3. Описание лабораторного стенда

Общий вид лабораторного стенда показан на рис. 10.

Лабораторная установка включает в себя следующие основные блоки и узлы (рис 10а):

1. – персональный компьютер;

2. – USB осциллограф;

3. – миллитесламетр;

4. – датчик Холла миллитесламетра;

5 – исследуемый образец магнитотвёрдого материала (поршневое чугунное кольцо);

6 – намагничивающая катушка;

7 – блок намагничивания – размагничивания;

Блок (рис10б), совместно с подключённой катушкой, обеспечивает следующие возможности:

– намагничивание исследуемого образца однополярным импульсом тока, возникающего в катушке при разряде конденсатора через последовательно включенный диод;

– размагничивание образца осуществляется уменьшающимся по величине разнополярным переменным током, возникающим при разряде конденсатора при шунтировании диода закороткой.

Органы контроля и управления на блоке:

1,2 – гнёзда подключения катушки L1 в режимах импульсного намагничивания и размагничивания;

3,4 – гнёзда для для закорачивания диода VD5 в режиме размагничивания;

5,6 – гнёзда для подключения осциллографа;

7 – регулятор напряжения на конденсаторе;

8 – кнопка подключения обмотки намагничивания при разряде конденсатора;

9 – вольтметр для измерения напряжения на конденсаторе;

10 – тумблер включения прибора в сеть 220 В;

а)

б)

Рис 10 Лабораторная установка по исследованию намагничивания и размагничивания:

а) общий вид лабораторной установки

6) Блок намагничивания-размагничивания,

Принципиальная электрическая схема блока приведена на рис. 11. Питание блока осуществляется от сети переменного тока 220 В. Подключение блока к сети 220 В осуществляется выключателем SA1, при этом загорается индикатор напряжения HL1.Трансформатор Т1 понижает сетевое напряжение до 12 В. Применение двух трансформаторов обеспечивает гальваническую развязку сети переменного тока от внутренней схемы стенда с целью безопасности работы с прибором.

Трансформатор Т2-повышающий, напряжение со вторичной обмотки выпрямляется диодным мостом VD1-VD4 , через потенциометр R3 и резистор R4 поступает на конденсатор С и измеряется вольтметром V. Катушка подключается к клеммам 1 и 2.

Последовательно с катушкой включено измерительное сопротивление R_изм величиной 1 Ом. К гнездам 5 и 6 подключается USB осциллограф.

При замыкании кнопки SA2 конденсатор разряжается на катушку, подключённую к гнездам 1 и 2.

Рис. 11 Электрическая схема блока намагничивания-размагничивания

Разряд конденсатора на катушку может быть апериодическим или колебательным в зависимости от соотношения между параметрами цепи разряда R_к, L, С [3] (R₄ имеет достаточно большую величину – сотни килоом).

Назовём критическим сопротивлением контура такое наименьшее его сопротивление, когда процесс имеет ещё апериодический характер:

Если R_к > rкр, то процесс является апериодическим,

При R_к < rкр (если R₄ → ∞) процесс имеет колебательный характер. Угловая частота затухающих колебаний определяется выражением:

.

Затухание колебаний определяется коэффициентом затухания δ= R_к/2L.

Напряжение на катушке и ток в ней определяются выражениями:

,

,

где – начальное напряжение на конденсаторе;

–амплитудное значение намагничивающего тока.

На рис. 12 а, б представлены результаты моделирования (с использованием программы MicroCap 8.0) процесса формирования импульсов тока размагничивания при разряде конденсатора через намагничивающую катушку. Как видно из этих рисунков, ток разряда имеет колебательный характер, при этом конденсатор перезаряжается периодически в определенные моменты времени до отрицательного напряжения в связи с гашением энергии магнитного поля, запасаемой в катушке, что происходит при колебательном режиме.

а) б)

Рис. 12

В режиме размагничивания диод VD5 должен быть закорочен перемычкой, установленной в гнёзда 3 и 4.

В режиме намагничивания в цепь разряда конденсатора на катушку последовательно включается диод VD5 (перемычка между гнёздами 3 и 4 удаляется).

При этом на катушку поступает только первый положительный полупериод тока намагничивания из-за односторонней проводимости диода.

Измерение уровня намагниченности производится тесламетром ЭМ4305, первичным преобразователем которого является датчик Холла

Контроль формы импульсов намагничивающего и размагничивающего токов (амплитуда и длительность) осуществляются подключением USB осциллографа к гнездам 5 и 6 прибора (используется один канал осциллографа). Сопротивление измерительного резистора R_изм, подключённого к гнездам 5 и 6, составляет 1 Ом.

При начальном напряжении на конденсаторе u_c(o) = 200 В, амплитудное значение тока намагничивания приближенно равно 6 А, а период колебаний составляет 2 мс.

Рис. 13 Рис. 14

4. Домашняя подготовка к работе

Для получения допуска к лабораторной работе необходимо:

– ознакомиться с теоретической частью работы;

– рассчитать энергию заряда конденсатора (см. опыт 2, таблица 3);

– подготовить таблицу 3 для занесения результатов.

4. Рабочее задание и порядок проведения работы

Внимание: 1. Работа с миллитесламетром требует особой осторожности. Щуп прибора должен извлекаться только на время проведения замеров. Не допускается прикладывать к щупу никаких механических усилий. Для проведения замеров конец щупа должен быть зажат в зазоре поршневого кольца до устранения воздушного зазора.

2. Все процедуры намагничивания и размагничивания должны производиться с поршневым кольцом, сжатым до устранения воздушного зазора (см. рис. 13, 14).

Опыт № 1. Размагничивание образца импульсным напряжением

Предварительное размагничивание кольца необходимо ввиду отсутствия информации о магнитной предыстории. Для этого:

– установить перемычку между гнездами 3 и 4;

– к гнездам 5 и 6 подключить USB осциллограф;

– ввести катушку в зазор кольца, подключить при отсутствии питающего напряжения катушку к гнездам 1 и 2 блока намагничивания;

– включить питающее напряжение;

– регулятором 7 установить напряжение на конденсаторе 200 В;

– нажать кнопку 8;

– измерить по USB осциллографу параметры импульса;

– отключить питающее напряжение;

– ввести щуп миллитесламетра в зазор поршневого кольца, сжать поршневое кольцо до устранения зазора и удерживать данное состояние до окончания измерения и зафиксировать значение остаточной магнитной индукции B_rост (теоретически при полном размагничивании B_rост ≈ 0);

– убедиться при помощи миллитесламетра в отсутствии намагниченности кольца.

Опыт № 2. Намагничивание кольца. Для этого необходимо:

– удалить перемычку между гнездами 3 и 4;

– ввести катушку в зазор кольца, подключить при отсутствии питающего напряжения катушку к гнездам 1 и 2 блока намагничивания. Ввести щуп миллитесламетра в зазор поршневого кольца, сжать поршневое кольцо до устранения зазора и удерживать данное состояние до окончания измерения;

– к гнездам 5 и 6 подключить USB осциллограф;

– при помощи потенциометра 7 установить значение напряжения U_C0 равное 50 В (U_C0 – напряжение, до которого заряжается конденсатор);

– нажатием кнопки 8 подать намагничивающий импульс тока на катушку;

– измерить параметры импульса тока по USB осциллографу;

– после отпускания кнопки зафиксировать в таблице № 3 значение остаточной намагниченности В_r1;

– размагнитить кольцо при помощи катушки.

Повторить измерения для значений напряжения импульса через каждые 50 В. Данные записать в таблицу № 3.

При каждом измерении измерять по экрану монитора параметры намагничивающего импульса тока (длительность и амплитуда) и заносить их в таблицу № 3. Амплитудное значение импульса тока рассчитать по закону Ома следующим образом I_m = U_m / R_изм, R_изм = 1 Ом, U_m – амплитудное напряжение на измерительном сопротивлении R_изм.

Таблица № 3

UC0,В	50	100	150	200
Brост, Тл
WЭ, Дж
Тимп,мс
Im, А

Для построения таблицы № 3:

– рассчитать энергию электрического поля конденсатора С = 30 мкФ по формуле ;

– построить кривую зависимости магнитной индукции B_rост от I_m.

Контрольные вопросы

1. Структура электронных оболочек в веществе с сильными магнитными свойствами.

2. Домены и их поведение при возрастании внешнего магнитного поля.

3. Магнитный гистерезис.

4. Остаточная намагниченность.

5. Коэрцитивная сила.

6. Поведение доменов при повышении температуры.

7. Методы намагничивания постоянных магнитов.

8. Методы размагничивания.

4. Содержание отчета

1. Изложить цель работы.

2. Объяснить, каким образом осуществляется намагничивание и размагничивание лабораторного образца.

3. Электрическая схема установки и принцип работы её в режимах намагничивания и размагничивания.

4. Почему при намагничивании кольца необходимо исключить воздушный зазор путём его сжатия.

5. Представить заполненные таблицы по результатам испытаний.

6. Включить в отчет ответы на контрольные вопросы.

7. Сделать вывод при каком напряжении конденсатора происходит малое намагничивание образца.