Laboratorium Nowoczesna Diagnostyka Materiałowa Pomiar materiałów magnetycznie miękkich

Transkrypt

1 Laboratorium Nowoczsna Diagnostyka Matriałowa Pomiar matriałów magntyczni miękkich I. Zagadninia do przygotowania:. Podstawow wilkości opisując pol i matriały magntyczn: natężni pola magntyczngo, indukcja magntyczna, magntyzacja, strumiń pola magntyczngo, podatność magntyczna, prznikalność magntyczna względna i bzwzględna, natężni pola korcji, rmanncja magntyczna. 2. Para-, dia- i frromagntyki: budowa atomowa i rakcja na zwnętrzn pol magntyczni. 3. Domny magntyczn. 4. Jak rozmagnsować frromagntyk? 5. Pętla histrzy i krzywa magnsowania frromagntyka. 6. Układ do pomiaru pętli histrzy stosowany w ćwiczniu. Jak znaczysz B i H? II. Program ćwicznia:. Dobór warunków pomiaru i znaczni pętli histrzy magntyka. 2. Pomiar krzywj pirwotnj magnsowania. 3. Wyznaczni podstawoch paramtrów matriału. III. Litratura:. Matriały z kładu 2. Halliday, Rsnick Podsta Fizyki, PWN 3. FERROXCUBE, Soft frrits and Accssoris 4. VAC, 5. M. Soiński, Matriały magntyczn w tchnic, Wyd. SEP 200 W czasi konywania ćwiczń przstrzgaj przpisów BHP! Wydział Elktroniki Mikrosystmów i Fotoniki

2 . Wstęp.. Cl ćwicznia W ćwiczniu przdstawiona jst prosta mtoda pomiaru paramtrów matriałów magntyczni miękkich. Część praktyczna ćwicznia objmuj znaczni odpowidzi frromagntyka na pobudzni zminnym polm magntycznym oraz obliczniu na jj podstawi paramtrów badango lmntu..2. Frromagntyki Frromagntyki nalżą do grupy matriałów magntycznych. W matriałach tych stępują domny magntyczn, w których momnty magntyczn sąsiadujących atomów spontaniczni ustawiają się w tym samym kirunku. Na uporządkowani kirunków namagnsowania domn można wpływać zwnętrznym polm magntycznym. Jśli na początku takigo uporządkowania brak, to matriał ni kazuj padkowgo namagnsowania i dla natężnia pola magntyczngo H = 0 całkowita indukcja magntyczna B: B = μ 0 (H + M) = μ 0 H + μ 0 χ m H (), gdzi M magntyzacja, μ 0 prznikalność magntyczna próżni, χ m podatność magntyczna, tż jst równa 0. Wraz z wzrostm natężnia zwnętrzngo pola magntyczngo następuj stopniow porządkowani domn w kirunku zgodnym z kirunkim zwnętrzngo pola magntyczngo, co powoduj znaczny wzrost magntyzacji. Podatność magntyczna frromagntyków jst zazczaj bardzo duża, 000, lub więcj, przz co w równaniu () dominuj ostatni czynnik, związany z matriałm. Po osiągnięciu maksymalngo uporządkowania dalszy wzrost indukcji magntycznj jst zahamowany, a jj maksymalną wartość nazywamy indukcją nasycnia B S. Zalżność indukcji od natężnia pola magntyczngo jst zatm niliniowa. Jj krs dla matriału wstępni rozmagnsowango nazywamy krzywą pirwotną magnsowania. Jj przykłado przbig pokazano na rysunku. B B S B R -H C -B R -B S H C H pętla histrzy krzywa Rysunk. Przykładowa pętla histrzy oraz krzywa pirwotna magnsowania frromagntyka. Po obniżniu zwnętrzngo pola magntyczngo do zra uporządkowani domn frromagntycznych pozostaj. Skutkuj to stępowanim pwnj indukcji magntycznj przy powirzchni matriału, nazywaną rmanncją bądź pozostałością magntyczną B R. 2

3 Jśli chcilibyśmy obniżyć indukcję magntyczną tak namagnsowango matriału do zra, trzba zadziałać zwnętrznym polm magntycznym o natężniu H C (natężni pola korcji, natężni powściągając). Matriał posiadający taki właściwości będzi niliniowo ragował na zmiany natężnia zwnętrzngo pola magntyczngo, a zalżność B = f(h) będzi kazywała histrzę. Jj przykłado przbig pokazano na rysunku. Ma ona taki kształt tylko w padku zmian zwnętrzngo pola magntyczngo na tyl silnych, by przy przmagnsowaniu matriału doszło w nim do nasycnia. Jśli tak ni jst, oka histrzy są węższ, zalżność B = f(h) jst bardzij liniowa, a wirzchołki krsów tj zalżności dość dokładni odwzorowują przbig krzywj pirwotnj magnsowania. Fakt tn korzystany jst w ćwiczniu..3. Układ pomiaro Schmat układu do pomiaru pętli histrzy przdstawiono na rysunku 2: Rysunk 2. 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 R w. Napięci U w na tym rzystorz proporcjonaln jst do natężnia prądu w uzwojniu pirwotnym czyli do natężnia pola magntyczngo w rdzniu. Nw U w A H = R l m (2) w gdzi: N w liczba zwojów uzwojnia pirwotngo, l fktywna długość drogi struminia magntyczngo, U w napięci na rzystorz R w. 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 (3) 3

4 gdzi: N liczba zwojów uzwojnia wtórngo, A fktywn pol przkroju poprzczngo rdznia, U napięci na uzwojniu wtórnym. Stanowisko pomiarow zawira analogo układ całkujący RC. Pozwala to na uzyskani i pomiar napięcia wprost proporcjonalngo do indukcji magntycznj: U t U R C B = U ( t) dt [ T ] N A = = (4) N A N A gdzi: R rzystancja układu całkującgo, C pojmność układu całkującgo. 2. Przbig ćwicznia 2.. Informacj wstępn Prowadzący zajęcia daj do pomiarów jdn z rdzni magntycznych z nawiniętymi uzwojniami oraz okrśla częstotliwość pomiarową f pom, 500 Hz f pom 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. RC (5) f 2.3. Obliczni współczynników skalowania pom Równania 2 i 4 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 (6) w RC T kb = N A V (7) Współczynniki t posłużą do przliczania mirzonych napięć na H i B. H = k U B H B = k U w (8) 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 U w. 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. 4

5 2.5. 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 A max nalży zapisać. b) Jżli pętla histrzy ni jst symtryczna skorygować symtrię rgulując wartością V DC 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 U w H i U B. Sporządzić krs pętli histrzy, znaczyć indukcję nasycnia, rmanncję magntyczną i natężni pola korcji 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 (0 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 Vmax obu kanałów przy amplitudach sygnału z gnratora ustawianych w zakrsi 0 mv A A max. Wartości t nalży wpisać do nowgo arkusza w projkci Origin. 5

6 ) Przliczyć wartości U w i U na wartości B i H, 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 µ max oraz µ i nalży znaczyć z krzywj pirwotnj magnsowania poprzz jj zróżniczkowani i odpowidni przlicznia Wyznaczani stałj indukcyjności rdznia Z zalżności umiszczonj poniżj znaczyć A L, µ = AL µ l 0 (9) A µ prznikalność fktywna (dla rdznia bz szczliny powitrznj równa jst µ i ). Występująca w poższym rażniu suma jst sumą stosunków długości do przkroju wszystkich obwodów magntycznych rdznia. Rdzni toroidaln mają jdn obwód magntyczny Wyznaczani nrgii magnsowania, rozmagnsowania oraz nrgii traconj przy przmagnsowaniu Enrgi nalży znaczyć korzystując właściwości całki będącj polm powirzchni pod krzywą. B n J W = H db m (0) 3 0 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