ЛабораторнОЕ ЗАНЯТИЕ №2.

НАМАГНИЧИВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Материалы, обладающие большой магнитной проницаемостью, называют ферромагнитными. К ним относятся железо, никель, кобальт и их сплавы. Оказавшись во внешнем магнитном поле, эти материалы значительно усиливают его. Это явление упрощенно можно объяснить таким образом.

Ферромагнитные материалы имеют области самопроизвольного намагничивания. Магнитное состояние каждой из таких областей характеризуется вектором намагниченности. Векторы намагниченности отдельных областей (доменов) ориентированы случайным образом. Поэтому намагниченность ферромагнитных тел в отсутствие внешнего магнитного поля не проявляется.

Если ферромагнитное тело поместить во внешнее магнитное поле, то под его воздействием произойдут изменения, в результате которых векторы намагниченности отдельных областей самопроизвольного намагничивания будут ориентированы в направлении внешнего поля. Индукция результирующего магнитного поля будет определяться как индукцией внешнего поля, так и магнитной индукцией отдельных доменов, т. е. результирующее значение индукции будет намного превышать ее начальное значение. Таким образом, суммарное магнитное поле значительно превысит внешнее поле.

Магнитное состояние ферромагнитного поля и характеризуется кривой намагничивания. Рассмотрим процесс намагничивания ферромагнитного сердечника, помещенного в катушку с током (рис.1).

Предположим сначала, что сердечник отсутствует. Тогда при увеличении тока в катушке магнитная индукция меняется по линейному закону, так как B=μ₀Η (рис.2).

Теперь будем полагать, что катушка имеет сердечник, который в исходном состоянии размагничен. По мере увеличения тока в катушке магнитная индукция в сердечнике быстро возрастает (участок 0—1 кривой намагничивания, рис.2).Это объясняется ориентацией векторов намагниченности ферромагнитного сердечника. Затем интенсивность ориентации замедляется (участок 1—2 кривой намагничивания);точка 2 соответствует магнитному

насыщению, т. е. при некотором значении напряженности поля H_нас все домены сориентированы и при дальнейшем увеличении тока в катушке индукция поля растет так

же, как она росла бы при отсутствии сердечника.

Если через катушку пропускать ток, меняющий свое направление, то сердечник будет перемагничиваться. Рассмотрим этот процесс (рис.3)

При увеличении тока в катушке магнитная индукция возрастает до индукции насыщения (точка а). При уменьшении тока магнитная индукция снижается, но так, что при тех же значениях Н она оказывается больше значений магнитной индукции, соответствующих увеличению тока. Это объясняется тем, что часть доменов еще сохраняет свою ориентацию. Таким образом, при H=0 в сердечнике сохраняется магнитное поле, характеризуемое остаточной индукцией В_r(точка b). При увеличении тока в противоположном направлении магнитное поле катушки компенсирует магнитное поле, созданное доменами сердечника. При напряженности поля Н_с(точка с), которая называется коэрцитивной силой, результирующая магнитная индукция окажется равной нулю. Дальнейшее увеличение тока в катушке вызовет перемагничивание сердечника, т. е. поворот векторов намагниченности доменов на 180°. При некотором значении Н (точка d) сердечник снова будет насыщаться. При уменьшении тока в катушке до нуля индукция будет уменьшаться до остаточной индукции (точка е). Увеличение тока в положительном направлении вызовет намагничивание сердечника до исходного состояния (точка а). Полученную кривую называют петлей гистерезиса (запаздывания). Участок О_ахарактеристики намагничивания называют основной кривой намагничивания.

Процесс намагничивания связан с затратами энергии и сопровождается выделением теплоты. Энергия, которая затрачивается на за один цикл перемагничивания, пропорциональна площади, ограниченной петлёй гистерезиса,

В зависимости от вида петли гистерезиса ферромагнитные материалы подразделяют на магнитомягкие и магнитотвёрдые.

Магнитомягкие материалы обладают круто поднимающейся основной кривой намагничивания и относительно малыми площадями гистерезисных петель. Для магнитотвёрдых материалов характерны пологость основной кривой намагничивания и большая площадь гистерезисной петли. На рис.4 (а - в) приведены петли гистерезиса для различных материалов.

Милливеберметр является прибором настольного типа и оформлен в прямоугольном корпусе. На передней панели прибора расположена кнопка ''СБРОС'' показаний прибора на нуль. С левой стороны расположены два гнезда ''=10 V'', предназначенные для питания цепи размагничивания испытуемого образца стабилизированным напряжением 10V. В верхней части передней панели расположены четыре индикатора ИН-12, показывающие величину магнитного потока. Под индикаторами расположена надпись '''' (). Показания прибора необходимо умножать на этот постоянный коэффициент. Питание прибора осуществляется посредством шнура с разъёмом, расположенным с левой стороны прибора. Разъём стыкуется с ответной частью измерительного блока ''Уралочка''. Принцип действия милливеберметра основан на том, что длительность импульса тока в измерительной обмотке W₂ на определённом уровне пропорциональна величине магнитного потока.

Элементы схемы для определения кривой намагничивания и гистерезисного цикла на постоянном токе собраны в блоке №6 стенда. Исследуемый образец представляет собой сердечник сечением 1 см² . Средняя длина магнитной силовой линии равна 16 см. Намагничивающая обмотка W₁ содержит 500 витков провода ПЭВ диаметром 0,35 мм. Измерительная обмотка W₂ содержит 70 витков того же провода. Шунтированием резисторов соответствующими тумблерами можно скачкообразно изменять ток намагничивающей обмотки W₁.

После сборки схемы (см. рис.7) выполняют так называемую магнитную подготовку образца, которая заключается в многократном (5-6 раз) переключении тока I₁ переключателем S₆, переводя его в верхнее, а затем в нижнее положение и оставляя его в верхнем положении на последнем цикле при переходе из нижнего положения. При этом тумблеры S₁-S₅ отключены. Такое многократное коммутирование тока приводит образец к нормальному циклическому состоянию, соответствующему такой напряжённости магнитного поля, которая создаётся минимальным током намагничивания I₁.

Проверка знаний.

1. Какая из приведенных кривых 1… 3 на рис.5 соответствует процессу намагничивания катушки с ферромагнитным сердечником?

1. (1). 2. (2)). 3. (3).

2. Из рассмотрения петли гистерезиса на рис. 6 следует, что при напряженности катушки Н, равной напряженности сердечника Н_с,магнитная индукция В=0.Что это означает?

1.Магнитные поля катушки и сердечника равны нулю.

2. Магнитные поля катушки и сердечника имеют равные значения, но направлены в разные стороны.

3. Магнитное поле сердечника отсутствует, магнитное поле катушки не равно нулю.

3. Какое из приведенных соотношений соответствует закону Ампера?

1. Φ= BS.. 2.В=μН. З.. 4.. 5.F= BI l.

4. Какое из приведенных соотношений соответствует закону Ома для магнитной цепи?

l. 2.F=BIl 3. 4. 5.

5. Как изменится энергия магнитного поля катушки, если ток в ней увеличится вдвое, а индуктивность останется постоянной?

1. Увеличится в четыре раза.

2. Уменьшится в четыре раза.

3. Увеличится в два раза.

4. Уменьшится в два раза.

План работы.

1. Определить размещение приборов на столе.

2. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 7. В качестве амперметра А используется мультиметр на измерительном блоке в режиме измерения силы постоянного тока на пределе измерения 10 А.