Контрольные вопросы

1. Как влияют примеси на пробивное напряжение трансформаторного масла в равномерном и неравномерном полях?

2. Какова зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от расстояния между электродами и величины их поверхности?

3. Что такое старение трансформаторного масла и от каких факторов оно зависит?

4. Почему при определении пробивного напряжения трансформаторного масла в сосуд оно заливается медленно и в определенном количестве?

Литература: 1,2,3.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8

Динамические характеристики магнитных материалов

Цель работы - изучить осциллографический метод определения динамических характеристик магнитных материалов; определить влияние на динамическую петлю перемагничивания величины и формы кривой тока; сравнить характеристики различных магнитных материалов.

Магнитные свойства различных материалов объясняются движением электронов в атомах, а также тем что электроны и атомы имеют постоянные магнитные моменты. Вращательное движение электронов округ ядер атомов аналогично действию некоторого контура электрического тока и создает магнитное поле, которое на достаточном расстоянии представляется как поле магнитного диполя с магнитным моментом. Магнитный момент является векторной величиной и направлен от южного полюса к северному. Такой магнитный момент называется орбитальным. Электроны, вращающиеся в атоме, являются элементарными магнитиками данного тела. Элементарные магнитные моменты могут быть либо наведены магнитным полем, либо существовать в веществе до наложения магнитного поля. Наведенные магнитные моменты всегда ориентируются в направлении, противоположном направлению внешнего магнитного поля, и своим действием ослаблению внешнего магнитного поля, и своим действием ослабляют его; этот эффект называется диамагнетизмом. Диамагнетик характеризуется малой отрицательной намагниченностью. Диамагнитными являются все инертные газы, водород, вода, Cu, Zn. Ag, Аu, Be, Pb, Hg, Se, Si, Ge, B.

Парамагнитные материалы (Al, Cr, Mg, Ta, Pt, -Fe, -Fe, δ-Fe, W, O₂, CоO, Cr₂O₃, CuO) отличаются тем, что хотя их атомы и имеют магнитные моменты, они неупорядочены, пока материал не находится в магнитном поле, поэтому внешне они проявляют себя как немагнитные материалы.

Ферромагнитными называются кристаллические материалы (Fe, Co, Ni, Gd, RCo₅, где R – либо Sm, Ce, Pr; сплавы Mn c Cu и Al, Ag и Al, Tb, Dy, Ho, Er, Tm), в которых в результате действия квантовомеханических сил происходит параллельная ориентация магнитных моментов их атомов в определенных областях, называемых ферромагнитными доменами.

Антиферромагнитными называются твердые материалы с кристаллической структурой (MnSe, FeCl₂, FeF₂, CuCl₂, MnO, FeO) в которых в результате квантовомеханического взаимодействия атомов происходит антипараллельная ориентация их магнитных моментов.

Ферримагнетики (к ним относятся ферриты) являются неметаллические кристаллические материалы, соединения окиси железа Fe₂O₃ с оксидами других металлов.

Метамагнетики – материалы, которые в слабых магнитных полях ведут себя как антиферромагнитные, а в сильных магнитных полях – как ферромагнитные, или наоборот. Антиферромагнитными в слабых полях является MnAs, MnBi, гольмий и тербий.

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

Самым массовым магнитомягким материалом, имеющим весьма широкую область применения, является специальная электротехническая сталь, легированная кремнием. Она используется для работы в сравнительно сильных переменных магнитных полях: в силовых трансформаторах всех типов, электрических машинах, дросселях и т.д. Благодаря повышению удельного сопротивления в электротехнической кремнистой стали снижаются потери на вихревые токи. Наличие кремния сказывается благоприятно и на других магнитных свойствах: снижаются потери на гистерезис, увеличивается магнитная проницаемость в слабых и средних полях, снижается магнитострикция. На рис. ---- показана кривая энергия магнита в зазоре.

Остаточная индукция разомкнутого магнита уменьшается с увеличением зазора. Энергия магнитного поля, создаваемого в зазоре магнита, отнесенная к единице объема, определяется выражением BdHd/2 в джоулях на 1 м³. Максимальная энергия в единице объема зазора постоянного магнита зависит не только от значения остаточной индукции Br и коэрцитивной силы Не, но и от вида кривой размагничивания: более выпуклая кривая при прочих равных условиях даст большее значение максимальной магнитной энергии.

Кривые возврата – кривые частных циклов. Получающиеся при уменьшении напряженности размагничивающегося поля.

При всех изменениях условий, влияющих на состояние магнита, например, в его арматуре, изменяется размагничивающее поле и магнит меняет свое состояние по кривой возврата. При циклических изменениях размагничивающего поля получаются узкие частные гистерезисные циклы.

Обратимость изменений остаточной индукции при колебаниях температуры в обычных климатических пределах (от -90 до +90^оС). Восстановление прежнего значения остаточной индукции происходит лишь при новом намагничивании. В зависимости от состава и технологии получения никелевоцинковых ферритов, они могут быть получены с разными значениями магнитной проницаемости. Вольфрамовая сталь отличается большой стойкостью против старения, кобальтовая сталь обладает наиболее высокими магнитными свойствами, она также отличается повышенной твердостью (число Бринелля 270-340). Магнитомягкие ферриты можно разделить на IY группы.

I группа – ферриты с относительной магнитной проницаемостью не ниже 10 000, применяются для частот до нескольких сотен килогерц; область их применения ограничивает низкая точка Кюри.

II группа – ферриты с относительной проницаемостью 2000-6000, применяются до частот в несколько мегагерц.

Параметры никелевоцинковых и марганцевоцинковых ферритов (магнитомягкие):

Вид феррита	Остаточная индукция, Т	Коэрцитивная сила, А/м	Точка Кюри, С^о	, Омм
Никелевоцинков.
I гр.	0,06-0,15	13,6-34,5	70-110	10-10^2
II гр.	0,078-0,25	67-96	120-200	1-^3-10^6
III гр.	0,14-0,20	49,5-300	300-400	10^4
IY гр.	0,02-0,18	144-1600	-	10^4510^6
Марганцевоцинк.	0,03-1,135	6,8-25,6	-	10^-2-210

Параметры Бариевых ферритов (магнитотвердые):

Марка феррита	Остаточная индукция, Р	Коэрцитивная сила, кА/м	(ВН)макс, кДж/м^3
0,7 БИ	0,20	120	6,0
1 БИ	0,21	136	7,6
2 БА	0,33	208	19,6
3 БА	0,38	152	26,0

Ферримагнитные химические соединения (ферриты) имеют техническое значение в качестве магнитных материалов. Это кристаллическое вещество, магнитную структуру которого можно представить в виде двух или более решеток, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля. Большое удельное сопротивление, и относительно небольшие потери энергии в области повышенных и высоких частей обеспечивают ферритам самое широкое применение при повышенных и высоких частотах.

По уровню магнитных характеристик, ферриты существенно превосходят магнитодиэлектрики и вытесняют их, обеспечивая дальнейшее уменьшение габаритов и увеличение добротности аппаратуры. Ферриты представляют собой системы из окиси железа и оксидов двухвалентных, реже одновалентных металлов, соответствующее общей формуле MaOFe₂O₃. Ферриты имеют кубическую кристаллическую решетку, подобную решетке встречающейся в природе шпинели: MgOAl₂O₃. Ферриты, обладающие наиболее интересными магнитными свойствами и нашедшие техническое применение, представляют, как правило, твердые растворы нескольких простейших соединений, в том числе и неферромагнитных. Применяются в технике ферриты, показывают иногда также оксиферами, желая подчеркнуть, что они представляют собой сложные оксидные ферромагнетики.

Ферриты – твердые и хрупкие материалы, не позволяющие производить обработку резанием и допускающие только шлифовку и полировку. При плотности феррита 3-5 г/см³, удельная теплоемкость будет равна 0,17 кал/гград., удельная теплопроводность  510^-2вт/смград., температурный коэффициент линейного расширения  10^-2гград^-1 и удельное сопротивление  10-10^-7Омсм.

Ферриты имеют относительно большую диэлектрическую проницаемость, зависящую от частоты и состава ферритов. С повышением частоты, диэлектрическая проницаемость ферритов падает.

В ферритах наблюдается явление магнитострикции. У различных ферритов этот эффект проявляется по-разному. Ферриты с низкой температурой Кюри обладают меньшим магнитострикционным эффектом. Для запоминающих устройств счетно-решающей техники применяют ферриты, обладающие прямоугольной формой петли гистерезиса.

В качестве магнитных материалов техническое значение имеют ферромагнитные вещества и ферромагнитные химические соединения (ферриты). Общие свойства ферромагнитных материалов определяются следующими характеристиками:

а) начальная кривая намагничивания - кривая, выражающая зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н в процессе намагничивания;

б) петля гистерезиса - замкнутая кривая, выражающая зависимость В = f( Н ) при периодическом изменении магнитного поля Н;

в) основная кривая намагничивания В = f( Н ) - кривая, представляющая собой геометрическое место вершин симметричных петель магнитного гистерезиса, которые получаются при последовательно возрастающих значениях напряженности магнитного поля;

г) остаточная индукция В₀ - индукция, сохраняющаяся в магнитном материале после намагничивания его до насыщения и последующего уменьшения магнитного поля до нуля;

д) коэрцативная сила Н_с - величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения магнитной индукции от В₀ до нуля.

Зависимость изменения магнитной индукции от напряженности магнитного поля определяется выражением В = _а Н = ₀Н, где _а = f ( Н )Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость, характеризует способность материала к намагничиванию;

₀ - магнитная постоянная, равная магнитной проницаемости вакуума;

₀ = 410^-7Гн/м;

• - относительная магнитная проницаемость, показывающая, во сколько раз магнитная проницаемость материала больше ₀.

В справочной литературе приводятся характеристики материалов, как правило, через относительную магнитную проницаемость.

Различают начальную магнитную проницаемость _н, которая определяется по начальной или основной кривой намагничивания при стремлении напряженности поля к нулю; максимальную магнитную проницаемость _m как наибольшее значение магнитной проницаемости, определяемой по основной кривой намагничивания; дифференциальную магнитную проницаемость _ как производную магнитной индукции по напряженности магнитного поля в данной точке кривой намагничивания.

Важной характеристикой является также величина удельных магнитных потерь, определяемая как мощность, поглощаемая единицей массы магнитного материала и рассеиваемая в виде тепла при воздействии на материал меняющегося во времени магнитного поля.

Осциллографический метод определения характеристик магнитных материалов позволяет получить на экране осциллографа петлю перемагничивания в некотором масштабе. Измерения производятся при переменном токе. Поэтому на экране получается динамическая петля гистерезиса в отличие от статической петли, определяемой баллистическим методом.

При испытании на низких частотах образцов, собранных из тонких листов, динамическая петля мало отличается от статической. Основными преимуществами осциллографического метода являются ускорение и упрощение процесса измерения, а также возможность испытания сердечников в тех условиях (частота, величина тока и т.д.), в которых они будут находиться в процессе эксплуатации.

Схема изображена на рис.11. Осциллограф воспроизводит электрические сигналы, подаваемые на его входы в виде напряжений. Поэтому для получения динамической петли перемагничивания В = f( Н ), необходимо в схеме получить напряжение U₁, пропорциональное напряженности магнитного поля Н, и напряжение U₂, пропорциональное магнитной индукции сердечника В. К источнику переменного напряжения присоединена намагничивающая обмотка с числом витков W₁, намотанная на испытуемый сердечник тороидальной формы. Последовательно с обмоткой W₁ включен активный шунт R₁. Напряженность магнитного поля Н в образце пропорциональна намагничивающему току Н = I₁ W₁ / l_ср, (1) где l_ср - длина средней линии магнитопровода. Напряжение U₁ также пропорционально I₁ , U₁ = I₁ R₁. Таким образом:

. (2)

Кривая изменения во времени напряжения на сопротивлении R₁ будет в точности повторять кривую изменения напряженности Н в испытуемом образце.

Кроме намагничивающей обмотки на сердечник намотана также измерительная обмотка с числом витков W₂ . В этой обмотке индуцируется ЭДС

, (3)

где S -сечение испытуемого образца.

Для получения напряжения, пропорционального индукции В , необходимо к измерительной обмотке подключить интегрирующий контур, состоящий из последовательно соединенных активного сопротивления R₂ и емкости С. При условии, что R₂  1/C и R₂R_W2, ток вторичной обмотки i₂=e₂/R₂, а напряжение на емкости С

. (4)

Поэтому индукция в магнитном сердечнике В пропорциональна напряжению U₂ на емкости С.

. (5)

При условии, что напряжения U₁ и U₂ подаются соответственно на горизонтальный и вертикальные входы осциллографа, на экране осциллографа воспроизводится в некотором масштабе динамическая петля гистерезиса. Для получения достаточно больших размеров петли на экране напряжения U₁ и U₂ подаются на пластины горизонтального и вертикального отклонения через встроенные в осциллограф усилители и воспроизводятся соответственно в масштабах m_x и m_y, где m_x - коэффициент усиления осциллографа по горизонтальному входу, В/мм; m_y - коэффициент усиления по вертикальному входу, В/мм.

С учетом этого изображаемая на экране осциллографа петля перемагничивания воспроизведена в следующих масштабах:

; .

Чтобы уменьшить погрешности измерения, необходимо выполнить следующие условия:

1. величина сопротивления R₂ должна быть настолько большой, чтобы можно было пренебречь падением напряжения в измерительной обмотке W₂ ; 2) для правильного интегрирования необходимо, чтобы активное сопротивление интегрирующей цепи значительно превосходило ее реактивную составляющую. Невыполнение данного условия может привести к искажению результатов измерений. В насыщенном состоянии образца кривая намагничивания

изображена на рис.12,а. В соответствии с этим зависимость индукции в образце, а следовательно, и напряжения на емкости от времени изображается кривой, представленной на рис. 12,б. Напряжение на емкости должно оставаться в течение некоторого времени t₁ - t₂ почти неизменным, так как в этот промежуток индукция во времени практически не меняется, то есть ЭДС измерительной обмотки равна нулю. При малой величине R емкость С может частично разряжаться за время t₁ - t₂ и петля гистерезиса будет на экране осциллографа искажена (рис. 12,в);

3) во избежание размагничивающего действия измерительной обмотки необходимо выполнение условия i₁ W₁  i₂ W₂;

4. подвод напряжения к выходным клеммам усилителей необходимо осуществлять экранированными проводами, а питающий трансформатор располагать вдалеке от схемы и осциллографа, так как даже незначительные внешние влияния могут вызывать сильное искажение осциллограмм вследствие больших коэффициентов усиления усилителей.