Лабораторная работа № 6 исследование свойств электротехнической стали

Цель работы: экспериментальное определение кривой намагничивания ферромагнитного сердечника и изучение зависимости удельных потерь от частоты.

Теоретические положения

Важнейшей характеристикой магнитных свойств материала является абсолютная магнитная проницаемость

,

где μ − абсолютная магнитная проницаемость, ; Н – напряженность магнитного поля, А/м; В – магнитная индукция, Тл.

На практике удобнее пользоваться относительной магнитной проницаемостью

где μ₀ = 4π10^-7 Гн/м – магнитная постоянная.

Эта величина позволяет сравнить между собой разные материалы. По магнитным свойствам все материалы делятся на слабомагнитные и сильномагнитные. К первым относятся диамагнетики и парамагнетики, ко вторым – ферромагнетики. У диамагнетиков относительная магнитная проницаемость μ_r < 1, у парамагнетиков μ_r > 1, а у ферромагнетиков μ_r >> 1. У слабомагнитных материалов магнитная проницаемость не зависит от напряженности внешнего поля.

Характерными особенностями ферромагнитных материалов является большая величина относительной магнитной проницаемости и зависимость ее от напряженности магнитного поля. В ферромагнетиках даже без приложения внешнего магнитного поля имеются микроскопические области, называемые магнитными доменами, в которых магнитные моменты электронов направлены параллельно друг другу. Магнитные моменты отдельных доменов расположены неупорядоченно, вследствие чего суммарная намагниченность их равна нулю. При наложении внешнего поля происходит рост доменов, намагниченность которых совпадает или близка к направлению внешнего поля, и поворот магнитных моментов в направлении поля.

В электроэнергетике ферромагнитные материалы нашли широкое распространение. Например, электротехнические стали используются для изготовления магнитопроводов электродвигателей, генераторов, трансформаторов, сердечников магнитов и т. д.

Рассмотрим кривую намагничивания В = f(H) и зависимость относительной магнитной проницаемости электротехнической стали от напряженности поля μ_r = f(Н) (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Зависимости В = f(Н), μ_r = f(Н)

В области очень слабых магнитных полей (участок 1) магнитная индукция растет линейно с ростом напряженности, магнитная проницаемость остается постоянной. В области средних полей (участок 2) магнитная проницаемость резко возрастает и проходит через максимум. Магнитная индукция на этом участке кривой резко увеличивается, а затем наступает замедление роста. В области средних полей (участок 3) происходит лишь слабое увеличение магнитной индукции, а в области сильных полей (участок 4) оно почти прекращается. Здесь наступает насыщение, т.е. завершается поворот всех векторов доменов. Магнитная проницаемость на этих участках уменьшается.

На рисунке 6.1 приведена начальная кривая намагничивания, полученная при условии, что вещество предварительно было размагничено. При циклическом изменении напряженности от +Н₁ до −Н₁ кривая изменения индукции примет форму замкнутой кривой – петли гистерезиса (рис. 6.2). Для петли гистерезиса характерно следующее: при снижении напряженности магнитного поля от + Н₁ до 0 магнитная индукция не равна нулю, она имеет некоторое остаточное значение В_r . Для доведения остаточной индукции до нуля необходимо довести напряженность магнитного поля до значения −Н_с, называемого коэрцитивной силой.

Рис. 6.2. Гистерезисная петля магнитного материала

Циклическое перемагничивание материала происходит с определенной потерей энергии, выделяющейся внутри материала в виде тепла. Потери энергии на один цикл перемагничивания пропорциональны площади петли гистерезиса и равна сумме потерь на перемагничивание и на вихревые токи. При перемагничивании сердечника происходит переориентация доменов, что требует определенных затрат энергии. Энергия также расходуется на создание электродвижущей силы и связанных с ней вихревых токов в сердечнике.