Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Изучение влияния химического состава, обработки и условий испытаний на магнитные характеристики магнитно-мягких материалов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8.

1. Цель работы.

Цель работы - изучение влияния основного химического состава, обработки и условий испытаний на магнитные характеристики магнитно-мягких материалов - электротехнических сталей, пермаллоев, ферритов и пр. В ходе выполнения работы на дисплее ПЭВМ визуализируются частные и предельные петли гистерезиса испытуемых материалов, основные кривые намагничивания, кривые зависимости магнитной проницаемости от напряжённости магнитного поля, кривые временных зависимостей напряжённости внешнего магнитного поля и индукции магнитного поля в образце, и, с использованием соответствующей программы, производится расчёт основных магнитных характеристик - B_s, B_r, Н_с, μ_нач, μ_max и пр. Необходимые графические и табличные данные могут быть получены в виде распечаток для их последующего анализа и подготовки отчёта по лабораторной работе.

2. Теоретические сведения.

2.1. Характеристики, определяющие магнитные свойства материалов.

Ниже представлены основные характеристики, определяющие магнитные свойства материалов. Все размерности даются в системе СИ.

Напряжённость магнитного поля - Н [А/м], для прямолинейного проводника круглого сечения

, (1)

где I - сила тока в проводнике [А]; r - расстояние [м] от проводника до точки, в которой определяется напряжённость магнитного поля;

для кольцевого проводника (катушки)

, (2)

где ω - число витков катушки; d_cp - средний диаметр катушки [м].

В веществе, помещённом во внешнее магнитное поле напряженностью Н [А/м], возникает внутреннее магнитное поле; это есть намагниченность вещества М [А/м]:

, (3)

где Р_М - магнитный момент намагниченного тела, который может быть измерен магнитометром [А·м²]; V - объем тела [м³].

Отношение намагниченности тела М к вызвавшей её напряженности внешнего магнитного поля есть относительная магнитная восприимчивость К_М:

. (4)

Она характеризует способность вещества изменять свой магнитный момент под действием внешнего магнитного поля. К_м диамагнетиков отрицательна, а парамагнетиков и магнетиков - положительна.

Вследствие появления намагниченности в веществе в нём также возникает магнитный поток, который может быть измерен, если вокруг вещества поместить проводник, подключенный к измерительному прибору (гальванометру).

Магнитный поток Ф [В·с, Вб] определяется из закона электромагнитной индукции Фарадея:

, (5)

где Е - электродвижущая сила [В], появляющаяся в проводнике за время dτ [с] при убывании магнитного потока до нуля.

Удельный магнитный поток, проходящий через единицу сечения тела S [м²], расположенного перпендикулярно к силовым линиям (называемый также плотностью потока), есть индукция магнитного поля в веществе В [В·с/м², Вб/м²,Тл]:

. (6)

Отношение индукции магнитного поля в веществе В, к напряжённости вызвавшего её внешнего магнитного поля Н, является характеристикой этого вещества, это - абсолютная магнитная проницаемость вещества μ_а [В·с/(А·м), Гн/м]:

. (7)

На практике также часто вычисляют относительную магнитную проницаемость μ, равную

, (8)

где μ₀ - магнитная постоянная или абсолютная магнитная проницаемость вакуума, μ₀ = 4p·10^-7 [Гн/м] = 1,256·10^-6 [Гн/м]. С учётом выражений (7) и (8) получаем:

(9)

, [Тл], (10)

кроме того, существует соотношение

. (11)

Тогда, учитывая выражения (4), (10) и (11), получаем еще два важных для практики соотношения:

, [А/м]; (12)

, [Тл]. (13)

Наконец, сопоставив выражения (4) и (11), можно констатировать, что относительная магнитная проницаемость вакуума равна единице, у диамагнетиков μ < 1, у парамагнетиков и магнетиков μ > 1.

2.2. Краткая характеристика ферромагнитных материалов.

К ферромагнитным материалам относятся железо, никель, кобальт и многочисленные сплавы на их основе, а также гадолиний, диспрозий и некоторые другие лантаноиды. Магнитные свойства ферромагнетиков обусловлены обменным взаимодействием электронов, находящихся на незаполненных 3d-подуровнях железа, никеля и кобальта и 4f-подуровнях лантаноидов.

В отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнетики состоят из доменов (le domaine - франц. - область), каждый из которых спонтанно намагничен до насыщения M_s в одном из направлений лёгкого намагничивания (индекс "s" - от англ. "saturation" - насыщение). Ширина доменов в среднем равна нескольким мкм, в длину они могут простираться от одной границы кристалла (в поликристаллах - кристаллита) до другой. Домены разделены между собой стенками, в которых направления магнитных моментов (векторов намагниченности) меняются от направления вектора намагниченности одного домена к направлению вектора намагниченности другого, соседнего.

Магнитные моменты атомов, составляющих каждый из доменов, ориентируются параллельно в одном из так называемых н аправлений лёгкого намагничивания, в результате вектор намагниченности домена в целом направлен именно в этом направлении. Магнитные силовые линии, ориентируясь в каждом из доменов по направлениям лёгкого намагничивания, образуют замкнутый контур, и отдачи магнитной энергии во внешнее пространство нет. Направления лёгкого намагничивания железа - рёбра куба [100], никеля -пространственные диагонали куба [111], кобальта - продольные оси гексаэдра [0001]. Соответственно существуют и направления трудного намагничивания: [111] - у железа, [100] - у никеля, [1010] (ребро гексагона) - у кобальта. Таким образом, существует анизотропия намагниченности доменов. Процессы, происходящие в ферромагнетике при воздействии на него внешнего магнитного поля - намагничивание от 0 до M_s, размагничивание, перемагничивание -связаны с перестройкой его доменной структуры, включающей смещение доменных стенок и поворот векторов намагниченности.

Индукция магнитного поля В в ферромагнетике, помещённом во внешнее магнитное поле с возрастающей напряжённостью, меняется по первичной (основной) кривой намагничивания, представленной на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Основная кривая намагничивания и схема изменения доменной структуры ферромагнетика. Область I - обратимое смещение доменных стенок; область II - необратимое смещение; область III - поворот векторов намагниченности в направлении вектора внешнего поля Н.

На участке III достигается техническое насыщение ферромагнетика M_s, и дальнейшее увеличение напряжённости внешнего магнитного поля (выше значения H_s) не способно увеличить эту намагниченность, хотя индукция будет возрастать, т.к. см. выше, выражение (13).

Магнитная проницаемость μ_а = В / Н (7) характеризует крутизну кривой намагничивания, или лёгкость, с которой намагничивается материал. Кривая магнитной проницаемости, построенная в координатах μ = f(H) по данным, полученным из основной кривой намагничивания с использованием выражения (9), имеет максимум. Это - важная техническая характеристика материала - максимальная магнитная проницаемость μ _max (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Основная кривая намагничивания (а) и кривая магнитной проницаемости (б) ферромагнетика.

Другая практически важная характеристика ферромагнетика - начальная магнитная проницаемость μ _нач определяется экстраполяцией кривой проницаемости(рис. 2.2.,б) на ось ординат.

Если после достижения магнитного насыщения уменьшать напряжённость внешнего магнитного поля, то вектор намагниченности домена будет поворачиваться от направления вектора этого поля к направлению ближайшей оси лёгкого намагничивания до совпадения с ней. Когда поле становится равным нулю, намагниченность ферромагнетика полностью не исчезает - возникает остаточная намагниченность М_r и соответствующая ей остаточная индукция В _r, рис. 2.3(индекс "r" от англ. "remain" - остаток). Статистически В _r = 0,5 B _s, но применяя соответствующую обработку материала, можно изменять В _r от 0 до В _s.

При приложении поля, направление которого по знаку противоположно намагничивающему (условно - "отрицательного" поля), в веществе с остаточной индукцией В _r возникают домены с векторами намагниченности, близкими по направлениям к вектору этого поля, это - так называемые зародыши перемагничивания.

Зародыши увеличиваются в объёме вследствие сдвига доменных стенок по мере увеличения напряжённости отрицательного поля, и при некоторой его величине, называемой коэрцитивной силой Н _с, остаточная индукция обращается в нуль (индекс "с" - от лат. "coercitio" - принуждение, удержание).

Рис. 2.3. Петля гистерезиса ферромагнетика.

При дальнейшем (после Н _с) возрастании отрицательного поля возникает и возрастает "отрицательная" индукция - вплоть до - B _s.

Затем, при снятии внешнего поля возникает остаточная индукция – В _r. При новом приложении положительного поля вновь достигается Н _с, а затем - B _s, и т.д. При этом последовательно повторяются процессы перестройки доменной структуры, описанные выше, а кривая имеет форму замкнутой фигуры, называемой петлёй гистерезиса.

Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затрачиваемой на один цикл перемагничивания 1 м³ ферромагнетика. Эта энергия расходуется на нагревание перемагничиваемого материала и называется потерями на гистерезис Р _h, Р _r [Дж/м³]:

. (14)

Потери могут быть выражены и в другой размерности - [Вт/кг]:

, (15)

где g - плотность материала [кг/м³], f - частота его перемагничивания [Гц].

Внутренние напряжения в ферромагнетике, дефекты, включения затрудняют сдвиг доменных стенок и вращение векторов намагниченности, снижают магнитную проницаемость и увеличивают коэрцитивную силу и потери на гистерезис.

Материалы с узкой петлёй гистерезиса, т.е с малой коэрцитивной силой (Н _с £ 100 А/м) и высокой магнитной проницаемостью, называют магнитно-мягкими или низко-коэрцитивными. Материалы с большой коэрцитивной силой (Нс < 10 А/м) называют магнитно-твёрдыми или высоко-коэрцитивными.

Магнитно-мягкие материалы применяются для изготовления сердечников трансформаторов, дросселей, реле, оперативных запоминающих устройств, магнитных усилителей, магнитных головок аудио- и видеоаппаратуры, магнитных экранов и пр. Эти устройства могут работать в постоянных, циклических и переменных, в том числе - высокочастотных и сверхвысокочастотных полях.

В магнитно-мягких материалах, работающих в переменных магнитных полях, возникают вихревые токи, увеличивающие потери на перемагничивание (потери на вихревые токи, P _f [Вт/кг]):

, (16)

где В _m - амплитуда магнитной индукции [Тл]; f - частота перемагничивания [Гц]; K_f - коэффициент формы кривой напряжения; d - толщина ферромагнитного элемента [м]; g - плотность магнитного материала [кг/м³]: ρ - его удельное электросопротивление [Ом·м]. Из выражений (15) и (16) можно сделать выводы о возможных приёмах предотвращения магнитных потерь. В качестве магнитно-мягких используются почти исключительно однофазные материалы - технически чистое железо, электротехнические стали, железо-никелевые, железо-никель-кобальтовые и иные сплавы, аморфные магнитные сплавы ("металлические стекла"), а также - ферриты-шпинели, ферриты-гранаты и пр. Исключением являются магнитодиэлектрики, представляющие собой гетерогенные системы, состоящие из магнитной и диэлектрической составляющих.

Магнитно-твёрдые материалы используются для изготовления различного рода постоянных магнитов, а также в качестве носителей магнитной записи на пленках и дисках. Магнитно-твёрдые материалы имеют, как правило, гетерогенную структуру.

Магнитные свойства материалов зависят от температуры. Количественное описание этой зависимости может быть дано путём вычисления температурных коэффициентов соответствующих характеристик – TKB_s, TKB_r, TKH_c, ТКμ и пр. Все магнитные материалы имеют характеристическую температуру, при которой магнитное упорядочение исчезает, доменная структура разрушается и материалы переходят из магнитного в парамагнитное состояние. Эта температура называется температурой (точкой) Кюри Т_с [К, °С]. Ниже приведены значения Т_сдля некоторых чистых элементов.

ТЕМПЕРАТУРА	ЭЛЕМЕНТ
	Fe	Со	Ni
К
°С

2.3. Характеристики основных типов магнитно-мягких материалов.

Объектами исследования в настоящей работе могут быть различные магнитно-мягкие материалы, имеющие разнообразные химические составы, подвергнутые той или иной механической или термической обработке, находящиеся в том или ином состоянии. Конкретные виды исследуемых материалов, форма и размеры образцов, условия и тактика испытаний определяются кафедрой. Здесь мы кратко коснемся характеристик основных типов магнитно-мягких материалов - кремнистых электротехнических сталей, пермаллоев и ферритов-шпинелей.

Технически чистое железо имеет низкое электросопротивление (ρ ≈ 10·10^-8 Ом·м) и непригодно для работы в переменных магнитных полях вследствие значительных потерь на вихревые токи (см.выражение (16)). Поэтому оно применяется для работы в статических магнитных полях - в качестве магнитопроводов и полюсных наконечников систем с постоянными магнитами, магнитных экранов (в т.ч. - от поля земного магнетизма), сердечников реле постоянного тока и пр.

Наиболее распространенными материалами, предназначенными для работы на промышленных частотах (50÷400 Гц) являются кремнистые электротехнические стали. Кремний хорошо растворим в железе, и увеличение содержания Si приводит к пропорциональному увеличению электросопротивления стали и снижению P _f. Но одновременно снижается и температура Кюри. Поэтому, в силу ряда ограничений физического и технологического характера, содержание кремния в электротехнических сталях не превышает 5% (по массе). Стали, содержащие 0÷2% Si, иногда называют "динамными", т.к. они используются в основном в электромоторостроении; стали с 3÷5% Si - "трансформаторными".

Система обозначений, сортамент и основные свойства кремнистых электротехнических сталей регламентируются ГОСТ 21427-75.

Система обозначений - цифровая, включающая 4 цифры. Первая цифра (1...3) обозначает вид прокатки и состояние листовой стали: 1 - горячекатаная изотропная, 2 - холоднокатаная изотропная, 3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой. Вторая цифра (0...5) - нормируемое содержание кремния в стали (например: 0 - содержание Si до 0,4%; 1 - 0,4÷0,8 % Si; 3 - 1,8÷2,8 % Si; 5 – 3,8÷4,8 Si). Третья цифра (0...8) регламентирует основную нормируемую магнитную характеристику (например: 1 - удельные потери в Вт/кг при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц – Р _1,5/50; 2 - магнитная индукция в Тл в слабых магнитных полях при напряженности 0,4 А/м – В _0,4 и т.д.). Четвёртая цифра (1...3) обозначает сортность стали - допустимые отклонения от номинальной толщины и чистоту обработки поверхности листа; чем больше цифра - тем выше сорт. Электротехническая сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты, с изоляционным покрытием или без него и поставляется потребителям в термически необработанном или обработанном (отожжённом) состоянии. В любом случае сборка электромагнитных устройств должна производиться после окончательной термической обработки заготовок, включающей отжиг при температуре 1100÷1150°С в вакууме с остаточным давлением не более 1 Па, в чистом сухом водороде или в диссоциированном аммиаке с последующим охлаждением со скоростью не более 20°С/ч. Пример обозначения: "Лента 0,08×10-ТО-ЭТ-3422 ГОСТ 21427.4-78" -обозначает: лента толщиной 0,08мм, шириной 10 мм, термически обработанная, с термостойким изоляционным покрытием, из стали марки 3422. Приведём некоторые обобщённые характеристики электротехнических сталей: B _s = 1,95÷2,02 Тл, H _с = 10÷65 А/м, μ _нач= 200÷600; μ _max = 3000÷8000; ρ = (25÷60)·10^-8 Ом·м.

Сплавы на основе системы железо-никель (пермаллои). Их можно условно разделить на три подгруппы: низконикелевые, содержащие (40÷50)% Ni(по массе); средненикелевые (65÷68)% Ni и высоконикелевые (75÷83)% Ni. Пермаллои могут быть нелегированными и легированными. Легирующие элементы - Cr, Si, Mo, Cu и др. вводятся для увеличения электросопротивления и корректировки некоторых магнитных характеристик. Сплавы всех трёх подгрупп обладают высокими значениями начальной (μ _нач) и максимальной (μ _max) магнитной проницаемости, отсюда их название -"пермаллои" (от англ. permeability - проницаемость и alloy - сплав). Система маркировки пермаллоев, их обработка, электромагнитные характеристики и применение регламентируются ГОСТ 10160-75.

Система маркировки пермаллоев - буквенно-цифровая. Число, стоящее в начале обозначения, характеризует точное содержание никеля в сплаве (поэтому пермаллои относят к так называемым "прецизионным" сплавам - с точным химическим составом); буквы, следующие за цифрами, обозначают химические элементы, содержащиеся в сплаве: H-Ni, X-Cr, C-Si, М-Мо, Д-Си.

Низконикелевые пермаллои 45Н, 50Н, 50НХС обладают наиболее высокой (среди пермаллоев) индукцией насыщения, поэтому они используются для изготовления сердечников силовых трансформаторов, дросселей и других электромагнитных устройств, работающих при повышенных индукциях. Высоконикелевые пермаллои 79НМ, 80НХС и некоторые другие, отличаются наивысшей относительной магнитной проницаемостью (до сотен тысяч единиц) в слабых магнитных полях и низкой коэрцитивной силой, и применяются для изготовления малогабаритных низкочастотных (до десятков кГц) трансформаторов, дросселей, реле и т.п. Особую группу составляют низконикелевые и средненикелевые пермаллои с кристаллографической (50НП) и магнитной (65НП и 68НМП) текстурами и прямоугольными петлями гистерезиса (ППГ). Буква П в конце обозначения свидетельствует о прямоугольности петли гистерезиса. Характеристикой прямоугольности петли гистерезиса является отношение B_r/B_s≥0,8. Материалы с ППГ используются для изготовления сердечников магнитных усилителей, переключающих и запоминающих устройств и пр. Пермаллои поставляются потребителям в виде холоднокатаных лент, холоднокатаных и горячекатаных листов, горячекатаных и кованых прутков и проволоки. Они очень чувствительны к внешним механическим воздействиям, в том числе - возникающим в ходе формообразования изделий из них, поэтому непосредственно перед сборкой электромагнитных устройств эти изделия необходимо подвергать окончательной термической обработке - отжигу в вакууме или атмосфере водорода при температуре 1100÷1150°С с изотермической выдержкой 2÷6 ч и с последующим охлаждением со скоростью 50÷200°С/ч.

Для получения прямоугольной петли гистерезиса сплавы типа 68НМП отжигают по режиму, приведённому выше, но его сопровождает отпуск при 600°С в продольном магнитном поле напряжённостью не менее 800 А/м с последующим охлаждением до 200°С со скоростью 25÷100°С/ч. В результате такой обработки в пермаллое образуется магнитнаятекстура. Такая обработка называется термомагнитной (ТМО).

Пример обозначения: "Лента 0,10×150-I-79НМ-ГОСТ 10160-75", обозначает: лента толщиной 0,10 мм, шириной 150 мм, класса I (с нормальными магнитными свойствами) из сплава 79НМ.

Приведём некоторые обобщённые характеристики пермаллоев: B _s = 0,65÷1,6 Тл, Н _с = 0,65÷32 А/м, μ _нач = 1500÷100000, μ _max = 15000÷300000, ρ = (16÷90)·10^-8 Ом·м.

Несмотря на то, что в тонких сечениях (0,01÷0,05 мм) пермаллой может использоваться на частотах до сотни килогерц, на мегагерцовых и более высоких частотах он неприменим вследствие его малого удельного электросопротивления. На таких частотах применимы магнитодиэлектрики и ферриты.

Ферриты представляют собой твёрдые растворы двух и более оксидов металлов. Наибольшее распространение имеют магнитно-мягкие ферриты со структурой минерала шпинели, описываемые общей формулой МеО·Fe₂О₃ (феррошпинели). Другой тип ферритов, используемых главным образом в технике СВЧ, носит наименование ферритов-гранатов с общей формулой 3Ме₂О₃·5Fe₂О₃. B приведённых обозначениях "Me" символизирует ионы двух- или трёхвалентных металлов.

Ферриты получают методами порошковой технологии - спеканием оксидов, предварительно подготовленных и смешанных в заданных соотношениях и подвергнутых прессованию с приданием им окончательной формы - пластин, колец, сплошных и полых стержней разных сечений и т.п. Спекание проводят в окислительной среде при температурах 1200÷1300°С. Для управления свойствами ферритов их химический состав усложняют - используют смеси и трёх и четырёх окислов, вводя в том числе и немагнитные окислы типа ZnO. Свойства магнитно-мягких ферритов после спекания не корректируются, а зависят от их реального химического состава, магнитной структуры и микроструктуры, формируемых в процессе их изготовления.

В силу особенностей магнитной структуры и обменного взаимодействия ферриты имеют меньшие по сравнению с металлическими магнитно-мягкими материалами индукцию насыщения B _S, начальную и максимальную магнитные проницаемости μ _нач и μ _max и температуру Кюри Т_с, но большие значения коэрцитивной силы Н _с. По электрическим свойствам ферриты могут быть отнесены к полупроводникам: их удельное сопротивление в нормальных условиях составляет 10÷10¹⁰ Ом·м, но экспоненциально падает с увеличением температуры. Высокое сопротивление позволяет использовать ферриты на высоких и сверхвысоких частотах. В связи с этим для ферритов регламентируются не только статистические (B _s, Н _с, μ _нач, μ _max), но и динамические характеристики - тангенс угла магнитных потерь tgδ_m при заданной частоте (например, при 0,1 МГц), критическая частота f _кр [МГц] - та, при которой тангенс угла магнитных потерь материала равен 0,1, и др.

Маркировка магнитно-мягких ферритов-шпинелей - буквенно-цифровая. Число, стоящее в начале обозначения, соответствует номинальному значению относительной начальной проницаемости μ _нач. Следующие за числом буквы Н или В означают соответственно низкочастотный или высокочастотный материал, следующие буквы М и Н обозначают соответственно марганец-цинковый и никель-цинковый ферриты. В обозначении могут быть использованы и другие буквы, например, И, С, РП и т.д. Они обозначают направления применения ферритов, соответственно - для импульсной техники, для сильных магнитных полей, для радиопоглощающих устройств и т.д. Иногда в конце обозначения могут быть цифры 1, 2, 3..., обозначающие определённые различия по свойствам. Примеры: 1000НМ, 1000НН, 2500НМС2, 300ННИ1, 800ВНРП и т.п. Типоразмеры изделий из ферритов регламентируются соответствующими ГОСТ и ТУ. Например, М1500НМ1-К20×10×5 ГОСТ 17141-74 или М300НМС-2Ш7×7 ПЯ0.707.172.ТУ и т.п., означают: в первом случае - кольцевой сердечник с размерами 20×10×5мм, из магнитно-мягкого феррита (М) марки 1500НМ1, в соответствии с ГОСТ 17141-74; во втором случае - Ш-образный сердечник толщиной 7 мм с центральным стержнем шириной 7 мм, в соответствии с указанными ТУ.

Обращение с ферритами требует большой осторожности, т.к. механические воздействия на них вызывают падение их магнитной проницаемости, а даже незначительные удары способны привести к их разрушению.

3. Задание к выполнению экспериментальной части.

Студенты знакомятся с устройством и принципом работы экспериментальной установки и измеряют магнитные свойства образцов из магнитно-мягких материалов, имеющих различные химические составы, подвергнутых различным видам обработки и испытываемых в различных условиях. Конкретные виды образцов и условия испытаний определяются преподавателем, ведущим занятия.

4. Оборудование и образцы. Испытательная установка.

Испытательная установка представляет собой лабораторный стенд настольного типа, включающий в себя измерительный блок, персональную ЭВМ и печатающее устройство (рис 4.1).

Рис. 4.1. Состав лабораторного стенда.

Измерительный блок представляет собой устройство трансформаторного типа. На его лицевой панели располагаются органы управления и гнёзда для подключения клемм исследуемого образца. Сверху справа имеется светодиод, сигнализирующий о включении блока в сеть. Включение блока производится тумблером "Сеть", расположенным справа на боковой поверхности.

Органы управления измерительным блоком показаны на рис. 4.2.

В левой части панели находятся:

- устройство дискретного и плавного управления частотой генератора колебаний в диапазоне 1÷1000 Гц;

- устройство дискретного и плавного управления амплитудой тока в цепи намагничивания и, соответственно, напряжённостью намагничивающего поля в диапазоне 0÷2000 А/м.

Рис.4.2. Лицевая панель измерительного блока.

В центральной части на панель выведены клеммы, к которым подключаются первичная (токовая) и вторичная (измерительная) обмотки исследуемого образца. Форма образца, его размеры, числа витков первичной и вторичной обмоток устанавливаются индивидуально для каждого конкретного случая. Однако в каждом случае указываются материал образца и, если есть - его марка, сечение, длина магнитной линии, числа витков обмоток и необходимые дополнительные сведения (например, предшествующая обмотка). В правой части находятся набор дискретных резисторов, регулирующих величину выходного напряжения во вторичной обмотке, с которой снимается информация о величине индукции магнитного поля в образце. Диапазон измерения индукции - О÷2,5 Тл. Там же находится набор резисторов, позволяющий дискретно изменять постоянную времени интегратора в диапазоне 1...10 мс.

Все количественные характеристики, представленные в системе размерностей СИ, вводятся в программу расчета магнитных параметров, результаты которого выводятся на экран дисплея в графическом или(и) табличном виде. Измерительный блок соединен с процессором ЭВМ посредством специально сконструированной и изготовленной платы интерфейса. Программное обеспечение представляет собой интегрированную среду, из которой можно управлять процессами измерения, расчётами, представлением данных на экране дисплея и их выводом на печать для отчета.

5. Методика измерений и порядок выполнения работы.

5.1. Под руководством преподавателя, ведущего лабораторную работу, выбрать исследуемый образец.

5.2. Установить образец на панели измерительного блока.

5.3. Включить измерительный блок тумблером "Сеть".

5.4. Запустить программу работы.

5.5. Если программа запущена правильно, на экране дисплея появляются три видимых компоненты: полоса меню в верхней части экрана, область окна в центре и строка статуса в меню (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Вид экрана после запуска программы.

Управлять этими компонентами можно или с клавиатуры ЭВМ, или с помощью манипулятора "мышь", в котором активна левая кнопка. Полоса меню является основным доступом ко всем командам меню. Если полоса меню активна, заголовок меню высвечивается. Она становится невидимой при выводе на экран трафиков. Ввод в действие выбранной команды меню осуществляется либо с помощью клавиш управления курсором, либо с помощью "мыши". Для того, чтобы произвести действия с помощью "мыши", необходимо подвести курсор к нужному элементу и нажать левую кнопку; для управления с клавиатуры - активизировать меню (нажать клавишу F10), с помощью клавиш управления курсором выставить нужный элемент и подтвердить действие (нажать клавишу Enter).

Активное окно - это окно, с которым в настоящий момент времени происходит работа. Оно выделено двойной рамкой и имеет закрывающую кнопку в левом верхнем углу. Закрыть окно можно, нажав кнопку при помощи "мыши". То же самое можно проделать, нажав клавишу Esc или Alt-F3. Внизу экрана находится СТРОКА СТАТУСА. Её функции следующие:

- она напоминает об основных строках ключей и сокращений (или горячих клавиш), допустимых в этот момент в активном окне.

Например, команда "Уст.нуля" ("установка нуля") - Alt-U может быть выполнена одновременно нажатием клавиш Alt и U.

- она предоставляет возможность самого быстрого выполнения действий путем отметки горячих клавиш в строке статуса "мышью" вместо выбора команд из меню или нажатия последовательности клавиш.

В полосе меню для данной работы имеется три пункта: исследовать, результат, опции. Работу необходимо начать с пункта опции.

5.6. Опции.

Этот режим работы имеет четыре подрежима: сглаживание, образец, установка нуля, цвет. Двум первым подрежимам соответствуют свои диалоговые окна.

5.6.1. Окно "Сглаживание" (рис. 5.2) позволяет сглаживать измеряемые кривые непосредственно в процессе измерения. Сглаживание фактически позволяет устранить шумы измерительной аппаратуры. Оно может быть однократным и двукратным, можно его использовать и в процессе просмотра результатов (см.ниже).

Рис. 5.2. Диалоговое окно "Сглаживание".

5.6.2. Окно "Образец" - рис. 5.3.

Рис. 5.3. Диалоговое окно задания параметров образца.

В окне имеются строки ввода, в которых указываются основные исходные параметры исследуемого образца: его номер, материал, марка, сечение магнитопровода S[m²], средняя длина магнитной линии в намагничивающей обмотке L_ср[м], число витков в токовой обмотке N1, число витков в измерительной обмотке N2. Строка ввода - это прямоугольная область синего цвета, позволяющая вводить необходимую информацию, например, цифровые значения масштаба графиков по X и по Y. В строке ввода работают клавиши управления курсоров, позволяющие редактировать вводимые данные. Неправильно введённые символы можно удалить при помощи клавиши "Backspace". Чтобы переместиться от одной строки ввода к другой, необходимо пользоваться клавишами "Tab" и "Shift-Tab".

5.6.3. Подрежим "Установка нуля" позволяет установить нуль измерительного тракта. Выполняется только при нулевой амплитуде намагничивающего тока. Поэтому потенциометр амплитуда на измерительном блоке должен находиться в крайнем левом положении.

5.6.4. Подрежим "Цвет" позволяет менять цвета на экране при просмотре графиков в режиме "Исследовать" и "Результат".

5.7. Исследовать.

В этом режиме производятся измерения магнитных характеристик выбранного образца. ЭВМ переводится в режим цифрового осциллографа, и на экране появляется диалоговое окно с указанием типов кривых, которые можно наблюдать на экране: петли гистерезиса или временных зависимостей напряжённости магнитного поля и индукции магнитного поля в ферромагнетике.

На рис. 5.4. показан экран для режима анализа петли гистерезиса.

Рис. 5.4. Измерение петли гистерезиса.

Характер петли гистерезиса может быть изменён в зависимости от напряжённости внешнего магнитного поля и частоты перемагничивания. Напряжённость внешнего поля регулируется с помощью потенциометра "амплитуда" на измерительном блоке и кнопки "×10" над ним. Частота перемагничивания - с помощью потенциометра "частота" и соответствующей кнопки "×10". В описываемом режиме на экране имеется шесть кнопок, позволяющих произвести следующие операции:

"Выход" - выйти из режима "исследовать";

"Сохран" - сохранить петлю гистерезиса для последующего формирования отчета;

"Фикс.т." ("фиксация точки") - построить основную кривую намагничивания и рассчитать её параметры впоследствии - в режиме "результат";

"Масштаб" - изменить масштаб представления кривой петли гистерезиса в доле графика.

Для выполнения указанных операций необходимо нажать соответствующую кнопку с помощью клавиатуры или "мыши".

"Кнопка" - прямоугольник с надписью.

При нажатии на кнопку должно произойти соответствующее действие. Для того, чтобы "нажать" на кнопку с помощью клавиатуры, необходимо сделать кнопку активной (активная кнопка имеет белую надпись) и нажать на клавишу "пробел" или "Enter". Чтобы кнопка стала активной (как и любой другой элемент окна), необходимо использовать клавиши "Tab" и "Shift-Tab". При использовании "мыши" можно нажать на кнопку независимо от того, активна она или нет. Часто в окне есть кнопка "по умолчанию" с голубой надписью. Её назначение следующее: если кнопка не активна, а активен какой-либо другой элемент окна (например, список), то при нажатии клавиши "Enter" будет выполняться действие, соответствующее кнопке по умолчанию. Если же активной является другая кнопка, то при нажатии клавиши "Enter" будет выполняться действие, соответствующее активной кнопке.

Основная кривая намагничивания строится по точкам максимума и минимума частных петель гистерезиса, высвеченных на экране при разных значениях напряжённости магнитного поля, устанавливаемых тумблером "амплитуда". После получения каждой частной петли гистерезиса нажимается кнопка "фикс.т." при помощи клавиатуры или "мыши". При этом на экране появляются зафиксированные точки, соединённые отрезками прямых (рис.5.5). Чем больше точек зафиксировано, тем точнее построена основная кривая намагничивания и тем точнее впоследствии будет рассчитана и построена кривая магнитной проницаемости. Это особенно важно на начальном участке кривой - в области начальной магнитной проницаемости. Фиксацию точек следует обязательно начинать с нулевой точки.

Рис. 5.5. Измерение основной кривой намагничивания.

Изменение масштаба изображения петли гистерезиса в поле графика осуществляется двумя путями.

Первый - после нажатия кнопки "масштаб" на экране появляется диалоговое окно (рис. 5.6), в котором можно ввести цифры, соответствующие началу и концу шкалы.

Рис. 5.6. Диалоговое окно изменения масштаба.

Второй - нажимаются кнопки "масштаб+" или "масштаб-". При нажатии кнопки "+" вид курсора "мыши" приобретает стилизованную форму лупы. Далее необходимо "перенести" её в интересующую точку поля графика, нажать левую кнопку манипулятора, отметить прямоугольник на поле графика и отпустить кнопку "мыши". В результате границы поля графика изменяются до границ отмеченного прямоугольника. Этот прием проиллюстрирован на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Изменение масштаба изображения при помощи "мыши".

Если не отмечать прямоугольник, а просто нажать и отпустить кнопку, не двигая "мышь", масштаб увеличится в два раза, при этом центр курсора будет являться центром увеличенной области. При нажатии кнопки "-" после нажатия кнопки "+", размеры поля графика возвращаются к исходным; если кнопка "+" не нажималась, масштаб уменьшается в два раза.

При исследовании временных характеристик на экране имеются два графика - зависимость индукции магнитного поля в образце и напряжённости намагничивающего поля от времени. Назначение кнопок на экране в этом случае такое же, как и при анализе петли гистерезиса (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Измерение временных зависимостей H (t) и B (t).

Единственное различие - изменение масштаба по оси времени невозможно: на экране всегда выводится один период сигнала - независимо от частоты.

5.8. Результат.

Этот режим позволяет просмотреть построенные кривые, проанализировать результаты расчётов в графическом и табличном представлениях и подготовить данные для отчёта о проделанной работе. При выполнении этой команды на экране появляется диалоговое окно, изображенное на рис. 5.9.

Здесь под рубрикой "компонент" имеется перечень кривых, которые можно просмотреть. Это - петля гистерезиса, основная кривая намагничивания, кривая магнитной проницаемости, кривые временной зависимости напряжённости магнитного поля и индукции магнитного поля в образце. Для просмотра любой из них необходимо нажать соответствующую кнопку просмотра.

При графическом представлении данных экран аналогичен используемому в режиме "исследовать", только вместо кнопок "сохранить" и "фикс.т." на нём появляются кнопки "сглаж" ("сглаживание") и "отмена". Каждый раз при нажатии кнопки "сглаж" происходит линейное сглаживание кривой по пяти узловым точкам. Эту операцию можно повторить неограниченное число раз. Если результаты сглаживания представляются неудовлетворительными, можно вернуться к первоначальному виду кривой, нажав кнопку "отмена".

Рис. 5.9. Диалоговое окно и его элементы управления.

В режиме просмотра результатов в графическом виде имеется возможность выбрать и отметить на кривой характерные точки. Для этого необходимо подвести курсор "мыши" к выбранной точке и нажать левую кнопку манипулятора. На кривой появляется точка с номером, а с правой стороны экрана в таблице указываются точные координаты отмеченной точки (рис. 5.9). Отмеченных точек может быть не более 10. При необходимости удалить какую-либо отмеченную точку, нужно подвести к ней курсор "мыши" и нажать её левую кнопку.

В окне "результат" имеется также полоса скроллинга (рис.5.9). Она предназначена для "прокручивания" содержимого списка. "Прокрутить" список можно либо с помощью клавиш управления курсором на клавиатуре, либо с помощью "мыши". В последнем случае необходимо установить курсор "мыши" на любом конце полосыскроллинга и нажать кнопку "мыши". Отмечая затемнённую область слюбой стороны полосы скроллинга, можно перескочить на страницу.

При просмотре результатов в графическом виде можно также, как описано выше, изменить масштаб и представить данные в наиболее удобном виде. Изменения масштаба запоминаются.

Для подготовки отчёта нужные данные можно распечатать и в графическом, и в табличном виде. Для этого нужно выбрать кривую из списка на рис. 5.9 и нажать одну из кнопок печати.

Если окажется, что данных для отчета недостаточно или они неудовлетворительны, можно выйти из режима "результат" и вновь войти в режим "исследовать". Для удаления ненужных кривых из списка достаточно нажать кнопку "удалить".

ВНИМАНИЕ! При выходе из программы все данные будут потеряны.

6. Требования к отчету по работе.

В отчёт вносятся основные теоретические сведения, исходные данные об образцах - типы и марки исследуемых материалов, их состояние (после ХПД, ТМО и т.п.), условия испытаний, а также краткое описание испытательного стенда и результаты измерений и расчётов в виде распечаток графиков и таблиц, представленных на дисплее ПЭВМ, и делаются необходимые выводы.

7. Техника безопасности.

Регламентируется инструкцией по технике безопасности при работе студентов в соответствующей лаборатории.

8. Библиографический список.

1. Преображенский А.А., Бишард Е.Г. Магнитные материалы и элементы. М.: Высшая школа, 1986.-352 с.

2. Справочник по электротехническим материалам. Т.3/Под ред. Ю.В. Корицкого и др. - М.: Энергоатомиздат, 1988.-728 с.

3. ГОСТ 21427-75.Сталь электротехническая листовая.

4. ГОСТ 10160-75. Сплавы прецизионные магнитно-мягкие.

5.Михайлова М.М., Филиппов В.В., Муслаков В.П. Магнитно-мягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры. Справочник/Под ред. Н.Е. Оборонко. - М.: Радио и связь, 1983.-200 с.