одобным образом следует строить основные кривые намагничивания в лабораторной работе.

При перемагничивании ферромагнетиков в переменных магнитных полях всегда наблюдаются потери энергии в форме тепла. Они обусловлены гистерезисом и динамическими потерями (потерями на вихревые токи). Величина потерь определяется площадью, ограниченной предельной петлей гистерезисного цикла перемагничивания. Удельные потери мощности, Вт/кг, определяются по формуле

, (7.4)

где S – площадь предельной петли (определяется с помощью планиметра или подсчетом площади на миллиметровке), мм²; m_В, m_Н – масштаб по осям «В» и «Н»,Тл/мм, (А/м)/мм;γ – плотность испытуемого образца, Гс/см³; f – частота тока, Гц.