Лабораторная работа 8

_{МИНОБРНАУКИ РОССИИ} САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра Микро- и наноэлектроники

ОТЧЕТ по лабораторной работе №8 по дисциплине «Материалы и элементы электронной техники» Тема: «Исследование свойств металлических ферро магнитных материалов»

Студентка гр. 6291 _____________________________________________ Панкаля А. А.

Преподаватель ________________________________________________ Мазинг Д.С.

Санкт-Петербург

2017

Цель работы: исследовать свойства металлических ферромагнитных материалов

Основные понятия и определения

К ферромагнитным относят материалы с большой положительной магнитной восприимчивостью, которая сильно зависит от напряжённости магнитного поля и температуры. Особые свойства ферромагнетиков обусловлены наличием у них в определённом интервале температур спонтанной намагниченности и доменной структуры. В отсутствии внешнего магнитного поля состояние, при котором вектор спонтанной намагниченности имел бы во всём образце одно направление, энергетически не выгодно, т.к. оно привело бы к большому рассеянию магнитного потока в окружающее пространство, поэтому образец самопроизвольно разбивается на отдельные области (домены), имеющие размеры порядка единиц микрометров. Внутри каждого домена вектор намагниченности имеет одинаковое направление, а суммарный магнитный поток замкнут внутри образца. При воздействии внешнего магнитного поля происходит перестройка доменной структуры, что приводит к намагничиванию образца.

Важнейшим свойством ферромагнетиков является нелинейная зависимость магнитной индукции В от напряжённости магнитного поля Н – кривая намагничивания. Начальный участок монотонно возрастает (преобладают процессы обратимого смещения доменных границ – происходит увеличение доменов, магнитные моменты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля). На следующем участке кривая имеет наибольшую крутизну (смещение доменных границ необратимо). Далее рост магнитной индукции замедляется (магнитные моменты доменов поворачиваются в направлении поля). Далее участок насыщения (все домены ориентированны по полю).

Статическую магнитную проницаемость μ определяют по формуле: , где μ₀ = 4π · 10^-7 Гн/м – магнитная постоянная. При увеличении напряжённости поля магнитная проницаемость сначала растёт, а потом уменьшается из-за насыщения магнитной индукции.

Если после намагничивания образца убрать внешнее поле, то останется остаточная индукция В_r. Чтобы убрать остаточную индукцию нужно приложить обратное поле – коэрцитивную силу Н_с. В_r и Н_с характеризуют статическую предельную петлю гистерезиса, а статическая ПГ характеризует потери энергии на гистерезис Э_г. Площадь динамической ПГ больше статической на величину, характеризующую потери энергии на вихревые токи Э_вт.

Мощности потерь на гистерезис и на вихревые токи:

; ,

где η – коэффициент, зависящий от свойства материала; В_m – максимальная индукция, достигаемая в данном цикле; n – показатель степени от 1,6 до 2 для различных материалов; ξ – коэффициент, зависящий от удельной проводимости ферромагнетика и формы образца; f – частота изменения магнитного поля.

В настоящей работе проводится исследование основных магнитных свойств железно-никелевого сплава типа пермаллой.

Обработка результатов

1. Вычисление напряженности поля и магнитной индукции в образце.

Нахождение магнитной проницаемости.

–напряженность магнитного поля

– индукция магнитного поля

– статическая магнитная проницаемость

– энергия, поглощаемая в единице массы ферромагнетика за один цикл перемагничивания

;

Примеры расчета

Таблица 1.1

Расчет напряженности, магнитной индукции и магнитной проницаемости

0,0125	0,947	0,05	1,128	94736,842	92	2,13*	-15,672	-0,948
0,025	1,895	0,075	1,692	71052,632
0,05	3,789	0,108	2,436	51157,895	349	8,07*	-15,093	-0,613
0,075	5,684	0,123	2,774	38842,105
0,1	7,579	0,128	2,887	30315,789	545	1,26*	-14,9	-0,539
0,125	9,474	0,135	3,045	25578,947
0,15	11,368	0,145	3,271	22894,737
0,2	15,158	0,16	3,609	18947,368	760	1,76*	-14,755	-0,443

10	0,021	100	1330	10-6	300000	0,0001		8600	1	1	75,8	2,9*10-8

d - плотность исследуемого материала (пермаллой)

2. Построим кривую намагничиванияи зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля для исследованного ферромагнитного материала.

Рис. 2.1. Кривая намагничивания.

Рис. 2.2. Зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля.

3. Построение зависимости потерь энергии в образце от магнитной индукции в виде графика, аппроксимируя экспериментальные данные прямой линией. Нахождение по наклонуэтой прямой к оси абсцисс показателя степени n.

,Тл

Рис. 3.1. Зависимость потерь энергии от магнитной индукции

, Дж/кг

4. Исследование частотной зависимости потерь энергии. Расчет удельной мощности потерь на гистерезис и вихревые токи

– потери энергии на вихревые токи

– мощность потерь на гистерезис

– мощность потерь на вихревые токи

Таблица 4.1

Расчет энергии, поглощенной за один цикл перемагничивания:

f, Гц
50	760	1,757*	1,72*	0,03*	0,86*	0,02*
200	1245	2,878*	1,72*	1,16*	3,44*	2,32*
400	1955	4,519*	1,72*	2,80*	6,88*	10,2*
600	2455	5,674*	1,72*	3,95*	10,32*	23,7*
800	2626	6,070*	1,72*	4,35*	13,76*	34,8*

Рис.4. Частотная зависимость потерь энергии в образце

4. Исследование частотной зависимости эффективной магнитной проницаемости.

– напряжение на катушке индуктивности с испытуемым сердечником

– протекающий в цепи ток

– индуктивность катушки

– эффективная магнитная проницаемость

Таблица 5.1

Расчет индуктивность катушки и эффективная магнитная проницаемость:

f, Гц			L, Гн
50	0,03	0,58	0,6146	64530,41	0,5792	0,003
75	0,03	0,82	0,5796	60862,52	0,8195	0,003
100	0,03	1,4	0,7426	77968,02	1,3997	0,003
150	0,03	1,4	0,4950	51978,68	1,3997	0,003
200	0,03	1,7	0,4509	47341,22	1,6997	0,003
400	0,03	2,1	0,2785	29241,74	2,0998	0,003
600	0,03	2,55	0,2255	23672,66	2,5498	0,003
800	0,03	2,9	0,1923	20191,70	2,8998	0,003

Рис. 5.1. Частотная зависимость эффективной магнитной проницаемости

Вывод

В настоящей работе проводится исследование основных магнитных свойств железо-никелевого сплава (пермаллоя).

Важным свойством ферромагнетиков является нелинейная зависимость внутренней магнитной индукции В от напряженности внешнего магнитного поля Н. Эту зависимость называют кривой намагничивания ферромагнетика (рис.2.1). На начальном участке кривой намагничивания наблюдается монотонное возрастание магнитной индукции вследствие преобладания процессов обратимого смещения доменных границ. При этом происходить увеличение объема тех доменов, направления магнитных моментов которых образуют наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля.

По мере дальнейшего увеличения Н возрастает роль второго механизма намагничивания - механизма вращения, при котором магнитные моменты доменов постепенно поворачиваются в направлении поля. На этом участке рост магнитной индукции замедляется. При этом доменные границы практически исчезают. Когда все магнитные моменты атомов ориентируются вдоль поля, наступает магнитное насыщение.

По кривой намагничивания ферромагнетика строится зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля. При увеличении напряженности магнитного поля магнитная проницаемость сначала растет, что связано с увеличением относительного изменения объемов соседних доменов за счет смещения доменных границ и за счет возрастания вклада процессов вращения векторов намагниченности. Далее она достигает максимального значения и затем уменьшается вследствие насыщения магнитной индукции. Но на графике зависимости (рис.2.2) наблюдается только уменьшение магнитной проницаемости, следовательно, процесс смещения доменных границ уже приобрел необратимый характер.

Исследовали зависимость потерь энергии от частоты (рис.4). Выяснили, что данная зависимость является линейной, величина Э возрастает пропорционально частоте.

Построили график частотной зависимости эффективной магнитной проницаемости (рис.5.1). Для металлических ферромагнетиков характерно уменьшение измеряемой величины магнитной проницаемости от частоты, наблюдаемое на достаточно низких частотах, когда инерционность процессов намагничивания еще не проявляется. Это объясняется размагничивающим действием вихревых токов.