Badanie materialow ferromagnetycznych.pdf

U niwersytet T echnologiczno- P rzyrodniczy

w Bydgoszczy

W ydział T elekomunikacji i E lektrotechniki

Z akład E lektroenergetyki

Laboratorium In Ŝ ynierii materiałowej

Instrukcja do ć wiczenia:

Badanie materiałów ferromagnetycznych

(wersja „beta” – proszĘ o uwagi do instrukcji)

Opracowali

dr in Ŝ . Maria Derecka, mgr in Ŝ . Sebastian Zakrzewski

Bydgoszcz, 2012 r.

Badanie materiałów ferromagnetycznych (wersja „beta”)

I. Cel ćwiczenia 02.03.10

Celem ćwiczenia jest:

• utrwalenie pojęć i charakterystyk uŜywanych do opisu właściwości magnetycznych materia-

łów,

• poznanie magnetycznych właściwości materiałów uŜywanych w elektrotechnice przez do-

świadczalne badania ich próbek,

• poznanie ilościowych charakterystyk materiałów magnetycznych decydujących o ich zastoso-

waniach w konstrukcji urządzeń elektrycznych.

II.

Podstawowe wiadomości

NaleŜy przypomnieć sobie następujące zagadnienia omawiane na wykładach:

• właściwości dia-, para- i ferromagnetyków;

• pierwotna krzywa magnesowania materiału ferromagnetycznego;

• pętla histerezy i charakterystyczne pojęcia z nią związane;

• straty mocy czynnej na histerezę i prądy wirowe.

Pierwsze magnesowanie próbki materiału ferromagnetycznego, od stanu określonego wartościa-

mi H = 0 i B = 0, przy monotonicznie rosnącej wartości natęŜenia prądu magnesującego, odbywa

się według krzywej przedstawionej na rys. la. Przy cyklicznym przemagnesowywaniu materiału

ferromagnetycznego przy wartości natęŜenia pola magnetycznego od – H ¢ do + H ¢ charakterystyka

B = f ( H ) ma kształt krzywej zamkniętej zwaną pętlą histerezy (rys. 1b).

Powtarzając proces cyklicznego przemagnesowywania przy coraz to większych wartościach H’

otrzymuje się rodzinę pętli histerezy oraz graniczną pętle histerezy odpowiadającą wartości natęŜe-

nia pola magnetycznego ± H max przy którym osiąga się stan nasycenia w materiale ferromagnetycz-

nym (rys. 1c).

Rys. 1. Charakterystyki magnesowania materiału ferromagnetycznego :

a) krzywa pierwotna

b) pętla histerezy powstała wskutek cyklicznego przemagnesowywania przy zmianie pola magnetycz-

nego od – H ’ do + H ’ i z powrotem do – H ’

c) rodzina pętli histerezy i charakterystyka komutacyjna - linia przerywana.

Graniczna pętla histerezy, po wcześniejszym namagnesowaniu materiału do stanu nasycenia, od-

cina na osi rzędnych wartość indukcji szczątkowej B r tj. indukcji, jaka pozostaje w zamkniętym

rdzeniu magnetycznym bezpośrednio po przerwaniu obwodu magnesującego, a na osi odciętych

określa wartość ujemnego natęŜenia pola – H c potrzebnego do całkowitego usunięcia indukcji

szczątkowej. NatęŜenie – H c nazywane jest natęŜeniem powściągającym (koercją). Wierzchołki

pętli histerezy wyznaczają podstawową charakterystykę magnesowania (linia przerywana na rys.

1c) podawaną w literaturze w postaci wykresów lub tablic.

Bezwzględną przenikalnością magnetyczną Μ danego materiału nazywamy iloraz:

Badanie materiałów ferromagnetycznych (wersja „beta”)

(1)

Względna przenikalność magnetyczna jest określona jako:

Μ =

(2)

przy czym: Μ 0 =4P×10 -7 H/m - przenikalność magnetyczna próŜni.

Przenikalność magnetyczna materiałów ferromagnetycznych zaleŜy od indukcji magnetycznej B

w obwodzie magnetycznym.

Materiały magnetycznie miękkie charakteryzują się małym natęŜeniem koercji (50 - 100 A/m).

Do produkcji magnesów trwałych uŜywa się materiałów magnetycznie twardych. W specjalnych

stopach magnetycznych natęŜenie koercji jest rzędu kilkudziesięciu tysięcy A/m.

Zmieniający się okresowo w materiale magnetycznym strumień magnetyczny powoduje powsta-

nie strat mocy ze względu na histerezę i prądy wirowe. Straty mocy w watach na kilogram stali

spowodowane histerezą są równe:

−

(3)

100

Spowodowane zaś prądami wirowymi:

−

(4)

100

gdzie: f - częstotliwość zmian indukcji magnetycznej, B - indukcja magnetyczna [T], k h i k w :

- dla stali z duŜą zawartością krzemu o grubości 0,5 mm - k h =3, k w = 1,2,

- dla stali o grubości 0,35 mm – k h = 2,4, k w = 0,6.

MoŜna wykazać [1], Ŝe w obwodzie magnetycznym strata energii spowodowana histerezą, na je-

den cykl przemagnesowania i na jednostkę objętości wynosi:

∫

P v

(5)

Pole powierzchni wewnątrz pętli histerezy jest więc miarą strat energii na jeden cykl przemagne-

sowania i na jednostkę objętości.

III. Układ pomiarowy

Schemat ideowy układu pomiarowego przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Schemat układu pomiarowego (ferrometru). Objaśnienia: 1, 2, 3 - cewki, 4, 5 - układy całkujące, 6 -

oscyloskop.

W praktycznie jednorodnym, przemiennym polu magnetycznym H cewki 1 zasilanej napięciem

przemiennym o częstotliwości 50 Hz umieszczone są dwie jednakowe cewki 2 i 3.

Badanie materiałów ferromagnetycznych (wersja „beta”)

Siła elektromotoryczna (SEM) na zaciskach cewki 2, w której znajduje się próbka badanego ma-

teriału magnetycznego, jest proporcjonalna do pierwszej pochodnej indukcji B w próbce, natomiast

SEM na zaciskach cewki 3 jest proporcjonalna do pierwszej pochodnej natęŜenia pola magnetycz-

nego H wytworzonego przez prąd I płynący przez cewkę 1.

Na podstawie zaleŜności (5) moc tracona w jednostce objętości próbki materiału na przemagne-

sowanie wynosi:

(6)

gdzie: S s - pole powierzchni zawarte wewnątrz pętli histerezy w mm 2 , k 1 - stała ferrometru.

Przyjmując

(7)

otrzymuje się:

(8)

IV.

Przebieg ćwiczenia

IV.1. Czynności przygotowawcze

Przygotowanie stanowiska pomiarowego

Na rys. 3 pokazano wygląd stanowiska.

oscyloskop

wyłącznik

cewka

próbka

Rys. 3. Wygląd stanowiska.

Czynności, które naleŜy wykonać:

• włączyć napięcie wyłącznikiem znajdującym się na tablicy zasilającej,

• włączyć napięcie zasilania oscyloskopu wyłącznikiem SIEĆ (na górnej ściance, z lewej strony),

• po uzyskaniu plamki świetlnej strumienia na ekranie oscyloskopu moŜna przystąpić do na-

stawienia wzmocnienia odchylania pionowego i poziomego: w otwór cewki wkładać kolej-

no wszystkie próbki materiałów magnetycznych, które mają być badane, aby ustalić, która

próbka powoduje największe odchylenia pionowe strumienia na ekranie oscyloskopu,

• tak wybraną próbkę naleŜy ponownie włoŜyć w otwór cewki po czym nastawić wzmocnienie

odchylania poziomego (gałka: X zewn. wzm.) i odchylania pionowego (gałka: A) tak, aby po-

wierzchnia wewnętrzna krzywej B = f ( H ) była moŜliwie duŜa i obraz pętli histerezy mieścił się

na ekranie oscyloskopu. Ferrometr naleŜy uwaŜać za wyskalowany. PołoŜenie pokręteł A oraz

X zewn. wzm. w czasie pomiarów nie moŜe być zmieniane .

Badanie materiałów ferromagnetycznych (wersja „beta”)

B. Przygotowanie komputera i ś ci ą ganie kopii ekranu oscyloskopu

Włączyć komputer.

Uruchomić edytor tekstów Word (do dokumentu tekstowego będziemy wklejać kopie ekranu

oscyloskopu zawierające poszczególne pętle histerezy, stanowiące wyniki poszczególnych badań w

ferrometrze). Na pulpicie zapisać plik Worda pod nazwą zawierającą datę wykonywania ćwiczenia

oraz kod grupy wykonującej ćwiczenie.

Uruchomić program WaveStar (skrót w menu Start ). Zadeklarować typ oscyloskopu wybierając

w menu

Instrument/Select/Scope,

a następnie Tek TDS210.

Wejść w zakładkę Select/RS -232 Setting i wybrać port Com1 (moŜna dla pewności wykonać

Test). Potwierdzić przez OK.

Następnie wejść w zakładkę Picture 1. Nacisnąć przycisk Acquire (oznaczony symbolem prze-

biegu prostokątnego). Czekać cierpliwie do pojawienia się kopii ekranu oscyloskopu. Następnie

wykonać Print Screen i po przełączeniu się na plik Worda wkleić tę kopię ekranu do pliku opisując

próbkę materiału magnetycznego symbolem podanym na próbce. Przygotować arkusz dla następnej

próbki wybierając Insert/Picture

IV.2. Badania

Porównanie właściwości magnetycznych róŜnych materiałów

W otwór cewki wkładać kolejno wszystkie dostępne próbki materiałów i za kaŜdym razem ścią-

gnąć przebieg pętli histerezy do komputera jak opisano w punkcie IV.1.B.

Obserwowanie wpływu napr ęŜ enia mechanicznego na przebieg p ę tli histerezy

W otwór cewki włoŜyć próbkę oznaczoną jako D, a następnie:

• ściągnąć przebieg pętli histerezy do komputera jak opisano w punkcie IV.1.B.,

• odkształcić próbkę według wskazówek prowadzącego ćwiczenie,

• ściągnąć przebieg pętli histerezy do komputera jak opisano w punkcie IV.1.B.

V. Opracowanie wyników badań

Wyniki naleŜy opracować wykorzystując informacje o próbce wzorcowej A (patrz załącznik).

V.1. Obliczenie maksymalnej indukcji i pola powściągającego

Znamy wykres pętli histerezy próbki A oraz wiemy iŜ: indukcja nasycenia B max-A = 1,4 T, natę-

Ŝenie powściągające H c-A = 30 Am -1 .

To pozwala wyznaczyć indukcję nasycenia B max-Z oraz natęŜenie powściągające H c-Z dla dowol-

nej próbki Z. Mianowicie

max

−

(9)

max

−

max

−

max

−

(10)

−

gdzie Y max-A , Y max-Z – rzędne [mm] odpowiadające indukcji nasycenia odpowiednio próbki A i próbki Z, uzy-

skane z wykresu pętli histerezy; X c-A , X c-Z – odcięte [mm] odpowiadające natęŜeniu powściągającemu odpo-

wiednio próbki A i próbki Z, uzyskane z wykresu pętli histerezy.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: