Open Library - открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Категории

Электротехника ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФЕРРИМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
просмотров - 287

Лабораторная работа № 7

Порядок выполнения работы

Подготовка к работе

1. Внимательно прочитать теорию к лабораторной работе.

2. Познакомиться с образцами разрядников и ОПН, рассмотреть нелинœейные резисторы из карборунда и оксида цинка.

1. Включить ЭВМ и загрузить программу etm6.exe

2. Внимательно прочитать и списать всю информацию, выводимую программой на экран.

3. Срисовать графики и списать таблицы для построения зависимостей:

− срабатывания разрядника РВО-10 кВ;

− нелинœейных характеристик РВП-10 кВ;

− нелинœейных характеристик РВТ-10 кВ;

− нелинœейных характеристик ОПН-10 кВ.

4. Ответить на теоретические вопросы (программа содержит 16 вопросов, с помощью генератора случайных чисел на экран выводится 11).

5. Ввести значения из таблиц. Программа проверяет, списаны ли таблицы для построения зависимостей, которые необходимы в отчете. Из каждой таблицы нужно ввести только одно значение, а какое конкретно – определяется с помощью генератора случайных величин.

Лабораторная работа считается выполненной, если не допущено ни одной ошибки при ответе на теоретические вопросы и при вводе данных таблиц. В случае если были допущены ошибки, то работа выполняется вновь с самого начала.

6. Составить отчет, который должен содержать:

а) название работы и ее цель;

б) сведения о составе и изготовлении резисторов, разрядников и ОПН;

в) зависимости:

− срабатывания разрядника РВО-10 кВ;

− нелинœейной характеристики РВО-10 кВ;

− нелинœейной характеристики РВТ-10 кВ;

− нелинœейной характеристики ОПН-10 кВ;

г) вывод.

Вопросы к защите лабораторной работе № 6

1. На какие группы делятся полупроводники?

2. Как получают и где применяют керамические полупроводники?

3. Из каких базовых элементов состоят вентильные разрядники и ОПН?

4. Назовите группы разрядников.

5. Какой вид имеют вольтамперные характеристики вентильных разрядников различных групп?

6. Назовите основные нелинœейные характеристики разрядников и ОПН.

Цель работы: исследовать влияние температуры на магнитную проницаемость феррита и определить точку Кюри.

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. Возьмём катушку и будем помещать в неё сердечники из разных материалов. Магнитное поле, возникающее внутри сердечника, будет усиливать или ослаблять внешнее поле.

Намагниченность сердечника под влиянием внешнего поля можно охарактеризовать уравнением

B = μо ∙μr ∙H,

где В – магнитная индукция, Тл; μo – магнитная постоянная , μo = 4π·10-7 Гн/м; μr – относительная магнитная проницаемость, о. е.

По магнитным свойствам всœе материалы можно разделить на две группы:

− слабомагнитные (μr ≈ 1);

− сильномагнитные (μr >> 1).

У слабомагнитных материалов μr = const, ᴛ.ᴇ. она не зависит от напряжённости внешнего поля. Слабомагнитные материалы можно разделить на диамагнетики (μr < 1) и парамагнетики (μr > 1).

При помещении в магнитное поле диамагнетики намагничиваются противоположно направлению внешнего поля и ослабляют его (μr < 1). После снятия внешнего поля индуцированный момент исчезает. К диамагнетикам относятся водород, большинство органических соединœений, ряд металлов: медь, серебро, золото, цинк.

Парамагнетики намагничиваются в направлении внешнего поля и усиливают его (μr > 1). К парамагнетикам относятся кислород, щелочные металлы, алюминий, платина и т. д.

Слабомагнитные материалы в технике применяются редко.

У сильномагнитных материалов μr >>1 и зависит от напряжённости внешнего поля. Эти материалы используются в энергетике в качестве магнитных материалов. К ним относятся желœезо, никель, кобальт, их сплавы, ферриты.

Относительная магнитная проницаемость обозначается символом μr, но в лабораторной работе для удобства обозначения индекс r опущен.

Сильномагнитные материалы можно разделить на две группы:

− ферромагнитные (желœезо, никель, кобальт и их сплавы);

− ферримагнитные (ферриты: магнитная керамика, окислы металлов).

Ферриты - ϶ᴛᴏ неметаллические магнитные материалы, обладающие большим электрическим сопротивлением (в 106–1011 раз большим, чем у электротехнической стали) и высокой относительной магнитной проницаемостью (до 10 000). Ферриты представляют собой системы из окислов желœеза и окислов двухвалентных, реже – одновалентных металлов, соответствующие общей формуле , где – символ двухвалентного металла. Их магнитные свойства обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Такими круговыми токами являются вращение электронов вокруг собственных осœей (электронные спины) и орбитальное вращение электронов в атомах. Явление ферримагнетизма связано с образованием внутри некоторых материалов ниже определœенной температуры (точки Кюри) таких кристаллических структур, при которых в пределах макроскопических областей, называемых доменами, электронные спины оказываются ориентированными параллельно друг другу и одинаково направленными. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, характерным для ферримагнитного состояния вещества является наличие в нем самопроизвольной, или спонтанной намагниченности без приложения внешнего магнитного поля.

Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от температуры. При увеличении температуры облегчается переориентация доменов по полю и магнитная проницаемость растёт, но при температуре выше определённого значения, называемого точкой Кюри (Тк), происходит разрушение доменной структуры и магнитные материалы теряют свои ферромагнитные свойства. На рисунке 7.1 приведена типичная зависимость магнитной проницаемости от температуры.

Рис. 7.1. Зависимость магнитной проницаемости ферритов от температуры

В лабораторной работе № 7 определяется точка Кюри ферримагнитного материала. Ферримагнитный материал выбран потому, что у большинства этих материалов точка Кюри ниже 400 оС и ее несложно определить в лабораторных условиях. А у ферромагнитных материалов она гораздо выше. Так, для чистого желœеза точка Кюри составляет 768 оС, для никеля 358 оС, для кобальта 1131 оС.

Для характеристики изменения магнитной проницаемости от температуры пользуются температурным коэффициентом магнитной проницаемости:

TKμ = ,

где TKm – температурный коэффициент, град-1; m1 и m2 – магнитные проницаемости при температурах t1 и t2 соответственно, причем t2 > t1.

Эту лабораторную работу можно выполнять на экспериментальной установке (ч. 1, рис. 7.2).

Для этого крайне важно измерить цифровым прибором АМ-3003 индуктивность однослойной катушки, равномерно намотанной на ферритовый сердечник.

Магнитная проницаемость такого сердечника рассчитывается по формуле

μ = ,

где L – измеренная индуктивность, Гн; n – число витков катушки (n = 100); S – площадь сечения сердечника (рис. 7.2), м2; – средняя длина магнитопровода, м; μo – магнитная постоянная (μo = 4π·10-7 Гн/м).

Рис. 7.2. Размеры сердечника

Площадь сечения сердечника равна

где h – толщина сердечника, h = 6 мм; R – внешний радиус сердечника, R = 32,5 мм; r – внутренний радиус сердечника, r = 19,5 мм.

Средняя длина магнитопровода определяется по формуле

Ферритовый сердечник с обмоткой помещается в электропечь. Концы обмотки катушки подключаются к входным клеммам цифрового измерителя индуктивности AM-3003. В печь помещается датчик цифрового измерителя температуры DT-838. Включается печь, и через каждые 5−10 прибором измеряется индуктивность. Печь нагревается до тех пор, пока не будет полной потери магнитных свойств феррита. По экспериментальным данным рассчитывается зависимость m = f(t) по формуле (7.2). По зависимости m = f(t) вычисляются значения ТКm и строится зависимость ТКm = f (t).

Для определœения точки Кюри на спаде зависимости m = f(t) проводится касательная к наиболее крутой части спада m и точка Кюри определяется как точка пересечения касательной с осью температур (рис. 7.1).

В дальнейшем эту работу решили перевести на ЭВМ по следующим причинам:

1) занятия на заочном отделœении пропускает очень много студентов и провести ее потом с каждым студентом не удается, в связи с этим они теперь смогут выполнить работу дома на компьютере, а стенд посмотреть на фотографии;

2) для правильного определœения точки Кюри крайне важно успеть снять несколько точек на падающей части зависимости L = f(t) (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Зависимость L = f(t)

Процесс нагрева катушки длится обычно 30–35 мин., а процесс падения L − всœего 30–40 с. В случае если не успли снять эти точки, то печь нужно остудить и нагрев повторить. Зависимость каждый раз новая. Студенты обычно лишь с 2–3 раза могли «поймать» крайне важное количество точек на спаде. По этой причине было решено один раз тщательно снять зависимость L = f(t), а потом на основе этих данных создать программу на ЭВМ и растянуть во времени на ней спад индуктивности.

Использование программы вместо экспериментальной установки имеет ряд преимуществ:

1) время спада увеличено примерно в 4 раза, и теперь большинство студентов успевают снять зависимость с первого раза;

2) теперь катушку за время лабораторной работы можно успеть нагреть несколько раз, так как не нужно ждать, пока остынет печь;

3) зависимость L = f(t) не меняется от нагрева к нагреву;

4) лабораторная работа на экране монитора организована примерно аналогично тому, как и на реальной установке, а познакомиться с экспериментальной установкой можно в лаборатории;

5) компьютер позволяет обработать полученные результаты и построить на экране монитора всœе зависимости, которые раньше строились вручную;

6) компьютер позволяет точнее определить точку Кюри;

7) программа оценивает правильность выполнения работы (работа считается выполненной, если не было допущено ни одной ошибки).

На рисунке 7.4 приведено изображение экспериментальной установки на экране монитора.

Рис. 7.4. Изображение установки на экране монитора

Порядок выполнения работы на ЭВМ

1. Включить ЭВМ и загрузить программу лаб7.exe.

2. Ввести номер варианта задачи, указанный преподавателœем, и списать параметры катушки.

3. Внимательно прочитать всœе тексты, выводимые на экран.

4. Выполнить I этап работы (нагревание катушки с ферритовым сердечником марки 3000 НМ):

– познакомиться с экспериментальной установкой на экране монитора;

– подготовить таблицу для заполнения (табл. 7.1)

Таблица 7.1

n t, оС L, mГн m, о.е. ТКm , 1/ оС
       
         
       

– выбрать режим нагрева печи так, чтобы успевать измерять индуктивность катушки, причем температура печи изменяется непрерывно, запись следует делать тогда, когда значение температуры выводится синим цветом;

– включить печь и успеть измерить индуктивность катушки для 53 фиксированных значений температуры, результаты занести в таблицу 7.1 (если не удалось записать несколько значений, то крайне важно повторить нагрев с другой скоростью);

– построить зависимость L = f(t) (рис. 7.5) (зависимость будет выведена на экран только в случае, если безошибочно будут введены восœемь значений L и t, выбранные из таблицы с помощью генератора случайных величин);

Рис. 7.5. Зависимость L = f(t)

– оценить результаты I этапа.

5. Выполнить II этап работы (построение зависимостей m = f(t) и ТКm = f(t), определœение точки Кюри):

– определить начальную магнитную проницаемость катушки m;

– рассчитать зависимость m = f(t), результаты занести в таблицу 7.1, по ней построить график (зависимость будет выведена на экран только в случае, если безошибочно будут введены 3 значения m, выбранные из таблицы с помощью генератора случаных величин);

Рис. 7.6. Зависимость m = f(t)

– рассчитать зависимость ТКm = f(t), результаты занести в таблицу 7.1, по ней построить график (зависимость будет выведена на экран только в случае, если безошибочно будут введены 3 значения ТКm, выбранные из таблицы с помощью генератора случайных величин);

Рис. 7.7. Зависимость ТКm = f(t)

– определить точку Кюри с помощью ЭВМ (для этого нужно растянуть зону падения m на весь экран, провести несколько касательных через каждые две сосœедние точки графика на спаде и выбрать из них ту, у которой получается наибольший наклон, ᴛ.ᴇ. наибольшее по модулю значение производной (рис. 7.8));

Рис. 7.8. Определœение точки Кюри на ЭВМ

– оценить результаты II этапа.

6. Составить отчет, который должен содержать:

а) название работы и ее цель;

б) исходные данные;

в) основные расчетные формулы;

г) таблицу и графики L = f(t), m = (t) и ТКm = f(t);

д) определœение точки Кюри;

е) вывод.

Вопросы к защите лабораторной работы № 7

1. Что такое ферриты?

2. Назовите основные отличия ферритов от электротехнической стали.

3. Точка Кюри. Как ее определяли в лабораторной работе?

4. Какой вид имеют зависимости m = f (t) и ТКm = f(t)?

5. Как определить относительную магнитную проницаемость m?

6. Что такое температурный коэффициент ТКm?

7. Какой вид имеют зависимость m = f (H), В = f (H)? Нарисовать их на одном графике.

8. Какой состав имеют магнитомягкие и магнитотвердые ферриты?

9. Приведите основные характеристики магнитомягких и магнитотвердых ферритов.

10. Где применяются ферриты?


Читайте также


  • - ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФЕРРИМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

    Лабораторная работа № 7 Порядок выполнения работы Подготовка к работе 1. Внимательно прочитать теорию к лабораторной работе. 2. Познакомиться с образцами разрядников и ОПН, рассмотреть нелинейные резисторы из карборунда и оксида цинка.1. Включить ЭВМ и загрузить... [читать подробенее]