Ф

1603

ЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра электрооборудования

А.Н. Шпиганович, К.Д. Захаров

Исследование свойств магнитных материалов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе № 4 по дисциплине

"Материаловедение. Технология конструкционных материалов"

для студентов специальности 140610

"Электрооборудование и электрохозяйство предприятий,

организаций и учреждений"

Липецк 2007

УДК 620.22 (07)

Ш 835

Шпиганович А.Н. Исследование свойств магнитных материалов [Текст]: методические указания к лабораторной работе №4 по дисциплине "Материаловедение. Технология конструкционных материалов"/ А.Н. Шпиганович, К.Д. Захаров. – Липецк: ЛГТУ, 2007. – 28с.

Методические указания предназначены для студентов 3 курса очной и 4 курса очно–заочной и заочной форм обучения специальности 140610 "Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений"

Табл. 1. Ил. 3. Библиогр.: 7 назв.

Рецензент Е.П. Зацепин, канд. техн. наук, доцент

© А.Н. Шпиганович, к.Д. Захаров, 2007

© ГОУ ВПО "Липецкий государственный

технический университет, 2007

Исследование свойств магнитных материалов

Цель работы: изучить и проанализировать свойства магнитного материала. Рассмотреть вопросы об его получении и применении в электротехнической промышленности и электроустановках.

1. Исходные данные и порядок выполнения работы

1.1. Исходные данные для выполнения работы. Наименование магнитного материала (номер варианта) получить у преподавателя.

1.2. Порядок выполнения работы. Лабораторная работа должна включать следующие основные разделы:

– получение данного магнитного материала, включая добычу, производство как самого материала, так и заготовок из него. Изложение основных особенностей технологии производства данного материала;

– рассмотрение основных характеристик служащих для оценки пригодности данного магнитного материала для его использования в электротехнике;

– применение данного материала в электротехнике (электротехнических изделиях, электроустановках), включая примеры.

2. Порядок сдачи–приёмки лабораторной работы

2.1. Студент обязан получить задание на лабораторную работу в сроки в соответствии с программой по данной дисциплине.

2.2. Работа должна быть выполнена аккуратно согласно требованиям ГОСТ и действующим правилам оформления.

2.3. Лабораторная работа должна содержать все разделы, указанные в п. 1.2.

2.4. При сдаче лабораторной работы студент должен продемонстрировать знание её содержания, а также знания по разделу "Магнитные материалы" данной дисциплины.

2.5. Оценка за лабораторную работу выставляется исходя из соответствия требованиям п.2.2–п.2.4.

3. Материал для самоподготовки

3.1. Основные характеристики магнитных материалов

Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитное поле намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля. Магнитные свойства материалов характеризуются петлей гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании.

Петля гистерезиса. При циклическом изменении напряженности постоянного магнитного поля от 0 до + Н, от + Н до – Н и снова от – Н до + Н кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой – петли гистерезиса. Для слабых полей петля имеет вид эллипса (рис. 3.1). При увеличении значения напряженности магнитного поля Н получают серию заключенных одна в другую промежуточных петель гистерезиса. Когда все векторы намагниченности доменов сориентируются вдоль направления поля, процесс намагничивания закончится состоянием технического насыщения намагниченности материала. Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения намагничивания, называют предельной петлей гистерезиса. Она характеризуется максимально достигнутым значением индукции В_s, называемым индукцией насыщения. При уменьшении напряженности магнитного поля от + Н до 0 магнитная индукция сохраняет остаточную индукцию В_c. Чтобы получить остаточную магнитную индукцию, равную нулю, необходимо приложить противоположно направленное размагничивающее поле определенной напряженности – Н_с. Отрицательная напряженность магнитного поля – Н_с называется коэрцитивной силой материала. При достижении напряженности магнитного поля значения – Н, а затем 0 вновь возникает остаточная индукция – В_c, Если повысить напряженность магнитного поля до +Н, то остаточная магнитная индукции В будет равна 0.

Площадь гистерезисных петель в промежуточных и предельном состояниях характеризует рассеивание электрической энергии в процессе перемагничивания материала, т.е. потери на гистерезис. Площадь гистерезисной петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты перемагничивания. По предельной петле гистерезиса определяют такие характеристики магнитных материалов, как индукцию насыщения В_s, остаточную индукцию В_c, коэрцитивную силу Н_c.

Кривая намагничивания. Это важнейшая характеристика магнитных материалов, она показывает зависимость намагниченности или магнитной индукции материала от напряженности внешнего поля Н.

Магнитная индукция материала В_i измеряется в теслах (Тл) и связана с намагниченностью М формулой

где – магнитная постоянная, равная Гн/м; М – намагниченность,

Основная (коммутационная) кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании (см. рис. 3.1) и отражает изменение магнитной индукции В в зависимости от напряженности магнитного поля Н, которое создается в материале при намагничивании. Напряженность магнитного поля в образце в виде тороида, когда магнитная цепь замкнута, равна напряженности внешнего поля Н_в. В разомкнутой магнитной цепи на концах образца появляются магнитные полюса, создающие размагничивающее поле Н_р. Разница между магнитными напряженностями внешнего и размагничивающего полей определяет внутреннюю магнитную напряженность Н_i материала. Основная кривая намагничивания (рис. 3.2) имеет ряд характерных участков, которые можно условно выделить при намагничивании монокристалла ферромагнетика. Первый участок кривой намагничивания соответствует процессу смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. На втором участке происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля. Третий участок соответствует парапроцессу, т.е. завершающему этапу процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия несориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика.

Магнитная проницаемость. Для характеристики поведения магнитных материалов в поле с напряженностью Н пользуются понятиями абсолютной магнитной проницаемости и относительной магнитной проницаемости :

где — абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м; — магнитная постоянная, равная 1,257 мкГн/м.

Подставляя в эти соотношения конкретные значения В и Н, получают различные виды магнитной проницаемости, которые применяют в технике. Наиболее часто используют понятия нормальной , начальной, максимальной , дифференциальной и импульсной магнитной проницаемости. Относительную магнитную проницаемость материала получают по основной кривой намагничивания. Для простоты слово «относительная» не упоминается. Магнитную проницаемость при Н = 0 называют начальной магнитной проницаемостью . Ее значение определяется при очень слабых полях (примерно 0,1 А/м). Максимум на кривой проницаемости, соответствующий II участку кривой намагничивания (см. рис. 3.2), характеризуется значением максимальной магнитной проницаемости . Начальная и максимальная магнитные проницаемости представляют собой частные случаи нормальной магнитной проницаемости. Их значения наряду с В_s, В_c, и Н_c, являются важнейшими параметрами магнитного материала. В сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость стремится к единице.

Потери энергии при перемагничивании. Это необратимые потери электрической энергии, которая выделяется в материале в виде тепла. Потери на перемагничивание магнитного материала складываются из потерь на гистерезис и динамических потерь. Потери на гистерезис создаются в процессе смещения стенок доменов на начальной стадии намагничивания. Вследствие неоднородности структуры магнитного материала на перемещение стенок доменов затрачивается магнитная энергия.

Потери энергии на гистерезис

где а — коэффициент, зависящий от свойств и объема материала; f – частота тока, Гц.

Динамические потери Р_вт вызываются частично вихревыми токами, которые возникают при изменении направления и напряженности магнитного поля; они также рассеивают энергию:

где b — коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления, объема и геометрических размеров образца.

Потери на вихревые токи из-за квадратичной зависимости от частоты поля превосходят потери на гистерезис на высоких частотах. К динамическим потерям относятся также потери на последействие Р_п, которые связаны с остаточным изменением магнитного состояния после изменения напряженности магнитного поля. Они зависят от состава и термической обработки магнитного материала и проявляются на высоких частотах. Потери на последействие (магнитную вязкость) необходимо учитывать при использовании ферромагнетиков в импульсном режиме.

Общие потери в магнитном материале