Laboratorium Półprzewodniki Dielektryki Magnetyki Ćwiczenie nr 11 Badanie materiałów ferromagnetycznych

Transkrypt

1 Laboratorium Półprzwodniki Dilktryki Magntyki Ćwiczni nr Badani matriałów frromagntycznych I. Zagadninia do przygotowania:. Podstawow wilkości charaktryzując matriały magntyczn. Związki pomiędzy B, H i M 2. Klasyfikacja matriałów magntycznych 3. Charaktrystyka matriałów magntyczni miękkich, amorficznych i nanokrystalicznych 4. Współczsn zastosowania matriałów magntycznych 5. Krzyw magnsowania, histrza 6. Układ do pomiar pętli histrzy rdzni toroidalnych, jak znaczysz B i H 7. Dfinicj prznikalności magntycznj frrytów. Jaką mtodą można mirzyć prznikalność magntyczną względną? 8. Podstawow paramtry matriałów magntycznych 9. Stała indukcyjności rdznia AL. 0. Magntostrykcja. Zjawisko Villarigo. II. Program ćwicznia:. Zapoznani się z obsługą stanowiska do pomiarów dynamicznj pętli histrzy. 2. Pomiar odpowidzi frromagntyka na pobudzni sygnałm sinusoidalnym (Charaktrystyki B = f(h), krzywa pirwotna) 3. Akwizycja danych pomiaroch w programi VEE. 4. Analiza odpowidzi rdznia frrytowgo z korzystanim całkowania analogowgo i cyfrowgo w programi Origin 5. Wyznaczni podstawoch paramtrów frrytów III. Litratura:. Matriały z kładu Dilktryki i Magntyki 2. FERROXCUBE, Soft frrits and Accssoris 3. VAC, 4. M. Soiński, Matriały magntyczn w tchnic, Wyd. SEP 200 Wydział Elktroniki Mikrosystmów i Fotoniki

2 . Wstęp.. Cl ćwicznia W ćwiczniu przdstawiona jst mtoda pomiaru paramtrów matriałów frromagntycznych. Część praktyczna ćwicznia objmuj znaczni odpowidzi frromagntyka na pobudzni sygnałm sinusoidalnym oraz na jj podstawi obliczniu paramtrów badango lmntu..2. Układ pomiaro Schmat układu do pomiaru pętli histrzy przdstawiono na rysunku Rysunk : Uproszczony schmat stanowiska pomiarowgo. Na rdzniu toroidalnym, konanym z badango matriału magntyczngo, nawinięt są dwa uzwojnia. Układ pomiaro posażony jst w podstawkę umożliwiającą szybką mianę badango rdznia. Uzwojni pirwotn służy do wzbudzania pola magntyczngo w rdzniu i połączon jst z gnratorm przbigu okrsowgo i wzmacniaczm. Szrgowo podłączony jst równiż rzystor pomiaro Rw. Napięci Uw na tym rzystorz proporcjonaln jst do natężnia prądu w uzwojniu pirwotnym czyli do natężnia pola magntyczngo w rdzniu. Nw Uw A H R l m () w gdzi: Nw liczba zwojów uzwojnia pirwotngo, l fktywna długość drogi struminia magntyczngo, Uw napięci na rzystorz Rw. Indukcja magntyczna w rdzniu mirzona jst za pomocą uzwojnia wtórngo. Całka z napięcia (U) na tym uzwojniu proporcjonalna jst do indukcji magntycznj wg zalżności: B U ( t) dt [ T] N A (2) gdzi: N liczba zwojów uzwojnia wtórngo, A fktywn pol przkroju poprzczngo rdznia, U napięci na uzwojniu wtórnym. 2

3 Stanowisko pomiarow zawira analogo układ całkujący RC. Pozwala to na uzyskani i pomiar napięcia wprost proporcjonalngo do indukcji magntycznj: U U R C B U ( t) dt [ T] N A (3) N A N A gdzi: R rzystancja układu całkującgo, C pojmność układu całkującgo. Wymiary potrzbn w poższych wzorach zalżą od gomtrii obwodu magntyczngo, który jst badany. Od nij bowim zalży długość i przkrój, jaki zajmują lini sił pola magntyczngo. Dla tzw. rdznia toroidalngo (ni jst to dokładni toroid, poniważ jgo przkrój jst w przybliżniu prostokątny a ni kolisty) miary t są prost do okrślnia (rysunk 2). Rysunk 2: Prost obwody magntyczn: a) solnoid, b) widok ogólny rdznia toroidalngo z uzwojnim, c) przkrój rdznia toroidalngo w płaszczyźni toroidu, d) przkrój rdznia toroidalngo poprzczny do linii sił pola magntyczngo. Lini sił pola w wnętrzu prostgo solnoidu przbigają równolgl do jgo osi i są prostopadł do płaszczyzny każdgo z zwojów (rysunk 2a). Jśli podobn uzwojni zostani nawinięt na rdzniu toroidalnym (rysunk 2b) to nadal lini sił pola będą prostopadł do płaszczyzny zwojów i będą przbigały wwnątrz pirścinia toroidu. Długość drogi struminia magntyczngo można zatm znaczyć obliczając obwód okręgu lżącgo w połowi grubości toroidu d (rysunk 2c), a przkrój rdznia na podstawi jgo szrokości h i sokości w (rysunk 2d). 2. Przbig ćwicznia 2.. Informacj wstępn Prowadzący zajęcia daj do pomiarów jdn z rdzni magntycznych z nawiniętymi uzwojniami oraz okrśla częstotliwość pomiarową fpom, 500 Hz fpom 2 khz 2.2. Obliczni wartości lmntów układu całkującgo Nalży dobrać wartość kondnsatora C w układzi całkującym. Wartość rzystora R jst stała, zaznaczono ją na schmaci. C nalży dobrać spośród dostępnych wartości tak, aby stała czasowa układu całkującgo ni była mnijsza od okrsu sygnału pomiarowgo. 3

4 R C (4) f pom Kondnsatory obwodu całkującgo włącza się stosownymi przłącznikami oznaczonymi symbolami pojmności. Włączni kilku z nich powoduj równolgł połączni kilku pojmności Obliczni współczynników skalowania Równania i 3 wskazują sposób przliczania mirzonych napięć. Bazując na obliczonych bądź odczytanych z schmatu wartościach rzystancji i pojmności, pomiarach miarów rdznia i zliczniu zwojów obu uzwojń nalży liczyć wartości: Nw A kh R l mv (5) w RC T kb N A V (6) Współczynniki t posłużą do przliczania mirzonych napięć na H i B. H k U B H B k U w (7) 2.4. Zstawini układu pomiarowgo Gnrator nalży połączyć z płytką zstawu do pomiaru pętli histrzy przwodm koncntrycznym. Wyjści H połączyć nalży z wjścim kanału pirwszgo oscyloskopu. Na jściu tym prowadzan jst napięci Uw. Drugi kanał oscyloskopu nalży połączyć z jścim B układu pomiarowgo. Na jściu tym prowadzan jst napięci U. Ustalić kształt gnrowango przbigu na sinusoidalny o amplitudzi rzędu kilkust miliwoltów i zadanj częstotliwości. Oscyloskop przłączyć w tryb pracy XY (mnu pod klawiszm Main/Dlayd). Na krani oscyloskopu powinna być widoczna pętla histrzy Wyznaczni pętli histrzy Pętlę histrzy uzyskuj się pobirając automatyczni dan z oscyloskopu na którym przntowana jst pętla histrzy rdznia magntyczngo pracującgo w nasycniu. a) Nalży ustalić amplitudę sygnału z gnratora na wartość, przy którj na pętli histrzy obsrwowanj na oscyloskopi będzi raźni widoczn nasycani się rdznia. Wartość Amax nalży zapisać. b) Jżli pętla histrzy ni jst symtryczna skorygować symtrię rgulując wartością VDC w gnratorz. Uwaga, zkl starczy zmiana o kilka mv. c) Uruchomić program do akwizycji danych Magntyki, pobrać dan z oscyloskopu, zapisać j. Akwizycja danych powoduj przłączni oscyloskopu w tryb pracy zdalnj. Po skończonj akwizycji danych przłączyć oscyloskop w tryb pracy autonomicznj klawiszm LOCAL. d) Pobran dan nalży zaimportować do nowgo arkusza w projkci Origin. Dokonać przliczń Uw H i U B. Sporządzić krs pętli histrzy, znaczyć indukcję nasycnia, rmanncję magntyczną i natężni pola korcji. ) Odniść otrzyman wartości do typoch paramtrów frrytoch rdzni magntycznych. 4

5 2.6. Wyznaczani krzywj pirwotnj magnsowania Rysunk 2. Krzywa pirwotna magnsowania i zalżność prznikalności magntycznj w funkcji natężnia pola magntyczngo. Krzywa pirwotna magnsowania znaczana jst przz punkty maksymalnj indukcji i natężnia pola pętli histrzy mirzonych przy różnych napięciach sygnału z gnratora. Wiadomo równiż, ż przchodzi ona przz punkt B=0, H=0. a) Ustawić minimalną amplitudę sygnału z gnratora (50 mv), oscyloskop przłączyć w tryb XY. Upwnić się, ż oba kanały pracują w trybi sprzężnia stałoprądowgo. b) W razi stępowania asymtrii w obsrwowanym przbigu skorygować położni obsrwowanj krzywj dodając składową stałą do gnrowango przbigu. c) Przłączyć oscyloskop w tryb YT, uzyskać stabilny obraz (Auto Scal) d) Korzystając z funkcji automatyczngo pomiaru napięć zmirzyć amplitudę międzyszczytową przbigów dla obu kanałów przy amplitudach sygnału z gnratora ustawianych w zakrsi 50 mv A Amax. Wartości t nalży wpisać do nowgo arkusza w projkci Origin. ) Przliczyć wartości U w i U na wartości B i H pamiętając o uwzględniniu faktu mirznia amplitudy międzyszczytowj, f) Wykrślić krzywą pirwotną magnsowania na osobnym krsi jak równiż wpisać ją w wczśnij znaczoną pętlę histrzy 2.7. Wyznaczani wartości μmax oraz μi Wartości max oraz i nalży znaczyć z krzywj pirwotnj magnsowania poprzz jj zróżniczkowani i odpowidni przlicznia Wyznaczani stałj indukcyjności rdznia Z zalżności umiszczonj poniżj znaczyć AL, AL l 0 (8) A prznikalność fktywna (dla rdznia bz szczliny powitrznj równa jst i). Występująca w poższym rażniu suma jst sumą stosunków długości do przkroju 5

6 wszystkich obwodów magntycznych rdznia. Rdzni toroidaln mają jdn obwód magntyczny Wyznaczani L 0 oraz L x Z zalżności umiszczonj poniżj znaczyć L0, L l 0 r 0 (9) 2 n A 2.0. Wyznaczani nrgii magnsowania, rozmagnsowania oraz nrgii traconj przy przmagnsowaniu Enrgi nalży znaczyć korzystując właściwości całki będącj polm powirzchni pod krzywą. W B n 0 J H db m (0) 3 Rysunk 3: Wyznaczani nrgii: a) magnsowania, b) rozmagnsowania i c) przmagnsowania. Uwaga: Wyznaczni nrgii przmagnsowania jst możliw łączni w przypadku zgodności przbigu pętli histrzy z krzywą pirwotną magnsowania. 6