Описание лабораторной установки

Функциональная схема установки приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Схема лабораторной установки

Установка состоит из тороидального образца ферромагнитного материала (ФМ) (пермаллоя) с двумя обмотками W₁ и W₂, электронного осциллографа (ЭО) типа Cl-20, звукового генератора (ЗГ) типа ГЗ-53. Резисторы R1, R2, конденсатор С и испытуемый ферромагнитный материал ФМ помещены в отдельном металлическом корпусе, представляющем собой испытательный стенд, а электрические соединения этих элементов выполнены согласно рис. 4.3. Выводы для подключения звукового генератора и осциллографа расположены на мнемосхеме лицевой панели корпуса стенда.

На вход горизонтального усилителя осциллографа подается напряжение Uр, снимаемое с резистора R1. Это напряжение пропорционально току I₁ в первичной обмотке W₁, следовательно, и напряженности магнитного поля Н согласно выражению

(4.6)

где 2  π  r_ср – средняя длина силовой линии магнитного поля кольцевого сердечника; r_ср – средний радиус исследуемого пермаллоевого сердечника; W₁ – число витков первичной обмотки.

На вход вертикального усиления подается напряжение U_с конденсатора С интегрирующей цепочки R₂C. При этом напряжение на ёмкости будет равно

(4.7)

где I₂ – ток в обмотке W₂.

Во вторичной обмотке под действием переменного магнитного поля наводится ЭДС е₂:

(4.8)

где W₂ – числе витков вторичной обмотки; S – сечение ферромагнитного сердечника; В – магнитная индукция.

Тогда, при условии R, величина тока I₂ будет определяться только активным сопротивлением:

(4.9)

Следовательно, согласно выражению (4.7) напряжение U_С, подаваемое на вертикальный вход осциллографа, равно

(4.10)

т. е. напряжение U_с пропорционально индукции В в образце. Таким образом, при одновременном приложении синусоидального напряжения U_R и вторичного напряжениz U_C на экране осциллографа получится динамическая петля гистерезиса.

Задание

1. Изучить процессы при намагничивании ферромагнетиков, а также описание лабораторной установки. Подготовить установку к измерениям в соответствии с порядком проведения лабораторной работы (пп. 1–8).

2. Зарисовать на пленку предельные петли гистерезиса исследуемого материала для частот f₁, f₂, f₃ (табл. П.4 приложения) при токе первичной обмотки 80 мкА.

3. Снять экспериментально основную кривую намагничивания АО (рис. 4.1) для частоты f₂. Провести градуировку осей осциллографа.

4. По результатам экспериментов определить индукцию насыщения, остаточную индукцию, коэрцитивную силу (в соответствии с рис. 4.1), удельные магнитные потери, по формуле (4.4) построить кривую .

5. Рассчитать и построить графики частотной зависимости удельных потерь энергии и мощности.

Порядок проведения лабораторной работы

1. Кнопкой СЕТЬ подать питание на испытательный стенд.

2. Тумблером «сеть» (кнопкой POWER) включить осциллограф, поставив переключатель сеть звукового генератора в верхнее положение, включить генератор. Осциллографу необходимо в течение 1 мин дать прогреться.

3. Предел шкал V звукового генератора установить в положение 3V. Множитель частоты поставить в положение 1, лимбы подстройки частоты установить в положение 50 Гц и ручкой РЕГ.ВЫХ. установить напряжение, равное 1,5 В, контролируя по вольтметру V генератора амплитуду выходного напряжения. Устройство генератора может отличаться от приведенного.

4. Переключатель множителя длительности развертки осциллографа TIME/DIV поставить в положение «X-Y». Ручками смещения нуля по осям Х и Y ◄POSITION► и ▼POSITION▲ при закороченных входах (установить GND) осциллографа установить точку луча в центре экрана осциллографа. Перевести каналы в режим измерения переменного сигнала (установить АС). Устройство осциллографа может отличаться от приведенного.

5. Собрать электрическую схему установки в соответствии с рис. 4.3.

6. Установить по шкале звукового генератора рабочую частоту f₂.

7. Плавно повышая выходное напряжение звукового генератора ручкой РЕГУЛИРОВКА ВЫХОДА, довести ток в первичной обмотке сердечника до 80 мкА.

8. Ручками усиления по вертикальному входу VOLTS/DIV (и РЕГ.ВЫХ. генератора) развернуть изображение на экране осциллографа так, чтобы координаты вершин петли гистерезиса составляли около 50 мм по вертикали.

9. Зарисовать изображение предельной петли гистерезиса на частоте f₂ на пленку.

* Жирным шрифтом выделены задания, которые необходимо выполнить непосредственно на лабораторной установке.

10. Зарисовать изображения предельной петли гистерезиса для частот f₁ и f₃ на пленку при поддержании одинаковой напряженности внешнего поля, соответствующей току 80 мкА.

11. Измерить площади петель и определить частотную зависимость удельных потерь энергии и мощности удельных потерь.

Площадь петли гистерезиса S_n определить путем подсчета занимаемых квадратов контуром петли при приложении к миллиметровой бумаге.

Удельные потери энергии в образце определяются по формуле

, (4.11)

где S_n – площадь динамической петли, м²; d – плотность материала образца (для пермаллоя d = 8000 кг/м³ ); m_H – масштаб по оси X; m_B – масштаб по оси Y осциллографа.

Мощность удельных потерь определяется как

, (4.12)

где f – частота, Гц.

11. Снять (зарисовать на пленку с петлей на частоте f₂) основную кривую намагничивания на частоте f₂ путем плавного уменьшения напряжения звукового генератора от максимума, соответствующего току первичной обмотки 80 мкА, до минимума с интервалом 10 мкА. При этом точка максимума петли гистерезиса A’ опишет основную кривую намагничивания АО (рис. 4.1). Отметить оси координат!

Внимание! Перевод измеренных в метрах значений графика основной кривой намагничивания B (H) в магнитные величины тесла (Тл) и ам­пер на метр (А/м) осуществляется умножением на соответствующие коэф­фициенты m_B и m_H.

11. Произвести градуировку осей осциллографа. Так как току I = 80 мкА первичной обмотки соответствует напряженность, составляю-

* Жирным шрифтом выделены задания, которые необходимо выполнить непосредственно на лабораторной установке.

щая ΔХ мм по горизонтальной оси осциллографа, то масштаб по горизонтали может быть найден как

, А/м²,

где W₁ – число витков первичной обмотки, W₁ = 100; ΔХ – расстояние меж­ду вершинами петли гистерезиса по оси х; l_ср – средняя длина силовой линии магнитного поля, м (измерить на магнитопроводе на лицевой панели стенда при помощи линейки – см. лаб. раб. № 5).

Для определения масштаба по вертикальной оси необходимо замкнуть накоротко горизонтальный вход осциллографа, предварительно отсоединив его от испытательного стенда, а вертикальный вход соединить с выходом звукового генератора. Усиление по вертикали необходимо выставить 0,2–1 V/div. Ручкой регулировки выходного напряжения генератора установить 0,5–1,5 В, контролируя напряжение вольтметром генератора, и зафиксировать величину отклонения луча по вертикали. Масштаб определяется по формуле

, Тл/м,

где W₂ – число витков вторичной обмотки W₂ = 100; С – емкость конденсатора, С = 10^–6 Ф; R₂ – величина сопротивления, R₂ = 10 кОм; S – площадь сечения магнитопровода, S = 15  10^–6; U_y – напряжение на вертикальном входе, В; Y – отклонение луча на экране осциллографа, мм; К_y – коэффициент ослабления по входу «Y» осциллографа.