Исследование свойств магнитных материалов. Методические указания по выполнению лабораторной работы

Министерство образования Российской Федерации

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ кафедра микроэлектроники РНПО «РОСУЧПРИБОР»

Лабораторная работа

Исследование свойств магнитных материалов Методические указания

Пенза 2001

УДК 621. 315.416 Медведев С.П., Печерская Р.М., Абрамов В.Б., Метальников А.М. Исследование свойств магнитных материалов. Указания подготовлены на кафедре микроэлектроники и предназначены для студентов специальностей 200200, 200100, 220500, 230300, 190700 при изучении дисциплин “Материалы электронной техники и основы микроэлектроники”, “Материалы в приборостроении”, “Радиоматериалы и радиодетали”, при выполнении УИРС, курсового и дипломного проектирования. Лабораторный стенд выполнен по заданию РНПО «РОСУЧПРИБОР».

© Кафедра микроэлектроники Пензенского государственного университета

Цель работы: изучение процессов, протекающих в ферромагнитных материалах в магнитном поле, исследование основных характеристик ферромагнитных материалов по кривой намагничивания.

Теоретическое введение Магнитными материалами называются вещества, обладающие магнитными свойствами, т.е. способностью намагничиваться в магнитном поле и тем самым приобретать магнитный момент. Результирующий макроскопический магнитный момент М представляет собой сумму элементарных магнитных моментов m для n атомов данного вещества n

M=

∑m . i

i =1

Магнитные свойства вещества характеризуются магнитной восприимчивостью χ = M H , где М – магнитный момент единицы объема вещества или намагниченность в магнитном поле напряженностью Н. Магнитное поле в вакууме, создаваемое некоторой системой проводников с током или совокупностью постоянных магнитов, характеризуется векторами магнитной индукции В и напряженности поля Н, связанными через магнитную постоянную μ0=4π⋅10-7 [Гн/м]: B = μ 0 H . Магнитное поле в материале, кроме напряженности поля H, создаваемой током в намагничивающей обмотке, зависит так же от магнитных свойств материала. Полная магнитная индукция в материале составляет B = μ 0 H + μ 0 M , где первый и второй члены правой части представляют собой соответственно составляющие внешнего и внутреннего поля. Одним из основных магнитных параметров материала является магнитная проницаемость. Различают абсолютную μ € = B H = μ 0 (1 + χ) и относительную μ = B (μ 0 H ) = 1 + χ магнитные проницаемости материала. Откуда для магнитной восприимчивости имеем χ = μ − 1 . По значению χ, ее зависимости от напряженности магнитного поля, температуры и других факторов выделяют следующие пять основных видов магнитных материалов: диа-, пара- и антиферромагнетики образуют группу слабомагнитных материалов; ферро- и ферримагнетики относятся к группе сильномагнитных материалов. В изделиях электротехники и электроники наиболее часто применяются ферромагнетики. Все ферромагнетики характеризуются: большим значением χ, способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых полях, гистерезисом - зависимостью магнитных свойств от предшествующего состояния, точкой Кюри – предельной температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и другие материалы. 3

Ферромагнетизм заключается в существовании в веществе областей – доменов, в пределах которых материал намагничен до состояния насыщения. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков достигает значений 105 - 106 и существенно зависит от температуры и напряженности магнитного поля. Магнитные свойства материалов описываются зависимостями В от Н и потерь на перемагничивание Р от индукции и частоты. Зависимость вида В(Н) называют кривой намагничивания. При циклическом перемагничивании кривая намагничивания образует петлю гистерезиса (рис. 1). Различают следующие типы зависимостей : Частная петля гистерезиса 2 – петля, полученная при циклическом изменении напряженности, если H < Hm; Предельная петля гистерезиса 3 – петля, полученная при циклическом изменении напряженности H ≥ Hm; Основная кривая намагничивания 1. Представляет собой геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса, получающихся при циклическом перемагничивании, или полученную при монотонном увеличении напряженности поля в предварительно размагниченном образце.

измерительного сигнала в диапазоне 40 - 1000 Гц. Постройте график относительной магнитной проницаемости. Дайте качественную характеристику магнитных свойств исследуемого материала. Содержание отчета Описание цели исследований. Краткое изложение метода исследований. Обобщенную структурную схему измерений. Расчетные формулы. Результаты измерений (таблицы, графики). Выводы. Контрольные вопросы 1. Опишите процессы, происходящие в ферромагнитных материалах при их перемагничивании, в соответствии с кривыми намагничивания. Охарактеризуйте типы кривых намагничивания. 2. Назовите параметры петли гистерезиса и другие параметры, характеризующие магнитные свойства материалов. 3. Поясните различия между магнитомягкими и магнитотвердыми ферромагнитными материалами. Приведите примеры данных материалов. 4. Назовите виды потерь на перемагничивание в ферромагнитных материалах. 5. Приведите примеры областей применения ферромагнитных материалов с различными свойствами.

Литература 1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. М: Высшая школа, 1986. – 367с. 2. Справочник по электротехническим материалам. / Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева - Т. 3. Л: Энергоатомиздат, 1988. – 728с. 3. Печерская Р.М. Расчет электрорадиоэлементов. Учебное пособие. Пенза: Изд-во ПензГТУ, 1994. – 72с.

Рис. 1. Петля гистерезиса

При достаточно больших значениях H кривая 1 асимптотически приближается к прямой B = Bm + μ 0 H , где Bm – индукция насыщения. Начиная со значения Hm, при дальнейшем увеличении напряженности петля 4

13

Рис 5. Окно результата

Нажав кнопку <Печать>, вы добавляете результат в окно Preview (окно предварительного просмотра). Перед тем как перейти к следующему графику, желательно сохранить изменения, нажав кнопку <Сохранить>. Окно Preview (рис 6.) содержит печатаемую страницу (на одной странице желательно помещать три графика).

гистерезиса остается неизменной (за исключением продолжающих расти узких «носиков»). Все частные петли, как симметричные, так и несимметричные, лежат внутри предельной петли. Основные параметры петли гистерезиса: Остаточная индукция Вr - индукция, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внешнего магнитного поля; Коэрцитивная сила Нc - размагничивающее поле, которое должно быть приложено к образцу, чтобы индукция стала равной нулю; Потери на гистерезис при перемагничивании материала с частотой f:

∫

P‹ = f ⋅ ( HdB ) / γ , где γ - плотность материала (кг/м3).

По основной кривой намагничивания могут быть определены также: начальная магнитная проницаемость μ н = lim

B μ0H

H →0

и дифференциальная магнитная проницаемость dB μд = . μ 0 dH

Рис 6. Окно предварительного просмотра

По окончанию формирования страницы с разрешения преподавателя нажмите кнопку Печать в окне Preview.

Экспериментальная часть Лабораторное задание По частным петлям гистерезиса постройте на экране монитора основную кривую намагничивания. Для установленного образца магнитного материала получите предельную петлю гистерезиса на частоте, заданной преподавателем. Определите значения параметров предельной петли гистерезиса по графику кривой на экране монитора. Определите коэффициент прямоугольности петли К п = Br Bm . Определите

влияние

на

параметры 12

петли

гистерезиса

частоты

Магнитные свойства материалов характеризуются также реверсивной (обратимой) магнитной проницаемостью μр, которая измеряется на переменном сигнале малой амплитуды на фоне большого смещающего поля. Реверсивная проницаемость обусловлена явлением гистерезиса в магнитных материалах. Перемагничивание магнитных материалов в переменных полях возбуждает вихревые токи, магнитное поле которых направлено встречно внешнему полю. В результате напряженность магнитного поля в материале падает с удалением в глубь от поверхности. Вихревые токи вносят вклад в потери на перемагничивание. Для уменьшения потерь на вихревые токи на высоких частотах следует применять магнитомягкие высокочастотные материалы (магнитодиэлектрики, ферриты), у которых значение удельного сопротивления значительно больше, чем у низкочастотных материалов электротехнических сталей, пермаллоев. Таким образом, потери на перемагничивание состоят в основном из потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи: P = P‹ + P‰ . Различают магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы. Магнитомягкие материалы характеризуются значительными магнитной проницаемостью, индукцией насыщения, малой коэрцитивной силой (не более 4 кА/м) и, следовательно, узкой петлей гистерезиса. К магнитомягким материалам относятся технически чистое железо, электротехнические стали 5

сплавы железа с углеродом, кремнистые стали ( содержат 0,5÷5% кремния), пермаллой - сплав железа с никелем с добавками других металлов, магнитомягкие ферриты – системы окислов железа, цинка, никеля, марганца и некоторых других металлов, магнитодиэлектрики – мелкодисперсные порошки высокопроницаемых материалов на основе карбонильного железа (Р10, Р20,..,Р100 и др.), альсифера (ТЧ-90,ТЧК-55), пермаллоев (П-250, П-160, ..), ферритов (НМ-5) в неферромагнитной связке. Магнитотвердые материалы, напротив, имеют большую коэрцитивную силу, высокие значения объемной плотности энергии, малую магнитную проницаемость. К магнитотвердым материалам относятся стали с высоким содержанием углерода (ЕХ3, ЕВ6, ЕХ5К5), алнико - сплавы железа с алюминием, никелем, кобальтом, магнитотвердые ферриты, викаллой - сплав железа с ванадием, соединения на основе редкоземельных элементов самария, празеодима и др. Кроме указанных групп магнитных материалов, все большее распространение в технике находят магнитные материалы с цилиндрическими магнитными доменами, магнитострикционные, тонкопленочные, аморфные магнитные материалы, магнитные жидкости.

Формирование отчета Отчет можно подготовить с помощью программ Microcoft Office: Winword и Excel (см команды (Копировать в буфер), хотя применение Excel необязательно, поскольку ПО лабораторной работы предоставляет большие возможности работы с графикой. Разверните окно базы данных (рис 4.). Выберите мышью полученный вами график, нажмите кнопку показать (♠) .

Описание схемы измерений Структурная схема измерений представлена на рисунке 2. Она включает в себя: персональный компьютер (ЭВМ) с установленной в него звуковой картой; усилитель мощности с регулируемым коэффициентом усиления; интегрирующий преобразователь, образец, выполненный в виде тороидального трансформатора.

Рис 4. Вид экрана с окном выбора данных

При этом откроется окно результата (рис 5.). Установите, если необходимо, масштаб и характерные точки на графике (см. Работа с графиком)

B

H ~

1

2

R Рис. 2. Схема измерений

6

11

Масштаб 75 Устанавливает масштаб графика текущего активного окна на 75%. Печать Передает в буфер отчета содержимое текущего окна. Наилучший вид отчета получается при печати не более 3..4 графиков на листе A4. При этом отображается вид текущей страницы отчета. Буфер обмена При выборе одного из элементов данного меню происходит копирование данных из текущего окна в Буфер обмена Windows для обработки другими средствами (Winword, Excel и др.) Вид кривой Происходит построение временной зависимости индукции B и напряженности H от времени t по данным петли гистерезиса текущего активного окна (кнопка работает как переключатель) База данных Происходит активизация окна базы данных результата измерения

Работа с графиком •для уменьшения масштаба графика используйте кнопку <75>; при этом масштаб графика изменяется на 75%. •для увеличения установите курсор мыши в верхний левый угол выбранного вами участка, нажмите левую клавишу мыши и ведите, не отпуская клавиши мыши в правый нижний угол участка, при отпускании клавиши мыши произойдет изменение масштаба, при отсутствии изменения проверьте состояние кнопки Авто-масштаба, она должна быть в отжатом состоянии;

ЭВМ при помощи звуковой карты вырабатывает синусоидальное напряжение в диапазоне частот 40÷1000 Гц. Переменное напряжение поступает на вход усилителя, к выходу которого подключена намагничивающая обмотка трансформатора. Трансформатор представляет собой образец исследуемого магнитного материала с намотанными на него двумя обмотками: намагничивающей обмоткой 1 и измерительной обмоткой 2. Напряженность магнитного поля в материале определяется током I в намагничивающей обмотке по формуле H = I ⋅ n , где n – плотность витков обмотки 1 (кол-во витков/м). Значение тока намагничивания и, следовательно, напряженности поля в образце определяется по значению падения напряжения на измерительном резисторе R, который включается последовательно с обмоткой 1. Номинальное сопротивление резистора 2,7 Ом. Напряжение с измерительного резистора подается на линейный вход звуковой карты в ЭВМ. Амплитуда напряженности поля устанавливается с помощью регулировки величины сигнала, поданного на усилитель. ЭДС, наводимая в измерительной обмотке 2, пропорциональна производной от индукции B магнитного поля в исследуемом образце. Напряжение обмотки 2 интегрируется интегратором, на выходе которого напряжение измерительного сигнала пропорционально уже непосредственно B. Напряжение с выхода интегратора резистора подается на линейный вход звуковой карты в ЭВМ. Таким образом, в ЭВМ имеется информация о напряженности H, индукции B магнитного поля в исследуемом образце и их частоте, на основании которой программное обеспечение автоматизированного лабораторного стенда осуществляет построение кривых намагничивания и расчет всех магнитных параметров материалов.

Управление лабораторной работой Возможности Лабораторная работа позволяет:

•для возврата к прежнему масштабу нажмите левую кнопку мыши и, не отпуская клавиши, проведите мышью в сторону левого верхнего угла.

• производить измерения;

•для расстановки характерных точек поместите курсор мыши в выбранный участок кривой (при этом курсор примет вид перекрестия) и нажмите левую кнопку мыши;

• представлять результаты в графическом и текстовом виде;

•для удаления лишней характерной точки подведите курсор мыши к удаляемой точке (при этом курсор переменится) и нажмите левую кнопку мыши; Примечание. Изменения в базу данных будут внесены при нажатии кнопки <Сохранить>. 10

• сохранять результаты в базе данных; • формировать отчет и получать твердую копию. Примечание: Только при проведении измерений ваш компьютер связывается с измерительным стендом, а в остальных случаях вы работаете только с результатами измерений.

7

Все управление лабораторной работой осуществляется с помощью ЭВМ. Управляют работой при помощи команд, которые можно вводить либо из меню, либо кнопками панели управления. Команды Команды разбиты на группы. Измерения: Измерение Образец Вид кривой Фиксация точки Сохранить

(максимального тока через обмотку Im<0.95 А) W2 – из максимальной индукции в стержне (напряжение на входе интегратора Ui<0.6 В. Ui пропорционально W2/W1. Коэффициент передачи интегратора при f=40 Гц Ki=4). Фиксация точки При нажатии на эту кнопку происходит запись значений вершин частных петель гистерезиса и построения по ним основной кривой намагничивания (рис 3).

Просмотра и обработки: Вид кривой База данных Автомасштаб Масштаб 75 Печать Буфер обмена Сохранить Измерение Активизирует процесс снятия зависимостей петли гистерезиса. Регулятором с левой стороны окна можно изменять напряженность поля и частоту, поля – при этом масштаб графика изменяется автоматически (этот режим можно отключить см. Автомасштаб) Для снятия основной кривой намагничивания необходимо: - изменяя напряженность электрического поля, с помощью ручки <Амплитуда> фиксируйте координаты вершин частных петель с помощью кнопки <Фиксация точки> (10-16 раз). - сохраните её с помощью кнопки <Сохранить>. Образец

Рис 3 Снятие основной кривой намагничивания

Сохранить

Установка параметров образца находящегося в стенде, где S_obr – площадь образца [м2]; L_obr – средний радиус образца [м]; W1 – число витков первичной обмотки; W2 – число витков вторичной обмотки. W1 выбирается исходя из максимальной напряженности магнитного поля 8

Происходит сохранение данных из текущего окна в базе данных. Автомасштаб Управляет включение и выключением режима автоматической установки масштаба графика в соответствии с размахом петли гистерезиса текущего активного окна. 9