Схема вимірювальної установки

1. Для визначення параметрів ферромагнетика використовується петля гестірезісу , яка спостерігається на екрані осцилографа при перемагнічування даного феромагнітного зразка зовнішнім змінним магнітним полем. Схема вимірювальної установки показана на рис.10. Вона містить наступні елементи: генератор змінного напруги; ФО - феромагнітний зразок (осердя трансформатора); N₁ - намагнічуються обмотка; N₂ - вимірювальна обмотка; R та С - резистор і конденсатор RC - ланцюги; R1 - резистор для отримання напруги U_x, електронний осцилограф.

2. Відповідно до наведеної на рис. 10 схемою на вхід «U» осцилографа подається напруга U_y, пропорційне магнітної індукції В поля в досліджуваному зразку, на вхід «Х» - напруги U_x пропорційне напруженості Н поля, намагнічує зразок (внутрішній генератор горизонтальної розгортки променя осцилографа при цьому вимикається). За один період Т зміни напружень U_x и U_у, характеризує повний цикл перемагнічування зразка, електронний промінь на екрані осцилографа описує петлю

гестірезісу , повторюючи її в точності за кожен наступний період. Тому зображення петлі гістерезису на екрані буде нерухомим.

Петля гестірезісу зображується на екрані в координатах (х; у), причому

U_x = К_х×C; U_у = K_у×У , (3)

де Х і У - вимірюються в «поділу шкали» екрана осцилографа;

К_х (В/дел.) та К_у (В/дел.) - масштабні коефіцієнти, значення яких вказуються або в паспортних даних осцилографа, або близько ручок осцилографа, перемикаючих посилення по осях «Х» та «У» відповідно, або в таблиці вихідних даних, розміщеної близько установки.

3. Напруга U_x, пропорціональна напруженості Н магнітного поля, отримують у такий спосіб. Якщо зразок виконаний у вигляді однорідного замкнутого осердя, на якому рівномірно розподілена первинна (намагнічуються) обмотка з числом витків N₁, то струм I₁ в цій обмотці і напруженість Н створюваного ним поля пов'язані співвідношенням , де l - середня довжина сердечника (феромагнітного зразка).

Послідовно з обмоткою N₁ включений резистор R1, на якому створюється падіння напруги

(4)

Опір R1 малий. Цим забезпечується режим перемагнічування, при якому струм I₁(t) і напруженість Н(t) не синусоїдальні, але синусоїдально магнітна індукція В = В_m sinwt (при синусоїдальній напрузі генератора, що живить схему).

З (3) і (4) виходить проста формула для вимірювання напруженості магнітного поля у зразку

, (5)

де .

4. Напруга U_у, пропорційне магнітної індукції В поля у зразку, отримують у такий спосіб. Вторинна (вимірювальна) обмотка, нанесена на зразок і що має N₂ витків, пронизує зосередженим в феромагнітному зразку магнітним потоком , де S - площа поперечного перерізу зразка. В обмотці N₂ індуцюється ЭРС

,

що створює струм I₂ і напруга U₂ » - e₂ на виході обмотки (падіння напруги на самій обмотці дуже малий). Звідси випливає, що та

. (6)

З (6) видно, що інтегруванням змінної напруги (у нашому випадку - синусоїдальної, що змінюється з частотою w = 2p×n = , задається генератором), можна отримати сигнал, пропорційний миттєвого значенням В(t) індукції магнітного поля у зразку. Ця операція в схемі на рис. 10 виконується «інтегрує RC - ланцюжком», що складається з резистора R і конденсатора С.

Напруга U₂ створює в RC - ланцюжку струм I₂ і змінний заряд конденсатора, рівний , внаслідок чого на конденсаторі утворюється напруга

(7)

що надходить на вхід «Y» осцилографа (впливом великого вхідного опору осцилографа нехтуємо). Опором RC - ланцюжка синусоїдальній струму з частотою , де Т - Період коливань струму, дорівнює

.

де t = RC - «постійна часу» RC - кола. Загально вибирається значення відносини 30 < < 100, опір Z » R, т. е. є практично чисто активним і не створює помітного зсуву фаз між струмом I₂ і напруга U₂. У цьому випадку для миттєвих значень струму і напруги практично справедливий закон Ома

.

Ця обставина з урахуванням формул (7) і (6) дозволяє записати для миттєвих значень напруг U₂ та U_у і магнітної індукції В наступну залежність:

. (8)

Відзначимо, що збільшення r = RC робить формулу (8) більш точною, тобто підвищує точність інтегрування, але одночасно приводить до зменшення напруги U_у.

З (3) і (8) виходить проста формула для вимірювання індукції магнітного поля у зразку...:

, (9)

де .

5. Формулу для визначення потужності , витрачається за один цикл Т = 1/n на перемагнічування феромагнітного зразка, знайдемо, використовуючи (2), (5), (9), в наступному вигляді:

, (10)

где ,

- площа петлі гістерезису на екрані осцилографа в координатах (х; у), яка вимірюється у квадратних поділу шкали екрану осцилографа.

Завдання до роботи:

1. Зберіть схему установки, наведену на робочому місці (рис.10); після перевірки схеми викладачем увімкніть осцилограф і джерело живлення схеми.

2. Встановіть максимальне вихідна напруга генератора ГН.

3. Отримайте на екрані осцилографа зображення петлі гестірезісу і встановіть його симетрично щодо осі Х та У на шкалі екрана Масштабний коефіцієнт К_у осцилографа виберіть таким, щоб петля гестірезісу займала всю площу екрана.

4. Розрахуйте коефіцієнти a, b, c, що містяться у формулах (5), (9) та (10) відповідно.

5. Виміряйте координати Х_С та У_r перетину петлі гестірезісу з осями координат на шкалі екрана, і за формулами (5) і (9) обчисліть коерцитивної силу Н_С та залишкову індукцію В_r феромагнітного зразка.

6. Виміряйте у квадратних поділу шкали осцилографа площа петлі гестірезісу і за формулою (10) обчисліть потужність, що витрачається на перемагнічування феромагнітного зразка.

7. Виміряйте координати Х_m та У_m петлі гестірезісу і за формулами (5), (9) і (1) обчисліть відповідні значення Н_m, В_m та m (см. рис.9). Дані занесіть у таблицю.

8. Встановлюючи по черзі інші значення напруги генератора ГН, отримаєте відповідні їм петлі гестірезісу і виконайте вимірювання і обчислення за п.7. Дані занесіть у таблицю.

9. Використовуючи дані таблиці, побудуйте графік залежності В = f(H) - криву початкового намагнічування, а також графік залежності m = f(H).

10.За результатами роботи зробити висновки.

Контрольні запитання

1. Магнетику та їх різновиди.

2. Особливості діамагнетиків і парамагнетики.

3. Феромагнетики, їх структура.

4. Спонтанна намагніченість доменів та її природа.

5. Процес початкового технічного намагнічування феромагнетиків.

6. Перемагнічування феромагнетиків і петля гестірезісу.

7. Зв'язок петлі гестірезісу з витратами енергії на перемагнічування феромагнетиків.

8. Причина освіти залишкової магнітної індукції в феромагнетиках. Коерцитивної сила ферромагнетика. Що вона характеризує?

9. Магнітна проникність магнетика. Її особливість у феромагнетиків.

10. М'які і жорсткі ферромагнетики, їх застосування в техніці.

11. Принцип отримання в лабораторній установці напруг, пропорційних напруженості і магнітної індукції поля у зразку.

12. Порядок розмагнічування ферромагнетика.