Работа 51. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ДВОЙНОГО ЯРМА

Принадлежности: двойное Е-образное ярмо, милливеберметр, набор образ­цов из ферромагнитных материалов, баллистический гальванометр, осветитель со шкалой, амперметр постоянного тока, катушка для размагничивания образцов, амперметр переменного тока, вариак, реостаты, ключи, технические весы, разновес.

Магнитные свойства веществ удобно ис­следовать, располагая изготовленные из них образцы в зазоре электромагнита, как это изображено на рис. 152. Магнитный по­ток, возбуждаемый катушкой L, проходит по ярму, пронизывает зазор и помещенный в нем образец. Образец плотно соприка­сается своими торцами с полюсами электро­магнита. Ярмо электромагнита изготовлено из магнитно-мягкой стали с высокой маг­нитной проницаемостью.

Рассмотрим теорию магнитного ярма. Заметим прежде всего, что напряженности магнитного поля в образце, помещенном в зазор электромагнита, и в самом воздушном зазоре равны между собой. Отмеченное равенство следует из граничных условий для вектора Н (равенство тангенциальных составляющих на границе двух сред).

 

Рис. 152. Образец в зазо­ре электромагнита.

Сравним теперь напряженности магнитного поля в зазоре и в железе ярма. Обозначим напряженность поля в ярме через Я0 и напряженность поля в зазоре через Hv Пусть сечение ярма равно S0, а сечение образца от, магнитная проницаемость ярма равна \1г и магнитная проницаемость образца |л2. Из условия непрерывнос­ти магнитного потока на границе зазора имеем

РоНг (S0 - or) + Ро^ЯхОГ = PoUitfoSo.   ^

Из формулы (1) следует

Но __ (S0 — a) + aih

Нх ~ SoUi '     W

В правильно сконструированном электромагните сечение ярма во много раз превосходит сечение образца. Знаменатель (2) при этом существенно больше числителя, так что Я0 Нv Напряженность магнитного поля в ярме электромагнита оказывается, таким образом, невелика.

Формула (2), строго говоря, определяет напряженность поля не во всем ярме электромагнита, а только вблизи зазора. Из-за потоков рассеяния поле в середине ярмаоказывается обычно в 1,5-т-2, а иногда в 3 раза больше чем #0, рассчитанное по (2). Введение по­правок на поток рассеяния не меняет, однако, нашего основного вывода о том, что напряженность магнитного поля в ярме мала по сравнению с напряженностью в зазоре.

Найдем связь между напряженностью поля Нг и силой тока, протекающего через катушку. Для установления этой связи вос­пользуемся формулой, определяющей циркуляцию вектора //,

§ Hi dl = NI.    (3)

В (3) /—сила тока (в амперах),- а N — число витков, охватыва­емых контуром, по которому вычисляется циркуляция. Выберем путь интегрирования через зазор и вдоль ярма. Число витков, охватываемых контуром,равно в этом случае числу витков в катушке.

Как было выяснено выше, напряженность поля в ярме невелика, так что составляющей циркуляции, взятой вдоль ярма, в первом при­ближении можно пренебречь. Считая напряженность поля вдоль зазора постоянной (это можно делать в том случае, если диаметр полюсов больше, чем ширина зазора), найдем

Hxl = NI,          (4)

где I — длина зазора.

Благодаря тому, что напряженность магнитного поля оказы­вается велика только в зазоре электромагнита, магнитное ярмо

позволяет сравнительно дешевыми средствами достигать напряжен- ностей (1,2 -г- 1,6) • 106 А/м (при больших полях железо начинает сильно насыщаться и ярмо становится неэффективным). В этом состоит одно из важнейших преимуществ опытов с магнитным ярмом.

Отметим также, что в присутствии ярма существенно улучша­ются условия намагничивания у краев образца. Это наиболее сильно сказывается на коротких ферромагнитных образцах, в кото­рых размагничивающее влияние концов (см. приложение III) осо­бенно велико.

Описание установки. В предлагаемой работе исследование маг­нитных свойств ферромагнетиков производится с помощью двой­ного ярма на установке, изображенной на рис. 153.

Ярмо прибора состоит из двух Е-образных частей, на которые надеты две пары намагничивающих катушек с одинаковым числом вит­ков N> причем все четыре катушки включаются по­следовательно и создают поле, направление которого показано на рисунке. Сред­няя перемычка ярма имеет зазор, в котором помещена подвижная рамка, связан­ная через потенциометр П с баллистическим гальва­нометром. Величина край­них зазоров может изме­няться, позволяя проводить измерения на образцах различной длины. Принцип работы прибора аналогичен принципу работы электрического моста.

Если части ярма, расположенные по обе стороны от плоскости 00', совершенно одинаковы, то при включении тока в намагничи­вающие катушки магнитный поток в средней перемычке ярма отсут­ствует.

Если же в один из зазоров 1 или 2 вставить испытуемый образец, то баланс нарушается и в перемычке создается маг­нитный поток, связанный простым соотношением с потоком в об­разце.

Выберем направления магнитных потоков так, как это показано на рис. 153. Тогда

Фз = Ф1-Ф2,   (5)

где Фх — поток в зазоре Фа — поток в зазоре 2, Ф3 — поток в

 

Ki

Рис. 153. Схема двойного ярма.

 

перемычке1). Если образец помещается в зазоре /, то ф 2 = \i0H2S0,

где Вх — индукция в образце. Из (5) и (6) следует Ф3 - (В, - (х0Ях) a + (х0 - Я2) S0.

'О»

(7)

В области, далекой от насыщения, для ферромагнетиков справед­ливо неравенство Вх fx0#i, поэтому членом [х0//ха можно прене­бречь по сравнению с Вхо. Заметим, кроме того, что напряженности поля в зазорах 1 и 2 с большой точностью равны друг другу. В этом можно убедиться, рассматривая циркуляции вектора Н по контурам Фх и Ф2. Составляющие циркуляции //, взятые по пути, проходяще­му в ярме, пренебрежимо малы. Токи в катушках и число витков в них для обоих путей интегрирования одинаковы. Одинаковы, сле­довательно, и напряженности поля в обоих зазорах.

Формула (7) при этих условиях приобретает вид

Поток, проходящий через перемычку, равен, таким образом, по­току, пронизывающему образец; поток, проходящий через рамку, пропорционален поэтому искомому потоку. При повороте рамки на 90° через присоединенный к ней гальванометр проходит ток. Отброс стрелки баллистического гальванометра а пропорционален изменению магнитного потока в рамке и, следовательно, искомому потоку, проходящему через образец:

Коэффициент пропорциональности А характеризует чувствитель­ность прибора и подлежит определению. Формула (9) позволяет, таким образом, находить индукцию образца по отбросу стрелки гальванометра. Напряженность магнитного поля в образце опре­деляется по величине намагничивающего тока.

Измерения. Перед началом основных измерений необходимо определить связь между силой тока в катушках и напряженностью поля в зазорах и измерить константу А.

Измерения производятся с помощью схемы, изображенной на рис. 153. Связь между напряженностью поля и силой тока в катуш­ках устанавливается с помощью амперметра А и милливеберметра (см. работу 36). Результаты измерений следует представить в виде графика #х = #х (/).

*) Наличие потоков рассеяния приводит к тому, что потоки, проходящие через зазор 2 и через вторую половину ярма (и аналогично через зазор 1 и первую половину ярма), оказываются не равными друг другу. Существенно, однако, что потоки рассеяния слабо зависят от внесения образца и поэтому всегда с хорошей точностью совпадают в зазорах 1 и 2. Формула (5) при этом выполняется очень точно.

ф 3 = Вхо.

(8)

Вхо = Аа.

(9)

Для определения константы А снимите кривую начального намаг­ничивания образца, изготовленного из железа армко (технически чистого железа). Перед измерениями образец необходимо размагни­тить. Размагничивание производится в соленоиде, питаемом пере­менным током. Амплитуду тока сначала увеличьте до 6 А, а затем медленно уменьшите до нуля.

После размагничивания зажмите образец в одном из зазоров и поверните измерительную рамку на 90°. Гальванометр дает при этом небольшой отброс, связанный с остаточной намагниченностью ярма. (Как убедиться в том, что отброс стрелки гальванометра связан именно с начальной намагниченностью ярма, а не с неполным раз'- магничиванием образца?) Этот отброс служит мерой ошибок, связанных с несовершенством ярма, и характеризует качество прибора.

При исследовании кривой гистерезиса увеличивайте ток в намаг­ничивающих катушках, давая ему небольшие приращения. Для каж­дого значения тока несколько раз промерьте отброс стрелки гальва­нометра, возникающий при повороте измерительной рамки на 90°. Таким образом, исследуйте кривую начального намагничивания. Эту кривую в координатах (а, Ях) следует построить на графике. Затем на тот же график нанесите кривую намагничивания железа армко в координатах (Въ #х), пользуясь данными из следующей таблицы:

Н1 (А/м) 48 88 120 160 224 304 575 1920 7200 19 200

Вх (Т) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

Кривые должны отличаться друг от друга только масштабом. Чтобы определить этот масштаб, следует построить график отношения а 1В1 как функции Нг. Через экспериментальные точки графика сле­дует провести наилучшую горизонтальную прямую. Ее расстояние от оси абсцисс (см. формулу (9)) определяет величину А.

Небольшие отличия в свойствах образцов, изготовленных из железа армко, приводят к тому, что кривые намагничивания иссле­дуемого образца и образца, данные которого указаны в таблице, могут несколько отличаться друг от друга. Отличие обычно оказы­вается особенно заметным на начальном участке кривой намагни­чивания. При проведении прямой на графике следует поэтому при­давать наибольший вес точкам, расположенным на среднем участке и в области, близкой к насыщению.

Формула (9) была нами выведена при ряде упрощающих пред­положений. Желательно исследовать поэтому ее применимость в условиях данного опыта. Это можно, например, сделать, изучая зависимость отброса а от сечения образца о. Для этого поместите в зазор образцы, изготовленные в виде полых цилиндров с различной толщиной стенок. Длина и материал этих образцов одинаковы, так что сечение образцов пропорционально их весу. Измерения отброса

для каждого образца произведите при нескольких значениях индук­ции (средних и больших). Полученные в результате опыта данные представьте в виде графиков в координатах (а, Р), где Р — вес ци­линдра. В правильно работающем приборе все точки должны укла­дываться на прямые, проходящие через начало координат.

После того как калибровка и проверка прибора закончены, снимите петли гистерезиса для нескольких образцов. При этом ток в намагничивающих катушках следует изменять от Одо /тах (где /max — значение тока, при котором достигается насыщение), затем от

/max ДО — /max И, НаКОНеЦ, ОТ —/щах ДО /щах, фИКСИруЯ ДЛЯ КаЖДОГО

значения тока величину отброса гальванометра.

Величина подмагничивающего тока регулируется с помощью реостатов rx -f- г3. Движки реостатов следует передвигать плавно и только в одну сторону. Если изменение тока А/ окажется больше намеченного, то ни в коем случае нельзя уменьшать А/ путем обрат­ного перемещения движка реостата, так как это совершенно исказит ход кривой намагничивания.

Результаты опыта представьте в виде графиков в координатах (Blf Hi) и в координатах (fx2, Ях).

Сравните коэрцитивные силы, величины остаточной индукции и магнитные проницаемости исследованных материалов.