9. Приборы для измерения магнитных величин.

Электрические явления неразрывно связаны с магнитными. Свойства ферромагнитных материалов широко используется в электротехнике, накладывая отпечаток на качество и характеристики электрических машин, аппаратов, приборов. Конструктор электроприборов не может обойтись без измерения магнитных величин (магнитного потока, магнитной индукции и т.д.), необходимых для изучения свойств ферромагнитных материалов. При изучении этих свойств и этих материалов нас интересует, во-первых, кривая намагничивания и петля Гистерезиса, во-вторых, величина потерь в стали при циклическом перемагничивании. Весьма важным так же является изучение свойств постоянных магнитов в связи с развитием приборостроения и производством электрооборудования, например для автомобильной, тракторной, авиационной, медицинской, космической промышленности, где постоянные магниты находят широкое применение. Магнитные величины можно определять с помощью различных методов, используя приборы: веберметр, коэрцетиметр,феррометр,магнитометр,милиивеберметр,гистерезиметр,феррозонд, и др. . Теоретической основой подобных методов является второе уравнение Максвелла , связывающие магнитное поле с полем электрическим, которые являются двумя проявлениями особого вида материи, именуемого электромагнитным полем. Рассмотрим работу флюксметра.

Для исследования магнитных полей, и особенно постоянных магнитов, часто применяется прибор флюксметр. Флюксметр представляет собой разновидность гальванометра магнитоэлектрической системы с ничтожно малым противодействующим моментом. На рисунке 18 дана схема флюксметра. В воздушном зазоре между полюсами постоянного магнита и стальным цилиндром полуосях расположена подвижная рамка А флюксметра. На одной из полуосей укреплена указательная стрелка. Принцип работы флюксметра основан на установленном свойстве магнитного потока замкнутого контура в стремлении сохранять неизменной свою величину. Если к рамке флюксметра присоединить надетую на постоянный магнит измерительную катушку В (переключатель Д в положение И), а затем быстро сдернуть ее с магнита, то в замкнутом контуре "измерительная катушка - рамка флюксметра" произойдет уменьшение потока сцепления ω мкФ. Согласно сказанному выше это уменьшение магнитного потока, сцепленного с измерительной катушкой (контуром) вызовет поворот рамки флюксметра на угол а, при котором произойдет увеличение потока сцепления рамки флюксметра, компенсирующее уменьшение потока сцепления измерительной катушки.

Так как магнитное поле, котом находится рамка , радиально-равномерное, то изменение потокосцепления его рамки

следовательно,

откуда

Рис.18.Принципиальная схема флюксметра

где С- постоянная флюксметра, равная 10000 мкс/дел; а - число делений шкалы, определяющее угол поворота подвижной части флюксметра.

Пример. Если при сбрасывании измерительной катушки с постоянного магнита подвижная часть флюксметра отклонилась на а = 35 дел, а измерительная катушка имеет число витков w = 10, то магнитный поток, пронизывавший измерительную катушку в том месте, где она была расположена до сбрасывания

Так как противодействующий момент флюксметра ничтожно мал (рамка имеет безмоментные подводки), то для установки стрелки флюксметра в нулевое положение он снабжен вспомогательным магнитом, между полюсами которого расположена вспомогательная рамка. Если переключатель П поставить в положение К (корректор) и при помощи рукоятки Р повертывать вспомогательную катушку, то изменение потокосцепления вспомогательной катушки вызовет поворот подвижной части флюксметра, компенсирующей изменение потокосцепления вспомогательной катушки, что и позволяет установить стрелку прибора на нулевое деление шкалы.

Получение кривой намагничивания и петли гистерезис методом баллистического гальванометра.

На рис. 19 даны кривая намагничивания I и петля гистерезиса II, III, IV, V. Кривые, как известно представляют собой зависимость между магнитной индукцией В и напряженностью поля Н. Из кривых можно определить магнитную проницаемость при различных значениях напряжённости поля, величину остаточной индукции и задерживающую (коэрцитивную) силу; кроме того, по величине площади петли можно определить потерю энергии за один цикл перемагничивания, так как площадь петли пропорциональна этим потерям. Таким образом, получение кривой даёт возможность определить ряд свойств, присущих данному сорту стали, знание которых является основой для расчёта электрических машин и электромагнитных механизмов, для которых она предназначается.

Применение баллистического гальванометра и метод кольца для испытания стали были разработаны А.Г.Столетовым. Эта работа А.Г.Столетова имела огромное значение для электротехники, так как дала основу для расчёта электрических машин и электромагнитных механизмов, которые до того строились только по эмпирическим данным.

Использование гальваномагнитных эффектов. Для измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля в настоящее время используют эффект Холла и эффект Гаусса.

В приборе, реализующем эффект Холла, преобразователь пред­ставляет собой пластинку из полупроводника, по которой протекает ток I. При помещении этой пластинки в магнитное поле на боковых гранях ее возникает разность потенциалов — э. д. с. Холла Е .

Принципиальная схема прибора для измерения магнитной индук­ции, основанного на эффекте Холла, приведена на рис.20 . Обозначение на схеме: ПХ — преобразователь Холла; У — усилитель; И — указывающий прибор. Величина э. д. с. Холла связана с магнитной индукцией и током следующим соотношением:

E=RxIB/h

где Е — э. д. с. Холла; I — сила тока; В — магнитная индукция (вектор ее должен быть перпендикулярен плоскости пластинки, либо будет измерена лишь нормальная составляющая вектора В); Rх - постоянная Холла; h — толщина пластинки.

В качестве материалов для преобразователей Холла используют германий, сурьмянистый индий и другие полупроводниковые материалы. Э. д. с. Холла обычно невелика. Так, например, чувствительность преобразователей из мышья­ковистого индия колеблется в пределах от 3• 10⁵ до 8 • 10⁶ мкВ/(А • Т),то есть э. д. с.

Холла, возникающая на боковых гранях пла­стинки с током в 1А при помещении ее в поле с магнитной индукцией 1 Т, составляет от 3-10⁵до8-10⁶ мкВ. Поэтому в схеме прибора целесообразно (а иногда просто необходимо) использование усилителя.

Для повышения точности в приборах, основанных на эффекте Холла, часто используется компенсационный метод измерения. Приборы, использующие эффект. Холла, находят все более широкое распространение , так как они обладают рядом положительных свойств. Они достаточно просты, имеют удовлетвори­тельную точность — 1,0 / 3,0% (специальными мерами точность может быть доведена до 0,05%), позволяют измерять магнитную индукцию или напряженность в постоянных, переменных (в широком диапазоне частот) и импульсных магнитных полях. Измерительные преобразователи имеют малые размеры, что позволяет проводить измерение индукции в узких зазорах.

Одним из недостатков преобразователей Холла является значи­тельная зависимость э. д. с. Холла от температуры. Для устранения этого явления термостатируют преобразователи либо применяют схемы температурной компенсации. Кроме того, ведется работа по улучшению характеристик преобразователей. В настоящее время уже получены образцы термостабильных преобразователей Холла с дрей­фом нулевого сигнала не более 1 мкВ/° С и высокой чувствительностью порядка

2,5 В/(А-Т). В настоящее время известно значительное количество модифика­ций приборов, в которых использован эффект Холла

В лаборатории № 218 кафедры ИИСТ под руководством профессоров Горбатенко Н.И, Гречихина В.В. и доцента, к.т.н. Ланкина М.В аспиранты создают новейшую высокочувствительную магнитоизмерительную аппаратуру, использующуюся спросом не только в России ,но и за рубежом.