Остаточная индукция и коэрцитивная сила

Коэрцитивная сила. Петля гистерезиса

Остаточная индукция и коэрцитивная сила

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное

Учреждение высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Физико-Технологический институт

Кафедра «Физических методов и приборов контроля качества»

Оценка работы__________________

Руководитель __________________

ОТЧЕТ ОБ ПРЕДДИПЛОМНОЙ ПРАКТИКЕ

на тему:

 «ИСПЫТАНИЯ СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ ГСО 2192-89 С НАМАГНИЧИВАНИЕМ В ЗАМКНУТОЙ ЦЕПИ»

Руководитель от предприятия                                                         М.А. Малыгин

Руководитель от кафедры                                                                Д.М. Спиридонов

Студент                                                                                              А.А. Данилова

группы фт-500602

Екатеринбург 2015

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………………………………………………………. 3

1 Теория магнетизма…………………………………………………………………………………………………………………… 4

2 Коэрцитивная сила. Петля гистерезиса……………………………………………………………………………………. 6

3 Общие сведения о ГСО……………………………………………………………………………………………………………. 8

3.1 Метрологические характеристики……………………………………………………………………………………… 8

3.2 Технические данные………………………………………………………………………………………………………….. 9

4 Измерительная аппаратура…………………………………………………………………………………………………….. 10

5 Определение тока насыщения………………………………………………………………………………………………… 11

6 Испытания стандартных образцов ГСО…………………………………………………………………………………. 13

6.1 Условия испытаний…………………………………………………………………………………………………………. 13

6.2 Испытания ГСО………………………………………………………………………………………………………………. 13

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………………………………………………………….. 15

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………………………………………………………. 16

ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………………………………………………………………. 17

Приложение Б………………………………………………………………………………………………………………………….. 19

Приложение В…………………………………………………………………………………………………………………………. 21

Приложение Г………………………………………………………………………………………………………………………….. 22

Приложение Д…………………………………………………………………………………………………………………………. 25

Приложение Ж…………………………………………………………………………………………………………………………. 26

ВВЕДЕНИЕ

Прохождение преддипломной практики является важнейшей частью и неотъемлемой ступенью для формирования квалифицированного специалиста.

Преддипломная практика даёт реальную возможность обобщить и систематизировать свои знания в области фундаментальных и прикладных наук и направить их на самостоятельное решение комплекса управленческих задач выполнении выпускной квалификационной работы — дипломной работы. С 16 февраля по 29 марта 2015 года я проходила преддипломную практику в лаборатории метрологии магнитных измерений и неразрушающего контроля (261) ФГУП «УНИИМ».

Целью преддипломной практики является:

— изучить специальную литературу и нормативную документацию;

— провести испытания стандартных образцов ГСО 2192-89;

— составить протокол испытаний.

На период прохождения преддипломной практики передо мной стояли следующие задачи:

— изучение технической литературы и нормативной документации;

— ознакомление с методами измерения стандартных образцов ГСО 2192-89;

— проведение испытаний стандартных образцов ГСО 2192-89;

— составление протокола испытаний стандартных образцов ГСО 2192-89.

Лаборатория метрологии магнитных измерений и неразрушающего контроля занимается:

— разработкой и практической реализацией основных принципов и средств обеспечения единства магнитных и акустических измерений;

— разработкой и изготовлением образцовых мер и средств измерений (СИ) в области магнитного контроля.

— разработкой стандартных образцов состава и свойств магнитных материалов (магнитомягких и магнитотвердых) различных категорий – государственных (ГСО), отраслевых (ОСО) и стандартных образцов предприятия (СОП);

— разработкой стандартных образцов различных категорий для метрологического обеспечения средств неразрушающего контроля, применяемых на предприятиях черной и цветной металлургии;

— проведением испытаний (сертификации) средств магнитных и акустических измерений, средств неразрушающего контроля для целей утверждения типа и занесения в Государственный реестр средств измерений;

— проведением поверки средств магнитных и акустических измерений и т.д.

Теория магнетизма

Намагничивание — совокупность процессов, происходящих в магнитных материалах под действием магнитного поля H и приводящих к росту намагниченности M (или магнитной индукции В)материала. В ферро-или ферримагнитных материалах различают три механизма намагничивания: смещение границ между магнитными доменами, вращение вектора спонтаннойнамагпиченностиMs и парапроцесс.

В размагниченном состоянии ферромагнетик разбивается на отдельные области — домены ,в пределах которых материал намагничен до насыщения вдоль одной из осей лёгкого намагничивания. Ввиду различной ориентации намагниченности в доменах суммарный магнитный момент образца равен нулю.

Под влиянием внешнего магнитного поля происходит рост областей, в которых Ms составляет наименьшие углы с направлением поля, за счёт соседних областей. Этот рост осуществляется в результате смещения доменных границ (доменных стенок).

После завершения процессов смещения в каждом кристалле остаётся всего лишь один домен, намагниченность которого ориентирована вдоль ближайшей к направлению поля оси лёгкого намагничивания. Дальнейшее намагничивание идёт за счёт вращения векторов Мs к направлению магнитного поля.

По завершении процесса вращения в образце достигается техническое магнитное насыщение, и прирост намагниченности может иметь место лишь за счёт парапроцесса — увеличения самой намагниченности насыщения вследствие подавления магнитным полем тепловых колебаний элементарных магнитных моментов вещества.

Зависимость M(H)или B(H), представленная в виде формул, графиков или таблиц, называется кривой намагничивания. Если известна кривая M(H), то простым пересчётом может быть получена и кривая B(H), и наоборот.

Вид зависимости M(H)определяется магнитными свойствами материала, условиями измерений (давление, температуpa, характер изменения магнитного поля), формой образца, его магнитной предысторией.

Важнейшими видами кривых намагничивания являются следующие.

а – кривая начального намагничивания;

б – безгистерезисная кривая намагничивания

Рисунок 2 – Кривая намагничивания

1)    Кривая первого (первоначального) намагничивания (КПН) получается при намагничивании ферро- или ферримагнетика из полностью размагниченного состояния монотонно возрастающим от нуля магнитным полем, причём направление последнего относительно намагничиваемого тела остаётся неизменным.

На КПН можно выделить пять участков, на каждом из которых преобладает определенный механизм намагничивания. Участок 1 (рис.2) соответствует обратимым (упругим) смещениям доменных границ: здесь M = H, где — начальная магнитная восприимчивость.

В области Рэлея (2) имеют место наряду с обратимыми также необратимые процессы смещения, и зависимость M(H)здесь квадратична. Наиболее крутой участок КПН (3) соответствует максимальной восприимчивости и связан с необратимыми смещениями доменных границ.

В области приближения к насыщению (4) основную роль играют процессы вращения Ms к направлению намагничивающего поля. Наконец, участок 5 характеризуется слабым ростом намагниченности и соответствует парапроцессу.

2)    При циклическом изменении магнитные поля между крайними значениями H1 и H2 кривые M(H)сначала несколько изменяются от цикла к циклу, но постепенно становятся стабильными.

Их называют кривыми цикличного перемагничивания или петлями гистерезиса магнитного. При H1 = -H2 петля гистерезиса симметрична, в других случаях — асимметрична. Наиболее симметричная петля гистерезиса наз.

предельной и является важной характеристикой магнитных материалов.

3)    Безгистерезисная (идеальная) кривая намагниченность изображает зависимость M(H)для таких состояний, которые при каждом значении намагниченности являются наибиболее устойчивыми, то есть обладают наименьшей свободной энергией. Эти состояния могут быть получены в результате наложения на постоянное поле H переменные магнитные.поля с убывающей до нуля амплитудой.

4)    Основная (коммутационная) кривая намагниченности — геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса. Основная и безгистерезисная кривые намагниченности, в отличие от КПН, фиксируют только избранные магнитные состояния, не показывая действительных процессов H.

Если значения M и H относятся к одному и тому же элементу объёма, то кривые M(H)не зависят от размера и формы образца и являются кривыми намагниченности данного материала.

На практике чаще всего имеют дело не с истинным значением H внутри образца, а с напряжённостью внешнего магнитного поля Hе. Кривые М(Не)называются кривыми намагничивания тела и зависят от формы последнего.

В простых случаях, зная размагничивающий фактор тела, можно из кривых М(Нe)получить кривые M(H) [1].

Коэрцитивная сила. Петля гистерезиса

Коэрцитивная сила — характеристика ферромагнитных материалов, показывающая, в какой степени затруднены в них процессынамагничивания(перемагничивания). При графическом изображении зависимостинамагниченностиBот циклически изменяющейся в пределах Нsнапряжённости магнитного поля получается петля гистерезиса.

Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является так называемыйгистерезис, то есть зависимость намагничивания от предыстории образца. Кривая намагничиванияB (H) ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называетсяпетлей гистерезиса.

Рисунок 1 – Петля гистерезиса ферромагнетика

Из рис. 1. видно, что при наступает магнитное насыщение – намагниченность образца достигает максимального значения.

Если теперь уменьшать магнитную индукциюBвнешнего поля и довести ее вновь до нулевого значения, то ферромагнетик сохранитостаточную намагниченность– поле внутри образца будет равноBr. Остаточная намагниченность образцов позволяет создавать постоянные магниты.

Для того, чтобы полностью размагнитить образец, необходимо, изменив знак внешнего поля, довести магнитную индукциюBдо значения —Hc, которое принято называтькоэрцитивной силой.

После снижения магнитного поля от Нsдо нуля в ферромагнитных материалах сохраняется остаточная намагниченность Вr.

Намагниченность становится равной нулю только после приложения магнитного поляНс, противоположного по знаку предшествующему намагничивающему полю. ВеличинаНcи является коэрцитивной силой данного гистерезисного цикла.

ЕслиНsнедостаточно велико, получаются частные циклы гистерезиса. Значение коэрцитивной силы в этом случае зависит от величиныНs.

Коэрцитивная сила различных ферромагнитных материалов изменяется в очень широких пределах: от 10-3 до 105 Э (1 Э 80 А/м).

Её значение существенно для классификациимагнитных материалов на магнитно-мягкие (Hс15-100 Э).

Коэрцитивная сила определяется механизмом процесса пермагничивания, значением таких фундаментальных характеристик, как энергия магнитной анизотропии, магнитострикция, намагниченностьнасыщения.

Как структурно-чувствительная характеристика коэрцитивная сила используется для неразрушающего контроля качества термической обработки множества изделий из ферромагнитных сталей и сплавов [2].

Общие сведения о ГСО

    Наименование ГСОстандартные образцы коэрцитивной силы (сталь), комплект СОКС-1

       Назначение ГСОкомплект СОКС-1 предназначен для градуировки и поверки коэрцитиметров и структуроскопов с диапазоном измерений коэрцитивной силы от 100 до 6500 А/м, имеющих относительную погрешность измерений не менее ±5%, а также для контроля метрологических характеристик при проведении их испытаний; для метрологической аттестации методик выполнения измерений с применением коэрцитиметров и структуроскопов.

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 873;

Источник: https://studopedia.net/3_57819_koertsitivnaya-sila-petlya-gisterezisa.html

Остаточная индукция и коэрцитивная сила

Остаточная индукция и коэрцитивная сила

Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса. Оно проявляется в том, что вектор магнитной индукции B→, созданный в ферромагнетике, определяется историей намагничивания вещества и зависит от напряженности внешнего магнитного поля H→. 

Определение

Гистерезис — от греческого «запаздывание»- свойство физических систем. Когда системе свойственен гистерезис, ее мгновенный отклик на приложенное внешнее воздейстие зависит от текущего состояния системы, а поведение системы на некотором интервале времени определяется ее предысторией. 

Например, если ненамагниченный ферромагнетик поместить в магнитное поле у величить его напряженность до H1, затем уменьшить  до -H1, а потом снова увеличить, кривая намагничивания вещества опишет так называемую петлю гистерезиса.

На рисунке видно, как сначала индукция растет по кривой OA. Затем, при уменьшении напряженности, спадает по кривой ACKD. При дальнейшем увеличении напряженности образуется путля гистерезиса ACKDFA.

Как видим, когда напряденность уменьшили до нуля, магнитная индукция в веществе стала равна OC. Это так называемая остаточная индукция Br, которой соответствует отстачная намагниченность ферромагнетика Jr. В данном состоянии ферромагнетик представляет собой постоянный магнит. 

Величины Br и Jr — основные характеристики ферромагнетиков. Материалы с наибольшей остаточной намагниченностью применяюьтся в сердечниках трансформаторов и электромагнитов, используются в качестве носителей информации.

Коэрцитивная сила

Чтобы размагнитить ферромагнетик, необходимо внешнее магнитное поле, направленное противоположно первоначальному полю. Кривая CKD изображает ход магнитной индукции при росте напряженности этого поля. При напряженности поля, равной отрезку OK, намагниченность вещества станет равной нулю. 

Отрезок ОК определяет величину напряженности размагничивающего поля Hk. Она является мерой того, насколько сильно ферромагнетик удерживается в намагничиченном состоянии. Величина Hk, при которой остаточная намагниченность исчезает, называется задерживающей силой, или коэрцитивной силой ферромагнетика. Для разных ферромагнетиков ее значение широко варьируется.

Так, ферромагнетики с узкой петлей гистерезиса и, соответсвенно, малой коэрцитивной силой, называются мягкими. Материалы с широкой петлей и большой коэрцитивной силой, наоборот, называются жесткими ферромагнетиками.

Резюме

Ферромагнетики — материалы с большой магнитная проницаемостью вещества, величина которой также зависит от напряженности магнитного поля. Помимо этого ферромагнетики отличаются от других магнетиков особой связью между намагниченностью и величиной напряженности внешнего поля. 

Зависимость намагниченности от напряженности внешнего поля называется гистерезисом. Следствия явления гистерезиса — остаточная намагниченность и коэрцитивная сила.

Пример

Есть ли разница в работе при намагничивании и размагничивании ферромагнетика и магнетика без гистерезиса? Чем она обусловлена?

Решение.

Работа по намагничиванию объема магнетика вычисляется по формуле:

ω=∫H→dB→

Эта работа идет на увеличение энергии магнитного поля магнетика. Соотношения также предствляет формулу для плотности энергии магнитного поля в магнетике без гистерезиса.

Для такого магнетика обратная и прямая ветви кривой намагничивания совпадают.

Площадь криволинейной трапеции 1234 представляет собой элементарную работу, которую нужно совершить для увеличения намагниченности. Площадь фигуры OAB1 — полная работа, которую совершают внешние силы при увеличении индукции от 0 до B1. 

При размагничивании магнетика без гистерезиса работа также равна площади фигуры OAB1. Работы при намагничивании и при размагничивании совпадают.

Теперь рассмотрим магнетик с гистерезисом.

Для роста магнитной индукции в ферромагнетике от B1до B2 понадобится работа, равная площади фигуры B1abB2, ограниченная кривой 1. Обратная и прямая кривые намагниченности не совпадают, размагничивание происходит по по кривой, обозначенной номером 2. 

Разница в работе по намагничиванию и размагничиванию такого ферромагнетика определяется площадью петли гистерезиса, ограниченной кривыми 1 и 2 и обозначенной S.

При полном перемагничивании на единицу объема ферромагнетика приходится энергия, равная ω=S. Эта энергия расходуется на преодоление коэрцитивной силы и выделяется в виде тепла, поэтому ферромагнетики нагреваются при циклическом перемагничивании.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/magnitnoe-pole/ostatochnaja-induktsija-i-koertsitivnaja-sila/

Коэрцитивная сила

Для дальнейшего размагничивания ферромагнетика необходимо приложить внешнее магнитное поле, которое будет направлено в сторону противоположную первому полю. Ход изменения магнитной индукции при увеличении напряженности противоположного поля изображается ветвью кривой CKD (рис.1).

Только тогда, когда напряженность этого поля достигнет значения, которое равно на рис.1 величине отрезка ОК магнитная индукция и намагниченность ферромагнетика станет равной нулю.

Так, напряженность размагничивающего поля ($H_k$) (отрезок ОК) является мерой того, насколько прочно удерживается состояние намагничивания ферромагнетика.

Величина напряженности магнитного поля $(H_k)$ при которой исчезает остаточная намагниченность ферромагнетика называется задерживающей или коэрцитивной силой ферромагнетика. Значение коэрцитивной силы для разных ферромагнетиков изменяется в широких пределах.

Для мягкого ферромагнетика петля гистерезиса узкая, соответственно, коэрцитивная сила мала. Для материалов, которые используются для постоянных магнитов петля гистерезиса широкая, коэрцитивная сила большая. Ферромагнетики с большой коэрцитивной силой называют жесткими.

Итак, ферромагнитные вещества отличаются от других магнетиков не только большими показателями магнитной проницаемости и ее зависимостью от напряженности магнитного поля, но и весьма особенной связью между намагниченностью и напряженностью внешнего поля. Эта особенность состоит в явлении гистерезиса с его следствиями: остаточной намагниченностью и коэрцитивной силой.

Пример 1

Задание: Сравните работу при намагничивании и размагничивании ферромагнетика и магнетика без гистерезиса. Объясните возникновение разницы.

Решение:

Полную работу намагничивания единицы объема магнетика можно записать как:

\[w=\int{\overrightarrow{H}d\overrightarrow{B}\left(1.1\right).}\]

Вся работа намагничивания идет на увеличение энергии магнитного поля, следовательно, формула (1.1) также является выражением для объемной плотности энергии магнитного поля в магнетике без гистерезиса.

Рассмотрим магнетик без гистерезиса, для которого прямая и обратные ветви кривой намагничивания совпадают (рис.2).

Рис. 2

Элементарную работу, которую надо совершить, чтобы увеличить намагниченность для графика рис.2 можно выразить как площадь криволинейной трапеции 1234.

Полная работа, которая совершается внешними силами, для увеличения индукции магнитного поля от нуля до $B_1$ равна площади фигуры ОА$B_1$, которая ограничена кривой намагничивания и отрезком О$B_1$. Когда магнетик размагничивается в цепь источника возвращается энергия.

Она, как и прежде, равна площади фигуры ОА$B_1$. Так как гистерезиса нет, обе ветви кривой совпадают, то работа при намагничивании равна работе при размагничивании.

Для магнетика с гистерезисом (ферромагнетика): если увеличивать индукцию от $B_1$ до $B_2$ (рис.3), потребуется работа, которая равна площади фигуры $B_1$а1b$B_2$, а при размагничивании до исходного состояния «возвращаемая» работа равна площади $B_2b2аB_1$, которая из рисунка очевидно, меньше.

Рис. 3

При полном цикле перемагничивания на каждую единицу объема ферромагнетика приходится энергия равная:

\[w=S\ \left(1.2\right),\]

где $S$ — площадь петли гистерезиса. Эта энергия расходуется на совершение работы против коэрцитивных сил в ферромагнетике и переходит в тепло. Ферромагнетики при циклическом перемагничивании нагреваются, причем, чем больше $H_k$, то есть чем шире петля гистерезиса.

Пример 2

Задание: На рисунках (рис.4) и (рис.5) изображены максимальные петли гистерезиса для двух разных ферромагнетиков. Какой из них лучше подойдет для изготовления постоянного магнита? Какой из них более подходит для изготовления сердечника трансформатора? Считайте, что на рисунках масштаб одинаковый.

Рис. 4

Решение:

На рис. 4 петля гистерезиса относится к ферромагнетику с большей коэрцитивной силой, чем на рис.5. Так как для постоянного магнита лучше использовать ферромагнетик жесткий (с широкой петлей гистерезиса и соответственно большой $H_k)$, то ферромагнетик, которому соответствует рис.

4 подойдет лучше для постоянного магнита. Для сердечников трансформаторов используют «мягкие» ферромагнетики с узкой петлей гистерезиса, небольшой коэрцитивной силой, в которых выделения тепла при перемагничивании минимально, следовательно, для сердечника более пригоден ферромагнетик с рис.

5.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/magnetiki/ostatochnaya_indukciya_i_koercitivnaya_sila/

Теоретические сведения. Цель работы: изучить магнитный гистерезис ферромагнетика, определить остаточную индукцию и коэрцитивную силу ферромагнетика

Остаточная индукция и коэрцитивная сила

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА ФЕРРОМАГНЕТИКОВ

Цель работы: изучить магнитный гистерезис ферромагнетика, определить остаточную индукцию и коэрцитивную силу ферромагнетика.

Приборы и оборудование: трансформатор с сердечником из пермаллоя, три резистора, амперметр переменного тока, конденсатор, потенциометр, осцилло­граф, ключ.

Всякое вещество является магнетиком, т.е. способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться).

Намагниченное вещество создает магнитное поле, характеризующееся вектором магнитной индукции ', которое накладывается на обусловленное токами поле с индукцией . В итоге вектор магнитной индукции результирующего поля определяется суммой '.

Истинное (микроскопическое) поле в магнетике сильно изменяется в пределах межмолекулярных расстояний, поэтому описывает усредненное (макроскопическое) поле.

Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые (молекулярные) токи, каждый из которых обладает магнитным моментом и создает в окружающем пространстве магнитное поле.

Так орбитальный магнитный момент электрона на круговой орбите равен вектору модуль которого определяется частотой ν вращения электрона на орбите площадью S, т.к.

соответствующая сила тока , а направление – положительной нормалью к плоскости орбиты Кроме орбитального магнитного момента электрон обладает собственным (спиновым) магнитным моментом Проекция спинового магнитного момента на направление вектора может принимать только одно из двух значений: где магнетон Бора, являющийся единицей магнитного момента электрона, h – постоянная Планка. Таким образом, магнитный момент электрона складывается из орбитального и спинового магнитных моментов.

Магнитный момент атома (молекулы) определяется магнитными моментами составляющих его электронов и спиновым магнитным моментом ядра.

Тяжелые атомные ядра движутся значительно медленнее легких электронов, поэтому их магнитные моменты в тысячи раз меньше магнитных моментов электронов.

Ядерный магнетизм становится существенным только вблизи абсолютного нуля температур, да и то при условии, что магнитные моменты электронов скомпенсированы.

В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных молекул ориентированы беспорядочным образом, и суммарный магнитный момент тела равен нулю.

Под действием поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего магнетик намагничивается.

Магнитные поля отдельных молекулярных токов уже не компенсируют друг друга, и возникает поле '.

Намагничивание магнетика характеризуют намагниченностью , под которой понимают магнитный момент единицы объема. Ее принято связывать не с магнитной индукцией , а с напряженностью магнитного поля, порожденного макротоками: — .

Полагают, что в каждой точке магнетика , где — характерная для данного магнетика безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью. Опыт показывает, что для слабомагнитных веществ при не слишком сильных полях не зависит от Тогда для напряженности магнитного поля получаем .

Безразмерная величина называется магнитной проницаемостью вещества.

В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все магнетики делятся на слабомагнитные и сильно­магнитные.

К первым относятся диамагнетики ( отрицательна и мала по величине) и парамагнетики ( тоже невелика, но положительна), ко вторым – ферромагнетики ( положительна, является функцией напряженности магнитного поля и достигает очень больших значений, до раз превосходящей восприимчивость диа- и парамагнетиков) и антиферромагнетики, которые можно представить как две вставленные друг в друга ферромагнитные подрешетки, намагниченные в противоположных направлениях.

К диамагнетикам относятся, например, висмут, серебро, золото, медь, цинк, кремний, свинец, германий, а также вода, каменная соль, кварц, большинство органических соединений.

Молекулы таких веществ не имеют результирующего магнитного момента (магнитные моменты электронов скомпенсированы) в отсутствие внешнего магнитного поля.

При внесении их в магнитное поле в молекулах возникают индукционные токи, магнитное поле которых направлено навстречу внешнем полю (по правилу Ленца), поэтому поле внутри вещества ослабляется.

У парамагнетиков (олово, марганец, платина, эбонит, вольфрам, алюминий, воздух, газообразный азот, кислород) в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, т.е. магнитные моменты молекул не равны нулю.

Однако, вследствие теплового движения, они ориентированы беспорядочно, и, следовательно, такие вещества не намагничены. При внесении парамагнетика в магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов молекул по направлению поля (т.е.

возникает намагниченность в направлении поля), и магнитное поле внутри парамагнетика усиливается.

Так как диамагнитный эффект обусловлен явлением электромагнитной индукции, возникающим в ответ на включение внешнего магнитного поля, то он присущ всем веществам. Однако, если молекулы вещества имеют собственный магнитный момент, то диамагнитный эффект становится малым по сравнению с парамагнитным.

Ферромагнетики — твердые тела, обладающие спонтанной намагниченно­стью, т.е. ферромагнетики могут быть намагничены уже в отсутствие магнитного поля.

К этому классу магнитных веществ относятся кристаллы переходных металлов (железа, кобальта, никеля, гадолиния) и ряд их сплавов. Изучение характеристик ферромагнетиков представляет большой интерес, т.к.

подобные вещества часто применяются в трансформаторах, дросселях, машинах переменного тока, т.е. в устройствах, в которых они подвергаются периодическому перемагничиванию.

Рассмотрим магнитный гистерезис в ферромагнетиках. Магнитный гистерезис — явление, состоящее в том, что физическая величина, характеризующая состояние тел (например, намагниченность), неоднозначно зависит от физической величины, характеризующей внешние условия (например, магнитного поля).

Обычно ферромагнетик разбит на домены – области однородной самопроизвольной (спонтанной) максимальной намагниченности, размеры которых порядка 1-10 мкм. Направления векторов магнитных моментов соседних доменов обычно различаются, так что в отсутствие внешнего поля суммарный магнитный момент всего тела равен нулю.

Под действием внешнего магнитного поля число и размеры доменов, намагниченных по полю, увеличиваются за счет других доменов. Вначале, при слабых полях, наблюдается смещение границ доменов, в результате чего происходит увеличение тех доменов, направление намагниченности которых составляет меньший угол с направлением поля.

Процесс происходит до тех пор, пока энергетически менее выгодные домены полностью не будут поглощены. На следующей стадии магнитные моменты разросшихся доменов поворачиваются в направлении поля.

При этом магнитные моменты электронов в пределах домена поворачиваются одновременно, без нарушения их строгой параллельности друг другу (ответственными за это являются обменные силы, объяснение которых дает только квантовая механика).

Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура при которой области спонтанного намагничивания распадаются и вещество становится парамагнетиком. Эта температура называется точкой Кюри (для железа она равна для никеля .

На рис. 1 изображены (в диаграмме BH) кривые намагничивания и размагничивания ферромагнитного образца, магнитный момент которого первоначально был равен нулю, при наличии гистерезиса. В достаточно сильном магнитном поле образец намагничивается до насыщения (точка 1). Намагниченность насыщения направлена по полю.

Затем при уменьшении напряженности внешнего магнитного поля Н значение индукции (и намагниченности) будет уменьшаться не по первоначальной кривой 0-1, а по кривой 1-2 (преимущественно за счет возникновения и роста доменов с магнитным моментом, направленным против поля).

При уменьшении Н до нуля (точка 2) у образца сохраняется так называемая остаточная индукция (или остаточная намагниченность ). Образец полностью размагничивается лишь в достаточно сильном поле противоположного направления, которое называется коэрцитивным полем (коэрцитивной силой) Нс (точка 3).

При дальнейшем увеличении магнитного поля обратного направления образец вновь намагничивается вдоль поля до насыщения (точка 4). Перемагничивание образца происходит по кривой 4-1. Таким образом, при циклическом изменении поля кривая, характеризующая изменение намагниченности образца, образует петлю магнитного гистерезиса.

Если поле Н циклически изменять в таких пределах, что насыщение не достигается, то получается непредельная петля магнитного гистерезиса (пунктирная кривая). Уменьшая амплитуду изменения поля Н до нуля, можно полностью размагнитить образец (прийти в точку 0).

Существование остаточной намагниченности делает возможным изготовление постоянных магнитов (тел, которые обладают магнитным моментом и создают в окружающем пространстве магнитное поле).

Постоянный магнит тем лучше сохраняет свои свойства, чем больше коэрцитивная сила материала, из которого он изготовлен. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной на перемагничивание ферромагнетика переменным магнитным полем.

Ферромагнетики с большой коэрцитивной силой (больше 200А/м) называются жесткими (например, углеродистые и вольфрамовые стали). Для них характерна широкая петля гистерезиса. Так для сплава алнико (Al:Ni:Co:Fe=10:19:18:53) Нс =52000А/м.

Мягкие ферромагнетики (например, железо, сплав железа с никелем) имеют малую Нс (до 100-200А/м). Они применяются для изготовления сердечников трансформаторов.

Рис.1

В данной работе петли гистерезиса ферромагнетика получают на экране электронного осциллографа. Известно, что электронный пучок отклоняется под действием электрического поля. Поэтому петли гистерезиса можно исследо­вать, используя метод электрических смещающих полей.

Собирается установка, схематически изображенная на рис. 2. Основными ее элементами являются трансформатор Т с первичной и вторичной обмотками (с числом витков соответственно N1 и N2) и осциллограф. В первичную цепь трансформатора включают два сопротивления R и R1, а также амперметр.

Рис.2

Назначение реостата R — изменение силы тока в первичной цепи транс­форматора (сердечник приводится в состояние магнитного насыщения).

На концах сопротивления R1возникает переменная ЭДС, величина которой прямо пропорциональна напряженности магнитного поля Н, намагничивающего сер­дечник. ЭДС подают на пластины осциллографа, которые вызывают горизон­тальное отклонение электронного пучка.

Вторичную обмотку трансформатора замыкают через сопротивление R2 и емкость С. Переменное напряжение кон­денсатора С подают на вертикальные пластины осциллографа.

Если реактивное сопротивление конденсатора намного меньше сопротивления R2, то значение переменного напряжения будет прямо пропорционально изменению индукции В в сердечнике трансформатора.

В результате суммарного воздействия на элек­тронный пучок двух взаимно перпендикулярных переменных электрических полей светлое пятно на экране осциллографа примет форму, воспроизводящую петлю гисте­резиса. За один период синусоидального тока электронный луч на экране опи­шет полную петлю гистерезиса, а в каждый следующий период в точности ее повторит. Поэтому на экране петля будет выглядеть неподвижной.

Напряженность магнитного поля трансформатора (с числом витков обмотки N1 и длиной осевой линии сердечника ), по которому течет ток , определяется по формуле . Напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах Ux=I1R1. Так как , то Ux прямо пропорционально Н:

. (1)

Во вторичной обмотке ток I2 возникает под действием ЭДС магнитной ин­дукции ε. Если Ф — потокосцепление вторичной обмотки; S — площадь, охватываемая одним витком; a N2 — число витков во вторичной цепи, то Ф=BSN2 и

. (3)

Пренебрегая самоиндукцией во вторичной цепи, получим по закону Ома

ε = U2+I2R2, (4)

, (5)

где Uc = Uy — напряжение на конденсаторе, подаваемое на вертикально отклоняющие пластины осциллографа; q — заряд конденсатора; С — ем­кость.

Так как значение R2 берется достаточно большим, то первым членом в формуле (4) можно пренебречь. Тогда

.

Откуда

. (6)

Подставляя полученное выражение для I2 в формулу (5), получим

, (7)

т.е. напряжение, пода­ваемое на вертикально отклоняющие пласти­ны осциллографа, прямо пропорцио­нально величине магнитной индукции В.

Осциллограф становится измерительным прибором, если его проградуировать. Для градуировки необходимо отсоединить осциллограф от стенда и на верти­кально отклоняющие пластины (вход У) подать контрольное напряжение (оно указано на стенде и, обычно, на наших установках Uк=1,5В).

На экране будет наблюдаться вертикальная линия. Ее длина соответствует удвоенному числу делений, т.е. 2n0.

Напряжение U0y, которое нужно подать на вертикально отклоняющие пластины, чтобы электронный луч сме­стился вдоль оси ОУ на одно деление можно узнать по формуле:

. (8)

Для произвольной точки петли гистерезиса с ординатой ni, соответствующей индукции В в образце (рис. 3):

Uу=Uni. (9)

Pис. 3

Из формул (7) и (9) получаем, что величина магнитной индукции равна

. (10)

Остаточная индукция Br (точка С петли гистерезиса с ординатой nс) находится по формуле

. (11)

Аналогично, для определения величины индукции насыщения (точка А петли гистерезиса с ординатой ) получаем

. (12)

При градуировке горизонтальной оси осциллографа получают значение напряженности поля Н0,которому соответствует отклонение электронного пучка по оси ОX на одно деление. Из рис. 1 и рис. 3 видно, что полю НА, при котором наблюдается насыщение, соответ­ствует смещение луча на mА делений. Следовательно,

. (13)

Так как , то коэрцитивная сила ( точки К и К' петли гистерезиса) равна

. (14)

При подсчетах нужно учесть, что в работе амперметром измеряется эффективное значение силы тока Iэфф. В формуле (14) используется амплитудное значение силы тока IА, определяющее отклонение луча в осциллографе:

IА . (15)

Источник: https://studopedia.su/15_12034_teoreticheskie-svedeniya.html

Кривые намагничивания ферромагнитных материалов. индукция насыщения, остаточная индукция, коэрцитиввная сила. магнитомягкие и магнитотвердые материалы

Остаточная индукция и коэрцитивная сила

Процессы намагничивания ферромагнитных материаловподразделяются на обратимые и необратимые по отношению к изменению магнитного поля. Если после снятия возмущения внешнего поля намагниченность материала возвращается в исходное состояние, то такой процесс обратимый, в противном случае — необратимый.

Обратимые изменения наблюдаются на малом начальном отрезке участка I кривой намагничивания (зона Релея) при малых смещениях доменных стенок и на участках II, III при повороте векторов намагниченности в доменах.

Основная часть участка I относится к необратимому процессу перемагничивания, который в основном определяет гистерезисные свойства ферромагнитных материалов (отставание изменений намагниченности от изменений магнитного поля).

Петлей гистерезисаназывают кривые, отражающие изменение намагниченности ферромагнетика под воздействием циклически изменяющегося внешнего магнитного поля.

Точка 1 — точка технического насыщения (Вs, Hs). Последующее снижение напряженности Н внутри материала до нуля (участок 1-2) позволяет определить предельное (максимальное) значение остаточной намагниченности Br и дальнейшим уменьшением отрицательной напряженности поля добиться полного размагничивания B = 0 (участок 2-3) в точке Н = -НсВ — максимальной коэрцитивной силы по намагниченности.

Далее материал перемагничивается в отрицательном направлении до насыщения (участок 3-4 ) при Н = — Hs. Изменение напряженности поля в положительную сторону замыкает предельный гистерезисный цикл по кривой 4-5-6-1.

Множество состояний материала внутри предельного гистерезисного цикла может быть достигнуто при изменении напряженности магнитного поля, соответствующем частным симметричным и несимметричным гистерезисным циклам.

Магнитный гистерезис: 1 – кривая начального намагничивания; 2 – предельный гистерезисный цикл; 3 – кривая основного намагничивания; 4 – симметричные частные циклы; 5 – несимметричные частные циклы

В зависимости от значений коэрцитивной силы ферромагнитныематериалыразделяют на магнитомягкие и магнитотвёрдые.

Магнитомягкие материалыиспользуются в магнитных системах как магнитопроводы. Эти материалы имеют малую коэрцитивную силу, высокую магнитную проницаемость и индукцию насыщения.

Магнитотвёрдые материалы имеют большую коэрцитивную силу и в предварительно намагниченном состоянии используются как постоянные магниты – первичные источники магнитного поля.

Индукция насыщения — это максимальная индукция, которую можно получить в данном магнитном материале. Она определяет допустимую амплитуду индукции Вщ, от которой зависят объем сердечника и уровень нелинейных искажений.

Остаточная индукция (Br) — это магнитная индукция, остающаяся в намагниченном материале после того, как намагничивающее поле убирают.

Коэрцитивная сила — такое размагничивающее внешнее магнитное поле напряженностью , которое необходимо приложить к ферромагнетику, предварительно намагниченному до насыщения, чтобы довести до нуля его намагниченность или индукцию магнитного поля внутри.

34.МДС,МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ НАПРЯЖЕННОСТЬ МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ.ЗАКОНЫ ОМА И КИРХГОФА.

Магнитная-векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле-индукция В определяется силой, испытываемой единичным зарядом Q, движущимся в магнитном поле со скоростью V:
. (8.1) Магнитная индукция измеряется в теслах [Тл].

Магнитный поток — это поток вектора магнитной индукции через площадь S:

В однородном магнитном поле, перпендикулярном площади S, магнитный поток:
. (8.3) Магнитный поток измеряется в веберах [Вб]:

.

Намагниченность есть магнитный момент единицы объема вещества:

, (8.4)

где — вектор магнитного момента элементарного контура:
.
Напряжённость магни́тного по́ля (стандартное обозначение Н) — векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B ивектора намагниченности M.

: где — магнитная постоянная.

Намагниченность и напряженность магнитного поля измеряются в А/М.

Таким образом, закон Ома для магнитной цепи по форме записи подобен закону Ома для электрической цепи, хотя физическая сущность процессов совершенно разная

(8.3)

называется магнитным сопротивлением сердечника.

а) Первый закон Кирхгофа для магнитной цепи выводится на основании принципа непрерывности линий магнитного поля

. (8.5).

Рассмотрим узел магнитной цепи (рис. 8.13).

Общая форма записи первого закона Кирхгофа для магнитной цепи:

. (8.6)

Формулировка этого закона звучит следующим образом.

В узле магнитной цепи алгебраическая сумма магнитных потоков равна нулю. Потоки, входящие в узел, берутся со знаком «-», а выходящие из него – со знаком «+».

Второй закон Кирхгофа для магнитных цепей.

. (8.7)

Величину Hklk называют падением магнитного напряжения, поэтому второй закон Кирхгофа формулируется следующим образом.

В контуре алгебраическая сумма падений магнитных напряжений равна алгебраической сумме магнитодвижущих сил.

Просмотров 3191

Эта страница нарушает авторские права

Источник: https://allrefrs.ru/2-27132.html

Booksm
Добавить комментарий