Магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы

Различают магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы. Магнитомягкие материалы характеризуются значительными значениями 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 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.

Петля гистерезиса

Магнитные свойства материалов описываются зависимостями индукции В от напряженности Н и потерь на перемагничивание Р от индукции и частоты. Зависимость вида В(Н) называют кривой намагничивания (рисунок 1). При циклическом перемагничивании кривая намагничивания образует петлю гистерезиса.

Рисунок 1 – Петля гистерезиса

Различают следующие типы зависимостей:

Частная петля гистерезиса 2 – петля, полученная при циклическом изменении напряженности, если H<H_m;

Предельная петля гистерезиса 3 – петля, полученная при циклическом изменении напряженности H³H_m;

Основная кривая намагничивания 1. Представляет собой геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса, получающихся при циклическом перемагничивании или при монотонном увеличении напряженности поля в предварительно размагниченном образце.

При достаточно больших значениях H кривая 1 асимптотически приближается к прямой , где B_m – индукция насыщения. Начиная со значения H_m, при дальнейшем увеличении напряженности петля 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 В_r – индукция, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внешнего магнитного поля;

Коэрцитивная сила Н_c – размагничивающее поле, которое должно быть приложено к образцу, чтобы индукция стала равной нулю;

Потери на гистерезис при перемагничивании материала с частотой f: , где g – плотность материала (кг/м³).

По основной кривой намагничивания могут быть определены также: начальная манитная проницаемость

и дифференциальная магнитная проницаемость

.

Магнитные свойства материалов характеризуются также реверсивной (обратимой) магнитной проницаемостью m_р, 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: .

Расчетные соотношения

Согласно схемам измерений звуковой генератор вырабатывает синусоидальное напряжение в диапазоне частот 40–1000 Гц. Это напряжение поступает на намагничивающую обмотку образца, который изготовлен в форме кольца с намотанными на него двумя обмотками: намагничивающей обмоткой 1 и измерительной обмоткой 2. Напряженность магнитного поля в материале определяется током Iв намагничивающей обмотке по формуле:

,

где n – плотность витков обмотки 1 (количество витков /м); wl – количество витков; L – длина магнитопровода. Величина тока намагничивания определяется по значению падения напряжения на измерительном резисторе R1(R1 = 1,5 Ом), который включается последовательно с обмоткой 1, т.е.

.

ЭДС, наводимая в измерительной обмотке 2 образца, пропорциональна производной от индукции магнитного поля B. Напряжение обмотки 2 интегрируется интегрирующим усилителем, на выходе которого напряжение измерительного сигнала пропорционально уже непосредственно В. Формулы для расчета индукции по сигналу напряжения на выходе интегратора.

ЭДС, наводимая в измерительной обмотке 2:

,

где w2 – число витков в измерительной обмотке 2, F – магнитный поток.

Выразив магнитный поток через индукцию, получим сигнал на выходе интегратора:

,

где S – площадь сечения магнитопровода; t – постоянная времени интегратора: .

Здесь Ri = 10 кОм; Ci = 0,22 мкФ.

Следовательно индукция будет определяться: .

2 Описание лабораторного стенда

Лабораторные работы реализованы на стенде, который состоит из компьютера и измерительного блока. Компьютер (совместно с программным обеспечением) является управляющим и индицирующим элементом установки. Во время измерений установка может работать как в режиме цифрового осциллографа, так и в режиме измерений отдельных величин по приборам измерительной схемы.

Программное обеспечение управляет процессом измерений и позволяет рассчитывать параметры и характеристики исследуемого материала. Оно представлено двумя приложениями – MG_Stend.exe и MG_Stud.exe.

MG_Stend.exe – это программа общения с измерительным блоком. Она работает самостоятельно и не зависит от приложения MG_Stud.exe.

MG_Stud.exe – программа общения с пользователем. Она может работать как совместно с MG_Stend.exe, так и без нее. В первом случае возможно проводить как измерения, так и их обработку, во втором – только обработку ранее сделанных измерений.

Интерфейс пользователя

Рабочее место

Рисунок 2 – Основное окно приложения

Программа общения с пользователем организована как работа за классическим измерительным стендом, оснащенным различными источниками воздействия и регистрирующими измерительными приборами. Можно сказать, что эти устройства реально реализованы в измерительном блоке, но не имеют отдельных корпусов и индицирующих устройств. Последние представлены только на экране компьютера.

Основное окно программы общения с пользователем показано на рисунке 2.

Программное обеспечение построено по принципу многооконного интерфейса. Центральное место занимает окно с упрощенными схемами измерений, которые реализованы в реальном измерительном блоке. Таких схем может быть три.

На каждой схеме присутствует свой набор управляющих и регистрирующих инструментов. Внешний вид приборных панелей, естественно, отличается от реально существующих приборов (рисунки 3 и 4). Более того, на них есть специальные кнопки, которых в принципе не бывает на реальных устройствах: например, кнопка «Справка», позволяющая получить справочную информацию о данном приборе.

Рисунок 3 – Регистрирующий инструмент

Рисунок 4 – Управляющий инструмент

Непременным атрибутом при работе за классическим измерительным стендом является Рабочая тетрадь, в которую экспериментатор заносит показания приборов. В программе эта возможность также реализована. Рабочая тетрадь открывается в отдельном окне с помощью команд меню или кнопок панели управления.

Рабочая тетрадь

Этот элемент управления предназначен для ведения текущих записей результатов измерений, расчетов, построенных на полученных результатах, и построения графиков. Все данные рабочей тетради хранятся в базе данных. База данных – это файл с расширением *.mdb, расположенный в папке «Data». Каждой рабочей тетради соответствует свой файл с уникальным названием.

Рабочая тетрадь состоит из трех связанных частей:

Таблицы – в ней сосредоточены значения измеряемых величин и результаты расчетов, полученных из измеренных данных;

Формулы – здесь располагаются формулы, необходимые для расчетов; их можно добавлять, удалять и редактировать;

Графики – здесь сосредоточены графики, построенные как по измеренным данным, так и по результатам расчетов; их также можно добавлять, удалять и редактировать.

Переключаться между частями рабочей тетради можно при помощи ярлычков, расположенных в верхней части окна (рисунок 5).

Рисунок 5 – Переключение между частями рабочей тетради

Таблицы. В этой части рабочей тетради в первую очередь представлены значения измеряемых величин и расчетных величин (Н на рисунок 6), полученных на основе измеряемых. Эти значения оформлены в виде таблицы, расположенной в нижней части окна. Изменить эти данные нельзя, их можно только просматривать. Одна таблица соответствует одному измерению. Под измерением понимается один эксперимент, в котором получены одна или несколько строк с данными, позволяющими рассчитать нужные Вам величины или построить нужные Вам зависимости.

Рисунок 6 – Рабочая тетрадь, вкладка «Таблицы»

Выше таблицы с результатами располагается информационная область, в которой представлены:

– номер схемы измерений, с помощью которой получены экспериментальные данные;

– частота, при которой было на проведено измерение;

– название объекта исследований; материал, из которого он изготовлен;

– параметры объекта исследований.

В левой верхней части окна рабочей тетради имеется таблица с названием измерения и датой его проведения. С помощью «мыши» или стрелок клавиатуры можно перемещаться по уже имеющимся результатам. При этом в таблице результатов показываются измеренные и рассчитанные данные выбранного измерения.

Кнопка позволяет редактировать название измерения. При нажатии на нее появляется строка ввода с названием и с кнопкой (рисунок 7). После исправления названия необходимо нажать кнопку и результат перепишется в таблицу, а строка ввода пропадет.

Рисунок 7 – Редактирование названия измерения

В правой верхней части окна рабочей тетради находится панель управления измерениями (см. рисунок 6). Кнопки панели управления реализуют следующие команды:

Новое – открывает новое измерение. В таблице появляется новая запись с названием по-умолчанию и датой проведения измерения и включается режим редактирования названия – появляется строка ввода с названием, а кнопка переходит в запрещенное состояние. Обратите внимание, кнопка Записать доступна только при окончании редактирования названия измерений.

Записать – записывает одну (или несколько, если включен осциллограф) строк данных в таблицу рабочей тетради. Можно ограничиться записью одной строки и воспользоваться построителем выражений для расчетов. При переходе к другой части рабочей тетради («Формулы» или «Графики»), заканчивается запись данных в таблицу и запрещается кнопка Записать. Аналогичный эффект наблюдается при перемещении на другое измерение.

Удалить – удаляет все измерение вместе со связанными с ним формулами и графиками.

Формулы. В этой части рабочей тетради в первую очередь представлены выражения, с помощью которых производятся расчеты.Выражения строятся на основе измеренных данных и уже существующих выражений. Список всех формул, доступных в данном измерении (под измерением понимается один эксперимент, в котором получены одна или несколько строк с данными), располагается в центральной части окна рабочей тетради (рисунок 8).

Рисунок 8 – Рабочая тетрадь, вкладка «Формулы»

В первой колонке списка отображаются идентификаторы, которые могут быть использованы при построении новых выражений. Во второй колонке представлены собственно выражения, в третьей – результат расчета, в четвертой – размерность и в пятой – комментарии, позволяющие описать назначение данного выражения. В случае, если идентификатор представляет собой экспериментальное значение, вместо выражения во второй колонке стоит слово «измерение». Выражения могут быть скалярными и векторными. В первом случае в выражении не содержится ни одного векторного идентификатора, оно имеет одно значение, которое и представлено в колонке результата. Если выражение векторное, это значит, что оно имеет несколько значений, которые отображаются в таблице, расположенной внизу окна рабочей тетради. В этом случае в колонке результата (третьей) ставится знак [...]. Все экспериментальные результаты – векторные. Если в формуле присутствует хоть один векторный идентификатор, то все выражение становится векторным.

Зеленым цветом выделены измеренные значения, коричневым – параметры образцов. Эти выражения изменить нельзя. Если в формуле содержится ошибка, то строка в списке выделяется красным цветом. В формулах могут присутствовать только идентификаторы, расположенные выше по списку.

Графики. В этой части рабочей тетради представлены графики, построенные как по измеренным данным, так и по результатам расчетов (рисунок 9). Каждый график может быть либо одной кривой, либо семейством кривых, зависящих от параметра. В верхней части окна расположена область управления, позволяющая просматривать, добавлять, удалять и редактировать графиками. В левой части области имеется таблица с названием графика. Именно это название будет отображаться в качестве заголовка. С помощью «мыши» или стрелок клавиатуры можно перемещаться по уже имеющимся графикам. При этом они отображаются в области построения.

Рисунок 9 – Рабочая тетрадь, вкладка «Графики»

Кнопка позволяет редактировать название графика. При нажатии на нее в области управления появляется строка ввода с названием и кнопкой . После исправления названия необходимо нажать эту кнопку и результат перепишется в таблицу, а строка ввода пропадет. Рядом с таблицей находится панель с кнопками управления (см. рисунок 9). Эти кнопки реализуют следующие команды:

Новый – открывает новый график. В таблице появляется новая запись с названием по-умолчанию и включается режим редактирования названия – появляется строка ввода с названием, а кнопка переходит в недоступное состояние.

Сохранить – сохраняет все изменения, произведенные с графиком.

Удалить – удаляет график, отмеченный в таблице.

Редактировать – позволяет редактировать график.

Схемы измерений

Окно «Схемы измерений» предоставляет возможность выбора схемы измерений, которая реализована в реальном измерительном блоке. Выбор осуществляется при помощи ярлычков, расположенных в верхней части окна (рисунок 10). Всего схем существует три.

Рисунок 10 – Переключение между схемами измерений

Схема измерений № 1 (рисунок 11) предназначена для проведения измерений формы сигналов, пропорциональных напряженности и индукции магнитного поля. Напряжение, пропорциональное индукции, получается при помощи специального интегрирующего усилителя. Осциллограф здесь двухканальный, поэтому видно сразу два сигнала. Изменить амплитуду и частоту можно с помощью звукового генератора. Обратите внимание, при изменении частоты изменяется масштаб оси времени осциллографа.

Рисунок 11 – Схема измерений № 1

На схеме присутствуют следующие элементы:

· Звуковой генератор. Предназначен для формирования синусоидального напряжения с частотой от 40 до 1000 Гц.

· Образец (Коммутатор объектов). Предназначен для отражения информации об объекте исследования. Также позволяет переключить образцы в измерительном стенде (зависит от реализации измерительного блока).

· Осциллограф. Предназначен для измерения зависимости напряжений, пропорциональных напряженности и индукции магнитного поля, от времени. Начало развертки синхронизируется от звукового генератора.

· Частотомер. Предназначен для измерения частоты сигнала, подаваемого на образец.

При наведении курсора на элемент схемы, он меняет свое очертание со стандартной "стрелки" на "указывающую руку". Если теперь нажать на левую кнопку "мыши", соответствующий инструмент становится видимым.

Примечание. Даже если регистрирующий инструмент невидим, измерения все равно производятся и могут быть записаны в рабочую тетрадь при нажатии соответствующей кнопки в области управления рабочей тетрадью.

Схема измерений № 2 (рисунок 12) предназначена для проведения измерений зависимости сигналов, пропорциональных напряженности (U_H) и индукции (U_B) магнитного поля, друг от друга. Напряжение, пропорциональное индукции, получается при помощи специального интегрирующего усилителя. На горизонтальные отклоняющие пластины осциллографа подается напряжение U_H, а на вертикальные – U_B, т.е. отображается петля гистерезиса. Изменить амплитуду и частоту можно с помощью звукового генератора.

Рисунок 12 – Схема измерений № 2

На схеме присутствуют следующие элементы:

· Звуковой генератор. Предназначен для формирования синусоидального напряжения с частотой от 40 до 1000 Гц.

· Образец (Коммутатор объектов). Предназначен для отражения информации об объекте исследования. Также позволяет переключить образцы в измерительном стенде (зависит от реализации измерительного блока).

· Осциллограф. Предназначен для измерения зависимости напряжений, пропорциональных напряженности и индукции магнитного поля, друг от друга.

· Частотомер. Предназначен для измерения частоты сигнала, подаваемого на образец.

Схема измерений № 3. Эта схема (рисунок 13) предназначена для проведения измерений точек основной кривой намагничивания. Вместо осциллографа на схеме имеются два пиковых вольтметра: V1и V2. Первый из них предназначен для измерения амплитудного значения напряжения, пропорционального напряженности магнитного поля в образце, второй – для измерения амплитудного значения напряжения, пропорционального индукции магнитного поля в образце.

Рисунок 13 – Схема измерений № 3

На схеме присутствуют следующие элементы:

§ Звуковой генератор. Предназначен для формирования синусоидального напряжения с частотой от 40 до 1000 Гц.

§ Образец (Коммутатор объектов). Предназначен для отражения информации об объекте исследования. Также позволяет переключить образцы в измерительном стенде (зависит от реализации измерительного блока).

§ Частотомер. Предназначен для измерения частоты сигнала, подаваемого на образец.

§ Вольтметр V1. Предназначен для измерения амплитудного значения напряжения, пропорционального напряженности магнитного поля в образце.

§ Вольтметр V2. Предназначен для измерения амплитудного значения напряжения, пропорционального индукции магнитного поля в образце.

Управляющие инструменты

На каждой измерительной схеме присутствует свой набор инструментов. Их можно разделить на управляющие и регистрирующие. Управляющие инструменты – это инструменты, связанные с источниками воздействия; регистрирующие инструменты – это измерительные приборы, которые представляют измеренные данные.

Звуковой генератор. Предназначен для формирования синусоидального напряжения с частотой от 40 до 1000 Гц (рисунок 14).

Рисунок 14 – Звуковой генератор

Амплитуда и частота изменяется при помощи ползунка. Передвигать ползунок можно либо с помощью "мыши" (нажав на левую кнопку и, не отпуская кнопку, перемещая "мышь"), либо с помощью стрелок на клавиатуре.

Как амплитуда, так и частота сигнала устанавливается дискретно, поэтому выставить очень точное значение не получится. Например, вместо частоты 100 Гц можно установить либо 96,3 либо 103,9.

Образец (Коммутатор объектов). Предназначен для отражения информации об объекте исследования. Также позволяет переключить образцы в измерительном стенде (зависит от реализации измерительного блока) (рисунок 15).

Рисунок 15 – Коммутатор объектов