Obiectiv: studierea caracteristicilor magnetice ale unui ferimagnet, pentru măsurarea parametrilor buzei de histerezis a feritei B (H) folosind un oscilograf.
Dispozitive și accesorii: model de laborator, osciloscop OSU-20, oscilator cu frecvență joasă GAG-810.
Feriturile aparțin grupului de substanțe puternic magnetice cu proprietăți magnetice pronunțate. Prin proprietăți magnetice înțelegem capacitatea unei substanțe de a dobândi un moment magnetic, adică de a fi magnetizat prin acțiunea unui câmp magnetic pe el. Proprietățile magnetice ale materiei sunt caracterizate de o susceptibilitate magnetică:
Unde J este vectorul de magnetizare într-un câmp magnetic de rezistență H. care este momentul magnetic al unei unități de volum fizic mic V al materiei:
În expresia (2) PI este suma vectorială a momentelor magnetice ale atomilor (moleculelor) într-un volum V.
Cu valoarea susceptibilității magnetice # 967; substanțele sunt împărțite în grupuri. Susceptibilitatea magnetică a feromagneților și a ferimagnetelor se deosebește prin valori mari (până la 106) și depinde neliniar de intensitatea câmpului magnetic H și de temperatura. Astfel de valori ridicate # 967; se datorează magnetizării spontane a acestor substanțe, adică comandarea spontană a momentelor magnetice elementare cu formarea momentului magnetic rezultat chiar și în absența unui câmp magnetic extern.
Sunt folosite materiale feromagnetice și elemente de pământuri rare. Ferriți (precum și alți oxizi magnetici) - Ferimagneți (ferromagneți nemetalici). Acestea sunt compuși ai tipului MeO · Fe2O3, unde Me reprezintă cationii metalelor divalente Mn, Ni, Cu, Mg, Co, Zn, Cd, Fe. Spre deosebire de feromagneți, feriturile au o rezistență electrică mare, ceea ce face posibil să se producă pierderi substanțial mai puțin pe curenții turbionari și să se utilizeze la frecvențe înalte.
Ferro - și ferimagnetele formează un grup de substanțe comandate magnetic. Starea de materie spontană comandată magnetic se datorează interacțiunii electrostatice (Coulomb) a electronilor atomilor. Această interacțiune are o natură cuantică, este legată de schimbul de electroni între atomi și, prin urmare, este numită schimb. Forțele de schimb orientează momentele magnetice ale electronilor paralele între ele. Ca rezultat, apar mici zone de magnetizare spontană - Domenii. fiecare dintre acestea la temperaturi sub punctul Curie este magnetizat până la saturație. În absența unui câmp magnetic extern, feromagneții și ferimagnetele sunt de obicei demagnetizate, deoarece direcțiile de magnetizare în domenii individuale sunt diferite și momentul magnetic total este zero.
Când apariția și creșterea limitelor externe de câmp magnetic între trecerea domenii, creșterea volumului de domenii ale căror magnetizării vector mai lung coincide cu vectorul H al câmpului extern (unghi ascuțit) și scade volumul domeniilor în care vectorul magnetizare este mai puțin coincide cu vectorul H al câmpului extern (un obtuz unghi). Cu o valoare suficientă a domeniului, domeniile "neprofitabile" dispar cu totul. Apoi, începe să se schimbe direcția momentului magnetic într-un domeniu, și în cele din urmă, într-un domeniu puternic momente din toate domeniile aranjate paralel câmpului: ferrimagnet (și feromagnetic) este magnetizat la saturație.
Diferența dintre ferimagnetice și feromagneți este după cum urmează. În feromagneți, interacțiunea de schimb duce la o orientare ordonată a momentelor magnetice intrinsece (spin) ale atomilor (schimb direct). În ferimagnetice, cationii metalici magnetici activi sunt separați de anionii de diamtere mari de oxigen. Deoarece probabilitatea de schimb de electroni între cationi scade rapid cu distanța, iar distanța dintre ele este mare, atunci în conformitate cu modelul NeÂel, există cationi între interacțiunile de schimb prin ionii de oxigen în stare excitată (schimb indirect). L. Neel propune să ia în considerare structura unui ferimagnet constând din mai multe (două sau mai multe) sublaturi magnetice. Schimbul indirect duce la o orientare antiparalelă a momentelor magnetice ale ionilor sublaturilor corespunzătoare. Momentul magnetic rezultat este suma vectorială a momentelor magnetice parțiale ale sublaturilor și poate fi zero (antiferromagnet) sau diferită de zero (în cadrul domeniului) în ferimagneți.
Inducția magnetică B într-un magnet este alcătuită din inducție # 956; creată de o bobină de magnetizare cu curent și inducție, creată prin magnetizarea magnetului în sine:
unde # 956; 0 = 4π · 10-7 HN / m - Constanta magnetica, # 956; = 1+ # 967; - Permeabilitatea magnetică a materiei. Permeabilitatea magnetică în materie # 956; arată de câte ori inducția magnetică într-un magnet este mai mare decât în vid.
Valoarea inducției B în ferită (ca și în feromagnet) depinde nu numai de valoarea lui H. dar din stările de magnetizare anterioare: schimbarea inducției este în urma modificării tensiunii. Acest fenomen se numește histerezis magnetic. Curba dependenței B (H) pentru inversarea ciclică a magnetizării se numește buclă de histereză (figura 1).
Există fie cicluri de inversare magnetică completă, fie limită (buclă 1 în figura 1) și privată (bucle 2 în figura 1). Linia care leagă vârfurile buclelor de histerezis simetric este denumită curba principală de inducție (curba 3 din Figura 1).
Pentru a obține ciclul complet, ferita este magnetizată până la saturație (de la BS la-BS), iar valoarea lui B variază de-a lungul buzei totale (externe). BR - inducție reziduală, HC - forță coercitivă (mărimea tensiunii, îndepărtarea inducției reziduale).
Pentru a obține un anumit ciclu, este necesar ca intensitatea câmpului extern să nu atingă valoarea HS. Astfel de cicluri pot da un set pentru diferite maxime H.
Ori de câte ori un magnet este magnetizat, se lucrează. Pentru un magnet cu histereză, pentru fiecare ciclu de magnetizare, în fiecare unitate de volum a magnetului este introdusă o energie egală cu aria bucla histerezisă. Această energie trece în căldură, care trebuie luată în considerare la calcularea dispozitivelor electrice de curent alternativ, care conțin magneți cu histerezis.
Descrierea instalației de laborator
Pentru măsurarea parametrilor buzei de histereză a feritei B (H), un osciloscop utilizează o configurație de laborator, schema fiind prezentată în Fig. 2.
În Fig. 2 cifre indicate: 1 - miezul circular al feritei investigate cu două înfășurări, 2 - rezistor în circuitul înfășurare primară, 3 - RC-lanț în circuitul secundar de lichidare, 4 - model de laborator, 5 - GMS-20 osciloscop, 6 - oscilator de frecvență joasă GAG-810.
core Analizate - magnetic moale, ferita de mangan-zinc M1500NM1 brand, care este o soluție solidă de ferita de mangan (MnOFe2O3) și ferita de zinc (ZnOFe2O3). Punctul Curie (Neel), corespunzător temperaturii trecerii la starea paramagnetică, este # 952; K = 200 ° C
Miezul este conceput ca un inel dreptunghiular K20h12h6 (diametru exterior - 20 mm, interior - 12 mm, înălțimea - 6 mm), lungimea efectivă a liniei magnetic L = 0,05 m, aria efectivă a secțiunii transversale S = 24 x 10-6 m2 .
Parametrii elementelor de dispunere: R 1 = 100 Ω, R 2 = 105 Ω, C = 10-6 Φ, numărul de curbe ale înfășurărilor primare (N 1) și secundare (N 2): N 1 = N 2 = 250.
Două înfășurări (bobine) sunt înfășurate pe nucleul investigat îndeaproape cu acesta și unul cu celălalt. În acest caz, putem presupune că toate liniile de inducție create de o bobină penetrează a doua.
Bobina primară este conectată la un generator de tensiune sinusoidală. Tensiunea câmpului de magnetizare H [A / m] a înfășurării primare este proporțională cu curentul din el:
Unde I1 [A] este curentul principal de înfășurare.
În circuitul primar, rezistorul R1 este pornit, ceea ce elimină tensiunea U 1 AND și este aplicată amplificatorului orizontal de deformare al osciloscopului.
Și, prin Ax, se indică scala de diviziune a oscilografului de-a lungul axei X în dimensiunea B / mm, obținem expresia intensității câmpului de magnetizare H [A / m]:
Unde Kx = axN 1 / R 1L [A / mm · m], X [mm] este coordonata de-a lungul axei X a ecranului osciloscopului în raport cu începutul scanării (spotul fasciculului în absența unui semnal).
Tensiunea U 2 [V] indusă pe înfășurarea secundară este:
Unde B [T] este inducția magnetică în ferită.
Astfel, inducția magnetică este proporțională cu integritatea de tensiune U 2. Ca integrator, este folosit un circuit RC a cărui constanță de timp este mult mai lungă decât perioada semnalului de intrare.
Tensiunea pe condensator este exprimată în termeni de curent, după cum urmează:
Deoarece prin condiția de integrare R2 >> 1 / # 969; C. iar curentul este determinat de rezistența R2, atunci UC este:
Astfel, inducția magnetică poate fi exprimată după cum urmează:
Aplicarea tensiunii UC la intrarea amplificatorului vertical de deformare al osciloscopului. proporțional cu B. și indicând prin AY prețul divizării unui oscilograf de-a lungul axei Y în dimensiunea B / mm, avem:
Unde Ky = aY · CR2 / N2S [T / mm], Y [mm] este coordonata de-a lungul axei Y a ecranului osciloscopului în raport cu începutul scanării (spotul fasciculului în absența unui semnal).
Valoarea permeabilității magnetice statice este determinată de formula:
Ordinea de executare a muncii
1. Asamblați circuitul conform Fig. 2.
La punctele "X" ale layout-ului este necesar să conectați canalul "CH1 (X)" al osciloscopului la punctele "Y" - canalul "CH2 (Y)".
2. Activați osciloscopul și, după ce așteptați câteva minute, utilizați reglajele "POZIȚIE X" și "POZIȚIE Y" pentru a aduce punctul luminos în centrul ecranului. Comutatorul "TIME / DIV" trebuie să fie setat pe "X-Y".
3. Porniți comutatorul generatorului "atenuatorului (dB)" este setat la "0", setați generatorul de frecvență de 150 ... 200 Hz (valoarea de 15 ... 20 scală și frecvența comutatorului selector "FREQ. RANGE" la "x10"). Schimbați forma de undă de ieșire "WAVE FORM" în "
"Este o formă sinusoidală.
4. Setați butonul "AMPLITUDE" al generatorului spre extrema dreaptă. Cu întrerupătoarele osciloscopului "VOLTS / DIV", asigurați-vă că bucla de histerezis ocupă cea mai mare parte a ecranului, în timp ce comenzile "VARIABLE" trebuie să se afle în poziția extremă dreaptă.
5. Dacă buclă este distorsionată, schimbați ieșirile canalului Y al osciloscopului. Dacă buclele se află în 2-4 trimestre ale ecranului, apăsați butonul NORM / INV al osciloscopului pentru a poziționa buclă în 1-3 sferturi. Cu butoanele "POZIȚIE X" și "POZIȚIE Y", reglați poziția balamalei simetric în centrul ecranului.
6. Se determină coordonata X în mm a punctului de buclă de histereză limită la Y = 0, adică punctul corespunzător forței coercitive HC. puneți rezultatul în Tabelul. 1.
Notă: partea de lucru a ecranului este 8x10 diviziuni, 1 divizie este de 10 mm, fiecare diviziune de-a lungul axelor scării osciloscopului este împărțită în 5 segmente de câte 2 mm fiecare.
7. Determinați coordonata Y în mm a punctului de buclă de histerezis limitativ la X = 0, adică punctul corespunzător inducției reziduale BR. puneți rezultatul în Tabelul. 1.
8. Desenați ciclul limită al buclă de histerezis de pe ecranul osciloscopului.
9. Se determină coordonatele în mm ale vârfului buzei de histereză limită X și Y în raport cu centrul sau cu începutul cursei (colțul din stânga jos al ecranului), se pune rezultatul în tabel. 2.
10. Cu controlerul "AMPLITUDE" al generatorului, veți obține bucle de dimensiuni mai mici (cicluri private) pe ecran și veți lua coordonatele vârfurilor pentru ele. Efectuați astfel mai multe măsurători până când bucla este înțepată. Rezultatele sunt înregistrate în Tabelul. 2.
11. Calculați valorile HC. H prin formula (7).
Notă: Valoarea Ax în dimensiunea V / mm este determinată de valoarea de pe scara comutatorului "VOLTS / DIV" a canalului "CH1 (X)" împărțit la 10.
12. Calculați valorile lui BR, B prin formula (14).
Notă: Valoarea AY în dimensiunea V / mm este determinată de valoarea de pe scala comutatorului "VOLTS / DIV" al canalului "CH2 (Y)" împărțit la 10.
13. Calculați valorile # 956; prin formula (15).
14. Construiți graficele dependenței curbei principale de inducție B (H) și # 956; (H).
15. În figura buclă limită, plasați pe axele H și B cântările acestor valori în dimensiunile A / m și respectiv T.
16. Limita Rata zona buclei histerezis a muncii depuse într-o singură unitate de volum magnetizare inversare a ciclului materialului probei, având în vedere că 1 J / m3 = 1 T · A / m.
1. Ce cantități fizice sunt folosite pentru a caracteriza câmpul magnetic?
2. Care este relația dintre rezistența unui câmp magnetic și inducția magnetică într-un vid și în mediile magnetizabile (magneți)?
3. Ce cantități și dependențe caracterizează starea magnetică a unei substanțe?
4. Oferiți o explicație calitativă a naturii fero-ferimagnetismului?
5. Care este fenomenul histerezisului magnetic? Care sunt ciclurile limitative și specifice ale histerezisului?
6. Care este avantajul feritelor asupra feromagnetilor?
Articole corelate
Trimiteți-le prietenilor: