• 5

Работа 52. ИССЛЕДОВАНИЕ КРИВЫХ ГИСТЕРЕЗИСА ФЕРРОМАГНЕТИКОВ В ПЕРЕМЕННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ С ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛЛОГРАФА

Принадлежности: ярмо, собранное из пластин трансформаторной стали, с обмотками возбуждения, индикаторная катушка для определения напряжен­ности поля в зазоре ярма, набор образцов из ферромагнитных материалов, интег­рирующая RC-ячейка, осциллограф С1-1, катодный вольтметр, вариак, ампер­метр переменного тока, реостаты, ключи.

Ферромагнитные материалы часто применяются в трансформа­торах, дросселях, машинах переменного тока, т. е. в устройствах, где они подвергаются периодическому перемагничиванию. Изу­чение магнитных характеристик ферромагнетиков в переменных полях представляет поэтому большой практический интерес. Основ­ные характеристики ферромагнетиков — их коэрцитивная сила, маг­нитная проницаемость, мощность, рассеиваемая в виде тепла при перемагничивании, и т. д. — зависят от частоты перемагничивающего поля. В настоящей работе кривые гистерезиса ферромагнитных

материалов изучаются в поле частоты 50 Гц с помощью электронного осциллографа.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 154. Ферромагнитный образец, находящийся внутри индикаторной катуш­ки L, помещается в зазор ярма, изготовленного из пластин высоко­качественной трансформаторной стали. Чтобы получить на экране осциллографа петлю гистерезиса, нужно на горизонтальный уси­литель подать сигнал, пропорциональный напряженности магнит­ного поля в образце, а на вертикальный усилитель — сигнал, про­порциональный магнитной индукции. В схеме, изображенной на

Рис. 154. Схема установки для исследования магнитных характе­ристик в переменных полях.

рис. 154, на горизонтальный усилитель осциллографа подается падение напряжения на части сопротивления г, включенного после­довательно с намагничивающими обмотками ярма. Это напряжение пропорционально току в обмотках, а следовательно, и напряжен­ности магнитного поля в зазоре ярма (см. задачу 51).

На вертикальные пластины осциллографа подается напряжение, возникающее на индикаторной катушке. Это напряжение, однако, пропорционально не В, a dB/dt (см. приложение III,формулу (3.7)). Между индикаторной катушкой и осциллографом включается поэтому интегрирующее звено. Интегрирование напряжения проще всего осуществить при помощи RC-ячейки (рис. 154), удовлетворяю­щей условию RC^T (Т — период изучаемого процесса). В са­мом деле, при больших R и С падение напряжения на конденсаторе мало по сравнению с падением напряжения на сопротивлении, так что ток через ячейку равен /0 = V0IR> где V0 — напряжение на

~1Z7B

 

 

 

выходе индикаторной катушки. Напряжение на конденсаторе (кото­рое подается на вход осциллографа) при этом равно

v-^-iSv.*.         0)

Из уравнения (1) видно, что ячейка не только интегрирует напряже­ние, но и ослабляет его. Величину RC не следует поэтому выбирать большей, чем это необходимо для правильного интегрирования.

Замкнутая кривая, возникающая на экране осциллографа при пропускании переменного тока через катушки ярма, воспроизводит в некотором масштабе кривую гистерезиса и может служить для изу­чения магнитных характе- р исти к фер ромагнети ков. Этой кривой, однако, мо­жет быть придан количест­венный смысл лишь после того, как установлен масш­таб изображения. В связи с этим перед началом изме­рений необходимо проде­лать ряд предварительных опытов.

Измерения. Уста­новление связи между напряжен­ностью магнитно­го поля Н вз азоре ярма и током / питания обмоток. Поместите в зазор большую катушку с известным числом витков пх (которое указано на катушке). Измерьте площадь ее витков Sx. Концы катушки присоедините к катодному вольтметру перемен­ного тока (рис. 155).

Учитывая, что вольтметр измеряет эффективное напряжение на катушке, найдем с помощью формулы (3.7) приложения III

УьфФ — ^лАОЯо,    (2)

где Q — угловая частота переменного тока, Vx выражено в воль­тах, Sx — в квадратных метрах, Н0 — в А/м. С помощью (2) ампли­туда напряженности поля Н0 может быть вычислена по показанию вольтметра Эфф-

Регулируя ток, идущий через обмотку ярма, изучите зависимость напряженности поля от тока и постройте график

~727в

 

Рис. 155. Схема опыта по определению связи между Н и I.

я, = я„(/).

Как следует из теории, напряженность поля в зазоре не должна сколько-нибудь существенно зависеть от внесения в зазор неболь­ших образцов. Полученная калибровка должна поэтому сохра­ниться при установке в зазоре изучаемых ферромагнетиков. Для контроля полезно поставить следующий простой опыт. Сдвиньте измерительную катушку к краю зазора так, чтобы между полюсами ярма можно было поместить один из исследуемых образцов (катушка не должна его охватывать!). При постоянном значении тока / показа­ния вольтметра не должны зависеть от внесения образца в зазор.

Наблюдение петли гистерезиса на экра­не осциллографа. Вставьте в зазор ярма индикаторную катушку, заполненную полосками исследуемого ферромагнетика. Соедините концы катушки со входом АВ интегрирующей ячейки. Подберите ток питания обмоток ярма и положение ручек усиления горизонтального и вертикального усилителей осциллографа так, чтобы на экране была видна петля гистерезиса, занимающая около половины экрана. С этого момента и до окончания опыта с данным ферромагнетиком ручки усиления осциллографа трогать нельзя. Наблюдаемую на экране осциллографа петлю гистерезиса срисуйте на кальку не менее чем по тридцати равномерно расположенным вдоль кривой точкам и обозначьте оси координат.

Калибровка горизонтальной оси осцил­лографа. Нелинейности усилителей и устройств развертки трубки осциллографа приводят к тому, что отклонение светового луча оказывается не строго пропорциональным входному сигналу. Изображению, появляющемуся на экране трубки, может быть при­дан количественный смысл лишь после калибровки ее разверток. Для калибровки горизонтальной оси осциллографа варьируйте ток питания обмоток ярма с помощью вариака и исследуйте зависимость величины отклонения луча от силы тока / (уже сопоставленного ранее с Н0).

Постройте график зависимости Я0 от горизонтального смещения луча (график имеет смысл при заданном положении ручек осцил­лографа).

Калибровка вертикальной оси осциллог­рафа. Ко входу интегрирующей ячейки АВ (рис. 156) подключите понижающий трансформатор, питаемый от вариака. В качестве трансформатора можно использовать имеющееся ярмо. Вторичной катушкой служит обмотка, намотанная на среднюю часть ярма, как это изображено на рис. 156.

Присоедините катодный вольтметр к клеммам осциллографа. Меняя установку вариака, найдите зависимость амплитуды верти­кального смещения луча от напряжения на входе осциллографа (измеренного с помощью вольтметра V). При расчетах следует иметь в виду, что амплитудное значение напряжения, определяющее раз­мах колебаний луча, равно ]/2У9фф.

Измерение постоянной RC интегрирующей ячейки. Для определения постоянной времени RC интегриру­ющей ячейки к ее входным клеммам А и В (рис. 156) одновременно присоедините понижающий трансформатор и вольтметр. Регулируя входные напряжения с помощью вариака, получите на осциллографе вертикальную прямую размером около половины экрана. Выражен-

~127В

 

Рис. 156. Схема опыта по измерению постоянной RC.

ное в вольтах вертикальное отклонение луча V сопоставьте с пока­занием вольтметра и воспользуйтесь формулой (1), которая для синусоидального напряжения имеет вид

W        (3)

Формула (3) служит для определения RC.

Калибровку вертикальной и горизонтальной осей осциллографа следует использовать для построения петли гистерезиса в осях В и Н. Для пересчета напряжения V на входе осциллографа в зна­чения В следует воспользоваться формулой (1). С учетом того, что V = —йФ/dt = —S0n0dB/dt, имеем

S0n0 dftdt=- jL S0n0B.         (4)

В формуле (4) через п0 обозначено число витков индикаторной катушки, а через S0 — площадь поперечного сечения образца. При выводе формулы (4) мы пренебрегли магнитным потоком, про­низывающим витки индикаторной катушки в воздушном зазоре вне образца.

Исследование петель гистерезиса имею­щихся образцов. Постройте кривые гистерезиса для всех

имеющихся образцов. Если при работе с новыми образцами не при­ходится изменять положения ручек осциллографа, полученные ка­либровки, конечно, сохраняют силу. Если же ручки пришлось по­вернуть, то калибровки должны быть проведены заново.

При оформлении работы оцените ошибку измерений и выяс­ните, какие факторы сильнее других сказываются на точности опытов.

Следует отметить, что иногда на концах кривой гистерезиса наблюдаются характерные петлеобразные «перехлестывания». Ис­кажения кривой гистерезиса могут быть связаны с наводками или с фазовыми искажениями в усилителях осциллографа.

Наводки бывают особенно сильны в тех случаях, когда осцил­лограф находится вблизи магнитного ярма (ярмо создает вокруг себя большие потоки рассеяния). Влияние ярма на осциллограф может быть легко обнаружено. Для этого достаточно развернуть луч, сняв провода с клемм вертикального сигнала, и посмотреть, не раздваивается ли горизонтальная черта на экране осциллографа. Для уменьшения наводок на провода весь монтаж схемы следует производить с помощью аккуратно свитых (или коаксиальных) концов.

При наличии фазовых искажений в каналах (неустранимое «пе­рехлестывание» кривой) осциллограф следует заменить.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я