Исследование свойств металлических ферромагнетиков

 

5.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 

Основные свойства ферромагнитных материалов, а также ферритов обусловлены наличием у них в определённом интервале температур спонтанной (самопроизвольной) намагниченности и доменной структуры. Для существования спонтанной намагниченности необходимо выполнение по крайней мере двух условий. В состав материала должны входить атомы или ионы металлов, имеющих недозаполненные внутренние (например.3) электронные оболочки (к таким металлам относятся железо, никель, кобальт и др.); кристаллическая структура материала должна быть такой, чтобы силы обменного взаимодействия между этими атомами приводили к их взаимному упорядочению, т.е. к параллельной (или антипараллельной, но с явным преобладанием одного из направлений) ориентации их спиновых магнитных моментов.

В отсутствии внешнего магнитного поля состояние, при котором вектор спонтанной намагниченности имел бы во всём образце одно направление, энергетически не выгодно, так как оно привело бы к большому рассеянию магнитного потока в окружающее пространство. Поэтому образец самопроизвольно разбивается на отдельные области – домены, имеющие размеры порядка единиц микрометров. Внутри каждого домена вектор намагниченности имеет одинаковое направление, а суммарный магнитный поток замкнут внутри образца. Соседние домены с различной ориентацией магнитного момента разделены доменными границами (ДГ), в которых направление спиновых моментов изменяется плавно.

Одним из характерных свойств ферромагнитных материалов является нелинейность кривой намагничивания (КН), т.е. зависимости магнитной индукции Вот напряжённости магнитного поля Н(рис. 5.1).

При воздействии внешнего поля в ферромагнетике происходит смещение ДГ и разрастание тех доменов, магнитные моменты которых наиболее соответствуют направлению поля. В слабых полях процесс смещения ДГ носит обратимый характер. По мере увеличения Нвозрастает вклад необратимого смещения ДГ, а также второго механизма намагничивания – поворота магнитных доменов вдоль поля. При некотором значении Н / Н₂ на рис. 5.1 намагниченность всех доменов будет совпадать с направлением поля. Наступает состояние технического насыщения магнитной индукции. Дальнейшее увеличение Нне приводит к существенному возрастанию В.Из КН можно рассчитать и построить зависимость магнитной проницаемости от напряжённости поля.

Магнитная проницаемость, измеряемая в слабых полях (при Н → 0), называется начальной. Начальная магнитная проницаемость является важнейшей характеристикой магнитомягких материалов. При увеличении напряжённости поля магнитная проницаемость сначала растёт, что связано со сверхлинейной зависимостью смещения ДГ от Ни с увеличением вклада процессов вращения.

-33-

 

 

Рис. 5.1. Зависимость индукции, магнитной проницаемости и доменной структуры образца от напряжённости поля

 

 

В

 

 

В_r

 

 

Н_c H

 

Рис. 5.2. Петли гистерезиса и основная кривая намагничивания

 

-34-

 

При напряжённости поля Н = Н₂магнитная проницаемость достигает максимального значения μ_max, затем падает из-за насыщения магнитной индукции. При H → ∞ μ → 1.

Если после намагничивания образца до насыщения внешнее поле медленно уменьшить до нуля, то индукция в нуль не обратится, а примет значение В_r (рис. 5.2), называемое остаточной индукцией.

Чтобы уменьшить индукцию до нуля, необходимо приложить обратно направленное поле напряжённостью Н_c называемое коэрцитивной силой. В зависимости от численного значения Н_c ферромагнетики делят на магнитомягкие и магнитотвёрдые. В_r и Н_c являются параметрами статической предельной петли гистерезиса, т.е. ПГ, полученной при медленном циклическом перемагничивании намагниченного до насыщения образца. Площадь статической ПГ характеризует потери энергии на гистерезис Э_Г, обусловленные необратимыми процессами смещения и вращения за один цикл перемагничивания. При достаточно быстром изменении Н по величине и знаку зависимость В(Н) описывает динамическую петлю гистерезиса. При намагничивании до одинакового предельного значения индукции площадь динамической ПГ металлических ферромагнетиков больше площади статической ПГ на величину, характеризующую потери энергии на вихревые токи Э_В.Т. Величина Э_Г постоянна в достаточно широком диапазоне частот, а величина Э_В.Т. возрастает пропорционально частоте.

Мощность потерь на гистерезис и вихревые токи описываются соответственно формулами:

(3.1)

 

где η – коэффициент, зависящий от свойств материала;

В_m – максимальная индукция, достигаемая в данном цикле;

n – показатель степени, принимающий значения от 1,6 до 2 для различных материалов;

ξ – коэффициент, зависящий от удельной проводимости ферромагнетика и формы образца.

Геометрическое место вершин ПГ при последовательном увеличении амплитудного значения напряжённости поля описывает основную кривую намагничивания (ОКН).

Для металлических ферромагнетиков характерно уменьшение измеряемой величины магнитной проницаемости от частоты, наблюдаемое на достаточно низких частотах, когда инерционность процессов намагничивания ещё не проявляется. Это объясняется размагничивающим действием вихревых токов. Вихревые токи, индуцируемые в ферромагнитном сердечнике, создают, в соответствии с законом Ленца, собственный поток магнитной индукции, находящийся в противофазе с основным потоком. Плотность потока, создаваемого вихревыми токами, максимальна в центре сердечника и равна нулю на поверхности его. Поэтому результирующая магнитная индукция убывает вглубь от поверхности сердечника. Относя измеренный поток ко всему сечению

-35-

 

сердечника, мы определяем некоторое эффективное значение индукции при данной частоте и соответствующее ему эффективное значение магнитной проницаемости μ_эфф . Для уменьшения потерь на вихревые токи и замедления спада μ_эфф с ростом частоты сердечники дросселей, трансформаторов и других электромагнитных устройств набирают из изолированных друг от друга пластин,

толщина которых меньше глубины проникновения поля в материал ферромагнетика на заданной частоте.

В настоящей работе студенты исследуют осциллографическим методом ПГ и ОКН железо-никелевого сплава пермаллой и определяют методом генератора и двух вольтметров частотную зависимость его эффективной магнитной проницаемости.

 

5.2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

 

Схема испытания приведена на рис. 5.3, где Ф – испытуемый сердечник с первичной обмоткой W₁ и вторичной W₂; G – генератор синусоидальных сигналов; PV – ламповый вольтметр; N – осциллограф; R – образцовый («токовый») резистор; R _И, С _И - интегрирующая цепочка.

 

Рис. 5.3. Схема для испытания свойств ферромагнитных материалов

 

К пластинам горизонтального отклонения осциллографа (вход “X”) прикладывают напряжение U_X = U_R, снимаемое с резистора R_T и пропорциональное току I, протекающему в обмотке W_1­, следовательно, пропорциональное напряжённости поля Н, поскольку

 

(5.3)

 

где – средняя длина линий напряжённости поля.

 

-36-

 

На вертикальный вход осциллографа (вход “Y”) подают напряжение U_Y=U_C, снимаемое с конденсатора С_И интегрирующей цепочки, которое определяется выражением:

 

(5.4)

 

где – ток в интегрирующей цепочке.

Если , то

 

, (5.5)

 

где Е₂ - ЭДС во вторичной обмотке.

Согласно закону Ленца

, (5.6)

где S - сечение образца.

С учётом выражений (5.5) и (5.6) формула (5.4) принимает следующий вид:

, (5.7)

 

т.е. U_C пропорционально индукции в образце.

При одновременном приложении напряжений U_R и U_C к пластинам осциллографа на его экране получится ПГ, характеризующая зависимость В(Н).

Для исследования частотной зависимости μ_эфф в образце создаётся слабое магнитное поле, соответствующее начальному участку КН. Значение Н контролируется по падению напряжения U_R на резисторе R_T. Измеряя напряжение на входе схемы U_ВХ, можно найти падение напряжения U_L на катушке индуктивности с исследуемым сердечником.

 

5.3. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

 

Подготовка к испытанию и градуировка осей осциллографа

Соедините выход генератора сигналов с гнездом G измерительного стенда, к гнезду PV подключите ламповый вольтметр, входы каналов осциллографа соедините с гнёздами X и Y измерительного стенда соответственно. Выведите на минимум против часовой стрелки регулятор выхода генератора сигналов. Переключатель S1 измерительного блока поставьте в положение «Калибровка». Включите приборы в сеть. С помощью ручек ↔ и ↕ добейтесь положения луча в центре экрана. Установите частоту сигнала 50 Гц. При помощи регулятора выхода генератора получите на экране осциллографа предельную ПГ. Напряжение U­_R, измеряемое ламповым вольтметром, должно равняться при этом приблизительно 1В.

-37-

Примечание: предел шкалы ослабления и величину выходного сопротивления генератора здесь и при выполнении других пунктов работы надо устанавливать в такие положения, чтобы сигнал нужной величины регулировался достаточно плавно.

Ручками усиления осциллографа произведите коррекцию ПГ так, чтобы координаты её вершин X₀ и Y₀ равнялись 5 делениям шкалы, считая от центра экрана. При дальнейшей работе ручки усиления не трогать! Измерьте и запишите напряжения U_X = U_R и U_Y = U_C, устанавливая в соответствующие положения переключатель S2.