close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Laba 10 ferromagnetik (2)

код для вставкиСкачать
 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10
Изучение свойств ферромагнетиков.
Цель работы: исследование зависимости индукции магнитного поля в ферромагнетике от величины намагничивающего поля и температуры.
Приборы и принадлежности:тороид из исследуемого вещества, осциллограф, сопротивления, конденсатор, генератор переменного тока, вольтметр переменного тока, термостат.
Краткая теория
Ферромагнетики обладают некоторыми особенностями, которые отличают их от других магнетиков. В первую очередь это гистерезис, аналогичный тому, который имел место при исследовании поляризационных свойств сегнетоэлектриков в переменных электрических полях (работа № 4 настоящего специального практикума). В ферромагнетиках это проявляется в виде неоднозначной функции , определяющей зависимость магнитной индукции от величины приложенного магнитного поля . По физической сущности гистерезис сегнетоэлектриках и ферромагнетиках определяется доменной структурой спонтанной поляризации и намагниченности в этих веществах. Природа появления спонтанной поляризации и намагниченности имеет различные трактовки и сущность. Однако, внешняя схожесть этих явлений послужила поводом введения термина ферроэлектрик (в зарубежной литературе) вместо сегнетоэлектрик (в отечественной литературе). Кроме этой схожести сегнетоэлектрики и ферромагнетики при некоторых температурах (температура Кюри ) претерпевают фазовый переход из сегнетоэлектрического и ферромагнитного в параэлектрическое и парамагнитное состояние, соответственно, при которых отсутствует спонтанная поляризация и намагниченность. При этой температуре фазового перехода Петра гистерезиса , обусловленная наличием доменной структуры со спонтанной поляризацией, должна исчезнуть.
При исследовании гистерезисной зависимости (рис. 1) наблюдаются так же характерные участки, как и для зависимости в сегнетоэлектриках.
Следует отметить, что все характерные точки имеют одинаковые названия и физическую сущность. Часть энергии, которая определяется площадью гистерезисной кривой (см. рис. 1) идёт на перемагничивание образца
и переходит, в конечном счете, в тепло. Отношение площади, ограниченной гистерезисной кривой , к площади прямоугольника со сторонами и .
Рассмотрим ход кривой намагничивания или зависимости макрообъекта ферромагнетика, принадлежащего к кубической симметрии (рис. 2).
В слабых магнитных полях (участок 1 рис. 2) происходит обратимое смещение границ доменов ферромагнетиков, при котором происходит увеличение объемов домена, векторы намагниченности которых соответствует наименьший угол с направлением внешнего поля за счёт "антипараллельных" доменов. Процесс этот практически является обратимым, т.е. после выключения поля образец возвращается в исходное состояние.
На участке необратимого смещения границ (участок 2 рис. 2) происходят повороты доменов на 90 и 180 градусов, что соответствует резкому ходу кривой намагничивания. На этом участке намагниченность образца изменяется скачкообразно, что подтверждает доменную структуру спонтанной намагниченности ферромагнетика. Впервые это было обнаружено в 1919 году Баркгаузеном и получило название эффект Баркгаузена (или скачки намагниченности Баркгаузена). В 1931 году Акуловым и Биттером независимо был разработан метод наблюдения доменной структуры ферромагнетиков, который состоит в том, что электролитически отполированную поверхность образца покрывают коллоидным раствором мелкодисперсного порошка железа и наблюдают под микроскопом образующиеся фигуры (фигуры Акулова - Биттера). Эти фигуры определяют границы раздела магнитных доменов. Было определено, что эти домены имеют линейные размеры от единиц до сотен микрометров, и магнитный момент, приблизительно, в раз больше магнитного момента отдельного атома.
На участке 3 (рис. 2) происходит вращение направления векторов намагниченности из легкого в более трудное, параллельное полю . Когда все магнитные моменты расположатся параллельно полю , наступит техническое насыщение , при этом будет линейно расти с ростом . В действительности происходит слабое увеличение с ростом (парапроцесс) и после ориентации всех моментов вдоль внешнего магнитного поля .
Если в точке с координатами и удалить внешнее поле (), то индукция будет равна остаточной индукции , т.е. будет иметь место гистерезис. Для того чтобы получить состояние образца сна него следует воздействовать размагничивающим полем, равным коэрцитивной силе .
Причинами гистерезиса могут быть необратимые процессы смещения границ доменов и необратимые процессы вращения. Кроме этих причин Кондорским была разработана третья причина появления гистерезиса - задержка роста зародышей перемагничивания, под которыми понимают объемы с самопроизвольной намагниченностью обратного направления по отношению к основной намагниченности насыщения образца. В настоящее время нельзя считать окончательно выясненной природу образования зародышей. Однако теория кривой намагниченности и петли гистерезиса разработана весьма глубоко и подробно, а описание этой разработки можно найти в многочисленной литературе.
В зависимости от вида петли гистерезиса ферромагнитные материалы (железо, никель, кобальт, гадолиний, их соединения и сплавы, а также сплавы марганца, серебра, алюминия и ферриты) делятся на магнитомягкие и магнитотвердые. Такое деление магнитных материалов является чисто условным. Так для магнитомягких материалов наименьшая коэрцитивная сила соответствует , а для магнитотвердых материалов наибольшая составляет . Таким образом, можно сказать, что магнитомягкие и магнитотвердые материалы различаются только величиной коэрцитивной силы. К магнитомягким материалам относятся: техническое железо, электротехническая сталь, пермаллои, ферриты (никельцинковые, марганеццинковые), магнитодиэлектрики (альсифер, карбонильное железо). Магнитотвердые материалы (материалы для постоянных магнитов) классифицируются по основному способу получения. Различают следующие группы: литые магнитотвердые на основе сплавов Fe-Ni-Al и Fe-Ni-Al-Co, легированных медью, титаном, ниобием и др.; порошковые магнитотвердые материалы получаются путем прессования сплавов Cu-Ni-Co, Cu-Ni-Fe, Fe-Co-Mo, Pt-Coc твердым порошкообразным диэлектриком; ферриты из железокобальта, бария, интерметаллических соединений.
Для изучения магнитных свойств ферромагнетиков существует много методик. Использование той или иной методики определяется формой образца и поставленными задачами. В технике широко используются ферриты в виде колец, стержней, пластин и других форм, полученных по керамической технологии. Ниже рассмотрена вкратце технология (основные технологические методы) получения марганеццинковых, широко используемых в радиотехнических устройствах ферритов, которые относятся к магнитомягким материалам с достаточно большими начальными магнитными проницаемостями , независимыми от частоты вплоть до 200 кГц. Кроме этого температура фазового перехода меняется от 120 - 200 в зависимости от состава феррита. На рис.3 представлены зависимости и для феррита 3000 нм.
Технология получение ферритов
Технология получения ферритов различных марок разделяется на три основных метода: смешивание окислов металлов (железо, никель, кобальт, гадолиний, марганец, серебро и др.); термическое разложение солей этих металлов; совместное осаждение гидроокисей или углекислых солей. На рис.4 представлены схемы технологических процессов изготовления ферритов.
Наиболее простым способом изготовления ферритов является метод смешивания окислов (рис.4 а), при котором в качестве исходного материала используются окислы перечисленных выше металлов.
После анализа исходных материалов на количество примесей, влажность и процентное содержание в них окислов для заданного состава феррита производят расчет составляющих шихты в весовых процентах.
Это сырье взвешивают и подвергают первому помолу в вибромельницах (или шаровых мельницах), в которых сырье размельчают и тщательно перемешивают до получения однородной массы.
Далее для сушки и брикетирования (или гранулирования) осуществляют предварительный обжиг при температуре на несколько сотен градусов ниже температуры окончательного обжига. В результате этой операции получается полуспекшаяся масса с частичным или полным образованием феррита. Этот процесс необходим также для уменьшения усадки изделия после формировки.
Второй помол должен обеспечить получение ещё более измельченной и однородной массы, чем первый. Далее этот порошок непосредственно используют для получения изделия.
Формирование изделий из феррита производят прессованием в стальных формах, выдавливанием стержней, трубок через мундштук. Наиболее прогрессивным методом является горячее литье под давлением.
Во всех случаях для улучшения прессуемости в порошок вводят пластифицирующие вещества (водный раствор поливинилового спирта, вода, декстрин и др.). После введения пластифицирующих веществ формирование изделий из феррита осуществляют с помощью гидравлических прессов при давлении до .
Окончательный обжиг, при котором происходит спекание изделия, является заключительной операцией определяющей качество полученного ферритового изделия.
Отличительной особенностью производства марганеццинковых ферритов состоит в том, что при охлаждении ферритов в среде воздуха при атмосферном давлении марганец имеет тенденцию к окислению до более высокой степени, чем MnO. Это обстоятельство приводит к резкому снижению магнитных свойств изделия. Для уменьшения влияния этого процесса создают определенные газовые среды в печи с изменяющимся давлением в зависимости от температуры. Кроме этого изделия из марганеццинковых ферритов подвергают искусственному старению (выдержке при в течении 48 часов).
Методика изучения динамических характеристик
Схема установки для наблюдения гистерезисной кривой намагничивания ферритовых колец и определения параметров материала представлена на рис.5. Эта методики имеет название феррографа.
Как известно, интегрирующая цепочка должна удовлетворять следующему соотношению , где T- период изучаемого переменного процесса , где - частота переменного намагничивающего поля .
Согласно закону электромагнитной индукции напряжение на выходе вторичной обмотки равно
,
где - площадь поперечного сечения образца, - количество витков во второй обмотке.
Напряженность магнитного поля в тороиде равна
,
где - число витков на единицу длины осевой линии тороида, - сила тока в первичной обмотке . Падение напряжения на резисторе равно:
.
Тогда из (3) и (4) получим
.
Пренебрегая падением напряжения на обмотке , получим следующее соотношение
,
где - сила тока во второй обмотке, R- сопротивление RC-цепочки, - падение напряжения на конденсаторе C. Если подобрать так параметры цепочки чтобы , то
.
Учитывая выражение (7), получим для
.
Отсюда следует
.
Уравнения (5) и (9)показывают, что если мы на X-пластины осциллографа подаем с резистора , а на Y-пластины напряжение с конденсатораС (рис.5), то на экране осциллографа будет высвечиваться зависимость . За полный цикл изменения электронный луч опишет замкнутую петлю гистерезиса. Изменяя входное напряжение на первичной обмотке, получим различные петли. Вершина каждой петли представляет собой основную кривую намагничивания. Зная параметры ферритовоготороида (рис.6), количество витков , , а такжеR, , С, можно определить и .
Порядок выполнения работы
Задание №1.
Собрали схему в соответствии с рис.5.
Включили питание генератора, осциллографа и вольтметра.
При максимальном магнитном поле провели калибровку чувствительности X и Y пластин, для этого определили, какое напряжение необходимо подать, чтобы луч отклонился на 1 см по оси X и Y от центра экрана, соответственно.
Уменьшая напряжение на генераторе, сняли семейство уменьшающихся до точки гистерезисных петель на кальку.
Согласно (5) и (9) нашли значения коэффициентов k1 и k2:
K_1=N_1/(R_0 L)=75/(100*6.28*〖10〗^(-3) )=29,9 (1/(Ом*м))
K_2=RC/(N_2 S)=(68*〖10〗^(-5))/(7,5*4*〖10〗^(-6) )=2,266 ((Ом Ф)/м^2 )
По семейству петель построили таблицу 1, а по ней зависимость (рис. 7).
Таблица №1.
X, делUx, В/делH, A/mY, делUy, В/делB, мТлµ52,14319,933,20,02145,280,3615444,12,14262,34263,20,02145,280,4409073,92,14249,54543,10,02140,740,4490333,62,14230,34963,10,02140,740,4864533,22,14204,75523,10,02140,740,5472592,62,14166,363630,02136,20,6518221,92,14121,573430,02136,20,8919671,72,14108,77622,90,02131,660,9636740,92,1457,58742,90,02131,661,8202740,62,1438,39162,50,02113,52,3538020,62,1438,39164,50,01102,152,118422X, делUx, В/делH, A/mY, делUy, В/делB, мТлµ0,52,1431,9934,30,0197,612,4291240,352,1422,39514,10,0193,073,3087740,22,1412,79723,90,0188,535,5078980,172,1410,877623,50,0179,455,8152770,142,148,958043,10,0170,376,2543890,132,148,318182,80,0163,566,0836740,132,148,318184,40,00549,944,780030,122,147,6783240,00545,44,7076050,112,147,038463,60,00540,864,6220120,12,146,39862,80,00531,783,9543880,092,145,758742,20,00524,973,4522440,082,145,118881,70,00519,2953,0010980,062,143,839161,20,00513,622,824563 Рис.7. График зависимости Bmaxот Hmax.
Исходя из зависимости и формулы , построили функцию (рис. 8).
Рис.8. График зависимости µmaxот H
Зная калибровку чувствительности X- и Y-пластин, а также используя формулы (1), (5), (9) определили количество теплоты выделяемой за 1 сек. (мощность перемагничивания) последующей формуле , где - частота повторения изменения магнитного поля .
QT =1/RC ∫_0^(〖4*10〗^(-6))▒〖k_1 Udπ(k_2 U)=1/RC k_1 k_2 U^2/2 {█(〖4*10〗^(-6)@@0)┤=1/〖100*10〗^(-5) (4^2 〖*10〗^(-12))/2* *2,266*29,9=〗 532*〖10〗^(-3) (Вт)
Задание №2.
При максимальном поле намагничивания сняли семейство петель гистерезиса при различных температурах вплоть до исчезновения петли (вырождение ее в прямую). Результаты в таблице 2.
Таблица №2
Y, делUy, В/делB, мТлT, C0µ3,80,02172,21622429,38233,60,02163,15224406,78323,40,02154,08826384,18423,40,02154,08828384,18423,20,02145,02430361,58513,20,02145,02432361,585130,02135,9634338,98630,02135,9636338,9862,80,02126,89638316,387Y, делUy, В/делB, мТлT, C0µ2,80,02126,89640316,3872,60,02117,83242293,78792,40,02108,76844271,18882,40,02108,76846271,18882,20,0299,70448248,589820,0290,6450225,99071,80,0281,57652203,39161,60,0272,51254180,79251,20,0254,38456135,59440,80,0236,2565890,396270,60,0227,1926067,797210,40,0218,1286245,198140,20,029,0646422,599070,20,029,0646622,59907
Из семейства петель гистерезиса при различных температурах построили зависимость B(T)(рис.9), которая отражает зависимостьY(T) . Кроме этого из этой зависимости построили функциюµmax (T)(рис.10). Рис.9. График зависимости Bmaxот Т
Рис.10. График зависимости µmaxот Т
Вывод: В ходе лабораторной работы мы провели исследование основных свойств ферромагнитного образца.
В результате получились следующие характеристики: µmax = 6028.9 при Hmax = 7.17 А/м, Tк = 66 °C.
Мощность перемагничивания получилась равна Q = 0,54мВт. Такая мощность приводит к небольшому разогреву феррита на несколько градусов выше температуры окружающей среды.
Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова
Лабораторная работа №10
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ.
Выполнили студенты: Панковский Н.И.
Шавкин Е.Н.
Молканов А,С.
Группа: ЭиНЭ-31 БО
Ярославль, 2013
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
51
Размер файла
661 Кб
Теги
laba, ferromagnetik
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа