POLITECHNIKA ÅšWI
TOKRZYSKA
Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej
Materiałoznawstwo elektryczne
ĆWICZENIE 10
BADANIE WA
AÅšCIWOÅšCI DYNAMICZNYCH
MATERIAA
ÓW MAGNETYCZNIE MI
KKICH
I. WIADOMOÅšCI TEORETYCZNE
1. Właściwości magnetyczne materiałów magnetycznie miękkich
Do materiałów magnetycznie miękkich zaliczamy:
- czyste odmiany żelaza,
- stale krzemowe gorÄ…cowalcowane,
- stale krzemowe zimnowalcowane,
- stopy żelazokobaltowe,
- stopy żelazoniklowe,
- magnetodielektryki i ferryty.
1.1. Czyste odmiany żelaza
Chemicznie czyste żelazo jest doskonaÅ‚ym magnetykiem miÄ™kkim dla którego µrmax = 1500000 oraz
natężenie powściągające Hc = 1,2 A/m. Zanieczyszczenie żelaza przez domieszki innych pierwiastków
takich jak: węgiel, tlen, azot, siarka, fosfor, znacznie pogarsza jego właściwości. Obniżeniu ulega przeni-
kalność magnetyczna maksymalna µmax natomiast powiÄ™kszeniu Hc. Oczyszczenie żelaza z domieszek
dokonuje się przez przetapianie w próżni lub atmosferze wodoru.
Do najczystszych odmian żelaza otrzymanych drogą technologiczną należy żelazo karbonylkowe.
Otrzymuje się je z karbonylku żelaza w postaci bardzo drobnego proszku o średnicy ziaren 0,005 mm.
Żelazo karbonylkowe stosowane jest do produkcji tzw. rdzeni proszkowych.
Drugą stosunkowo czystą odmianą żelaza jest żelazo elektrolityczne. Służy ono do produkcji bardzo
czystych odmian żelaza przez przetapianie w wodorze.
Trzecią odmianą jest tzw. żelazo armco, czyli stal niskowęglowa. Materiał ten jest stosowany w obwodach
magnesowanych prądem stałym (mierniki, przekształtniki).
1.2. Stale krzemowe gorÄ…cowalcowane
Dodanie krzemu do stali znacznie polepsza jej właściwości jako materiału magnetycznego  zwęża
pętlę histerezy i zwiększa rezystywność. Zwiększenie zawartości krzemu w stali powoduje z jednej stro-
ny zmniejszenie stratności, ale z drugiej strony czyni ją zbyt kruchą a przez to niepodatną na obróbkę
przez cięcie i skrawanie.
Stal krzemowa gorącowalcowana jest produkowana w arkuszach o grubości 0,35 i 0,5 mm. Stratność
blach gorÄ…cowalcowanych przy f = 50 Hz i B = 1 T wynosi:
- blachy 0,35 mm "PFe = 0,9 ÷ 1,3 W/kg,
- blachy 0,5 mm "PFe = 1,3 ÷ 2,8 W/kg.
Z blach krzemowych gorącowalcowanych wykonuje się: rdzenie transformatorów energetycznych
(coraz rzadziej), kształtki pierścieniowe do obwodów magnetycznych maszyn elektrycznych, obwody
150 Ćwiczenie 10
magnetyczne przekaz
ników i styczników itp. Na kształtki pierścieniowe do maszyn elektrycznych stosuje
siÄ™ stale krzemowe o nieco mniejszej zawartoÅ›ci krzemu (2 ÷ 3 %) z uwagi na zmniejszenie ich kruchoÅ›ci
W blachach krzemowych gorącowalcowanych ułożenie kryształów jest chaotyczne, co powoduje, że
ich własności magnetyczne są jednakowe we wszystkich kierunkach. Tego rodzaju izotropowość jest
niezbędna w przypadku obwodów magnetycznych, w których strumień okresowo zmienia kierunek
w zakresie 360° (np. w rdzeniu wirników maszyn elektrycznych).
Aby zmniejszyć wartości prądów wirowych w rdzeniu złożonym z blach stosuje się odpowiednią
izolację między blachami. Najczęściej stosowana jest izolacja w postaci warstwy lakieru o grubości
około 0,03 mm nakładanego na płytę już po jej wycięciu i wyżarzeniu. Lepszym sposobem izolowania
blach jest pokrywanie ich tlenkiem czyli oksydowanie.
1.3. Stale krzemowe zimnowalcowane
Stale krzemowe walcowane na zimno coraz częściej wypierają stale walcowane na gorąco z uwagi na
lepsze własności magnetyczne. Najszersze zastosowanie mają one w produkcji rdzeni dla transformato-
rów energetycznych.
Do czynników wpływających na własności magnetyczne blach transformatorowych należą:
- naprężenia mechaniczne spowodowane odkształceniami plastycznymi (walcowanie, ciągnienie,
gięcie, wytłaczanie) oraz cięcie i wykrawanie,
- orientacja krystalograficzna,
- zanieczyszczenia w postaci atomów obcych pierwiastków w sieci krystalicznej, ich ilości i po-
staci występowania.
Naprężenia mechaniczne w materiale ferromagnetycznym powodują odkształcenie sieci krystalicznej
i mają znaczny wpływ na własności magnetyczne. Wpływ ten to:
- wzrost Hc,
- wzrost strat z histerezy (do 50%),
- zmniejszenie przenikalności magnetycznej.
Wpływ cięcia blachy transformatorowej na paski pokazuje rysunek 10.1.
"Hc
A/m
2,4
1,6
0,8
a
0
cm
10 20
Rys. 10.1. Zmiany natężenia koercji spowodowanego wycinaniem
w zależności od szerokości paska
Zachowanie się materiału ferromagnetycznego pod działaniem naprężeń w zakresie odkształceń sprę-
żystych jest ściśle związane ze zjawiskiem magnetostrykcji tzn. zjawiskiem związanym ze zmianami
wymiarów magnetyka pod wpływem pola magnetycznego.
Skutek naprężeń (rozciągających lub ściskających) jest ściśle zależny od znaku magnetostrykcji. I tak
np. dla pojedynczego kryształu żelaza magnetostrykcja w zasadniczych kierunkach krystalograficznych
przebiega jak na rysunku 10.2. W przypadku transformatorów energetycznych magnetostrykcja jest jedną
z przyczyn powstawania charakterystycznego przydz
więku o częstotliwości 100 Hz.
Badanie właściwości dynamicznych materiałów magnetycznie miękkich 151
Mająca największe znaczenie w produkcji rdzeni dla transformatorów energetycznych blacha krze-
mowa walcowana na zimno o ziarnie orientowanym jest bardziej wrażliwa na naprężenia niż blacha
o ziarnie nieorientowanym. W celu usunięcia ujemnego wpływu naprężeń stosuje się obróbkę cieplną
tzw. wyżarzanie odprężające. Polega ono na nagrzaniu materiału do określonej temperatury (dla blach
transformatorowych o ziarnie orientowanym do 800°C), wygrzaniu przez czas niezbÄ™dny do odbudowy
sieci krystalicznej, a nastÄ™pnie powolnym ostudzeniu do temperatury 300°C.
Należy dodać, że wyżarzanie odprężające przeprowadza się zwykle w atmosferze ochronnej o skła-
dzie dobranym tak, aby nie reagowała ona z powłoką elektroizolacyjną, którą pokryte są blachy. Najle-
piej nadaje siÄ™ do tego celu atmosfera azotu z 3 ÷ 5% domieszkÄ… wodoru. Najkorzystniej jest wyżarzać
odprężająco gotowe obwody magnetyczne np. rdzenie zwijane o niezbyt dużych wymiarach.
Najlepsze gatunki blach transformatorowych są szczególnie wrażliwe na ujemny wpływ naprężeń
i zastosowanie ich ma sens tylko wówczas, gdy przy montażu rdzeni można wyeliminować z
ródła po-
wstawania odkształceń.
a) 6
b)
L/L
" Å"10
15
[100]
[110]
[100]
[100] 10
5 [110]
T
0
2
1 2 Wb/m
[111]
-5 [111]
-10
Rys. 10.2. Kierunki krystalograficzne kryształu żelaza (a) i jego magnetostrykcja w kierunkach magnesowa-
nia {100], [110] i [111] (b): "L/L - względna zmiana wymiaru liniowego
Pojedyncze kryształy żelaza i stopów żelazo-krzem wykazują wybitną anizotropię magnetyczną.
Krzywe magnesowania dla monokryształów żelaza obrazuje rysunek 10.3.
2
B
Wb/m
Bnas [100]
2
1
H
0
A/m
2
4
Rys. 10.3. Magnesowanie monokryształu żelaza
]
0
1
1
[
]
1
1
1
[
152 Ćwiczenie 10
Żelazo krystalizuje w układzie regularnym przestrzenno-centrycznym, przy czym najłatwiej magne-
suje siÄ™ w kierunku [100], trudniej w kierunku [110] a najtrudniej w kierunku przekÄ…tnych przestrzen-
nych [111].
Dobierając odpowiednio technologię można ukształtować strukturę blachy transformatorowej w ten
sposób, że kierunki łatwego magnesowania [100] z większym lub mniejszym odchyleniem odpowiadają
kierunkowi walcowania na zimno. Taki układ wywołuję silną anizotropię własności magnetycznych bla-
chy  podobną do anizotropii pojedynczego kryształu.
Interesująco wygląda porównanie charakterystyk stali krzemowych walcowanych na gorąco i stali
krzemowych o ziarnie orientowanym walcowanych na zimno (rys. 10.4). W blachach o ziarnie orientowanym
kierunek magnesowania musi być zgodny z kierunkiem walcowania.
Na podstawie rysunku 10.4 można ocenić zalety stali krzemowej zimnowalcowanej w porównaniu
z gorącowalcowaną. Stosując blachy transformatorowe o ziarnie orientowanym osiągnięto:
- zmniejszenie wymiarów transformatorów (do 40%),
- oszczędność oleju (do 30%).
a) b)
PFe
"
B
T W/kg
1,6 2
0,8 1
Bmax
H 50Hz
0 0
A/m
100 200 300 1 2 T
Rys. 10.4. Krzywe magnesowania (a) i porównanie stratności blach krzemowych gorącowalcowanych i zim-
nowalcowanych orientowanych
Wpływ zanieczyszczeń na własności magnetyczne żelaza przy indukcji maksymalnej Bmax = 1 T
(opracowany przez Yensena) przedstawia rysunek 10.5.
Ogólnie rzecz biorąc, pierwiastki
Ph
"
W/kg
 zastępujące atomy żelaza (Si, Al,
S C Mn), powodujÄ… nieznaczne pogorsze-
nie własności magnetycznych. Nato-
miast pierwiastki, których atomy zaj-
80
mują miejsca między atomami żelaza
(pozycje międzywęzłowe) powodują
znaczne odkształcenie sieci prowa-
dząc do pogorszenia własności ma-
40
gnetycznych. Przykładowo takimi
P
pierwiastkami są siarka i węgiel.
Mn
O
0
% (wagowo)
0,05
0,1
Rys. 10.5. Wpływ zanieczyszczeń na straty w żelazie
o
c
Ä…
o
r
n
o
g
m
i
o
z
n
i
m
a
z
n
a
a
n
w
a
o
l
c
a
w
n
a
n
a
n
a
o
c
Ä…
a
r
n
o
g
a
n
w
a
a
n
a
o
w
w
o
c
l
c
a
o
w
l
c
a
l
a
w
w
Badanie właściwości dynamicznych materiałów magnetycznie miękkich 153
1.4. Stopy żelazoniklowe
Własności magnetyczne stopów żelazoniklowych zależą od procentowej zawartości niklu (rys. 10.6).
µrpocz
Hc
Á20
Hc
Bnas
µrpocz
Á20
Bnas
78
36 50
% Ni
Rys. 10.6. Wpływ procentowej zawartości niklu na niektóre własności magne-
tyczne stopów żelazoniklowych
W praktyce najczęściej wykorzystuje się stopy o zawartości niklu 36, 50 i 78%  odpowiadają one
najwiÄ™kszym wartoÅ›ciom Á20, Bnas i µrpocz.
Stopy żelazoniklowe o dużej rezystywnoÅ›ci (36% Ni, Á20 H" 0,7 Å" 10 6 &!Å"m), ze wzglÄ™du na maÅ‚e straty
na prądy wirowe i wąską pętlę histerezy, mogą być stosowane na rdzenie transformatorów teletransmi-
syjnych pracujących przy wysokich częstotliwościach. Stopy zawierające 50% niklu posiadają najwięk-
szą indukcję nasycenia (Bnas H" 1,5 T), natomiast stopy zawierające około 78% Ni odznaczają się wybitnie
wÄ…skÄ… pÄ™tlÄ… histerezy i znacznÄ… przenikalnoÅ›ciÄ… magnetycznÄ… (np. permaloj C, µrpocz H"25.000, µrmax H"
120.000).
1.5. Stopy żelazokobaltowe
Stopy żelazokobaltowe odznaczają się bardzo dużą indukcją nasycenia. Są one jednak bardzo kruche
i mało podatne na obróbkę mechaniczną. W celu zmniejszenia kruchości dodaje się do nich wanadu. Do
tej grupy materiałów należy permendur (49% Co, 2% V, 49% Fe) mający następujące własności:
- µrpocz H" 800,
- µrmax H" 8000,
- Hc H" 96 A/m,
- Bnas H" 2,4 T,
- Á20 H" 0,22Å"10 6 &!Å"m.
Z uwagi na wysoką cenę zastosowanie stopów żelazokobaltowych jest bardzo ograniczone. Ze stopów
tych wykonuje się rdzenie do prądniczek instalacji elektrycznej samolotów, membrany słuchawek, rdze-
nie dławików i transformatorów pracujących przy nasyceniu silnym strumieniem magnetycznym polary-
zującym na który nakłada się słaby strumień zmienny.
154 Ćwiczenie 10
1.6. Magnetodielektryki i ferryty
Ferromagnetyczne materiały sproszkowane spojone utwardzoną żywicą, zwane magnetodielektryka-
mi, wykazują minimalne straty na prądy wirowe i dużą stałość własności magnetycznych przy zmianach
amplitudy składowej zmiennej, przy magnesowaniu prądem stałym oraz przy zmianach temperatury. Do
produkcji rdzeni proszkowych jest używane żelazo karbonylkowe odznaczające się małą wartością Hc.
W wyniku istnienia wtrąceń niemagnetycznych rdzenie proszkowe odznaczają się znacznie mniejszą
przenikalnością magnetyczną od przenikalności zawartego w nich magnetyka. Zaletą jest nieznaczna
zależność tej przenikalności od natężenia pola magnetycznego co pozwala na budowanie dławików o
praktycznie stałej indukcyjności.
Ferryty, zwiÄ…zki mieszane tlenków Fe, Ni, Zn, Mn, Cu, odznaczajÄ… siÄ™ dużą rezystywnoÅ›ciÄ… (Á20)
i wąską pętlą histerezy. Wykazują mniejsze straty niż magnetodielektryki. Przykładowe własności jedne-
go z ferrytów są następujące:
- µrpocz H" 250,
- µrmax H" 1000,
- Hc H" 120 A/m,
- Á20 H" 103 &!m.
Magnetodielektryki i ferryty znalazły głównie zastosowanie do produkcji dławików oraz cewek do
obwodów rezonansowych oraz filtrów urządzeń radiotechnicznych.
2. Własności dynamiczne materiałów magnetycznych
Głównym celem zastosowań ferromagnetyków w polach zmiennych są dławiki, maszyny elektryczne i
transformatory. Stosuje się je tam w celu zwiększenia strumienia magnetycznego, tzn. w celu zwiększe-
nia wartości napięcia indukowanego przez pole magnetyczne.
Istotnym zagadnieniem jest analiza obwodów elektrycznych z rdzeniami ferromagnetycznymi pakie-
towanymi z blach.
Scharakteryzowanie własności dynamicznych obwodu magnetycznego wymaga podania rodziny dy-
namicznych pętli histerezy, które są jednoznacznymi charakterystykami materiału tylko przy ustalonej
grubości blachy, częstotliwości i ustalonym kształcie czasowego przebiegu pola magnetycznego.
Własności dynamiczne ferromagnetyka bada się na próbkach zamkniętych lub otwartych umieszczo-
nych w jarzmowych obwodach magnetycznych. Indukcję w próbce można mierzyć przetwornikiem in-
dukcyjnym pola zmiennego umieszczonym w wyciętej szczelinie. Natężenie pola magnetycznego wyzna-
cza się najczęściej metodą pośrednią z prądu magnesującego.
Metody pomiaru charakterystyk dynamicznych:
metoda techniczna  umożliwia wyznaczenie krzywej komutacyjnej; do pomiaru maksymalnych
wartości indukcji i natężenia pola wystarczają zwykle woltomierze i amperomierze,
a) metoda kompensacyjna  wyznacza siÄ™ charakterystykÄ™ podstawowych harmonicznych mierzÄ…c
kompensatorem amplitudy podstawowej harmonicznej napięcia w cewce pomiarowej i prądu
magnesujÄ…cego w cewce magnesujÄ…cej,
b) metoda mostkowa  polega na pomiarze mostkiem parametrów uzwojonej próbki  prowadzi
również do wyznaczenia charakterystyki dla podstawowej harmonicznej,
c) metody ferromagnetyczna i oscylograficzna prowadzą do wyznaczenia dynamicznych pętli hi-
sterezy, pierwsza pośrednio przez pomiar wartości chwilowych indukcji i natężenia, druga bez-
pośrednio przez kreślenie pętli histerezy na ekranie oscyloskopu.
3. Opis metody oscylograficznej. Skalowanie oscyloskopu
Metoda oscylograficzna służy do zdejmowania dynamicznej pętli histerezy badanego materiału ma-
gnetycznego drogą pomiaru odpowiadających sobie wartości chwilowych prądu magnesującego w
uzwojeniu magnesującym oraz całki z napięcia na uzwojeniu pomiarowym próbki.
Badanie właściwości dynamicznych materiałów magnetycznie miękkich 155
Pętlę histerezy badanej próbki otrzymuje się na ekranie oscyloskopu doprowadzając do jego płytek
odchylania poziomego sygnał napięciowy proporcjonalny do natężenia pola magnetycznego, natomiast
do płytek odchylania pionowego sygnał proporcjonalny do indukcji. Napięcie proporcjonalne do natęże-
nia pola magnetycznego otrzymuje się z rezystora połączonego szeregowo z uzwojeniem magnesującym
próbki. Napięcie proporcjonalne do chwilowych wartości indukcji otrzymuje się podając przebieg siły
elektromotorycznej uzwojenia pomiarowego na układ całkujący RC. Aby na podstawie pętli histerezy
kreślonej na ekranie oscyloskopu określić własności badanego materiału należy oscyloskop wyskalować
w jednostkach B i H.
3.1. Skalowanie osi B
W celu wyskalowania osi B (pionowej) należy dokonać pomiaru napięcia na uzwojeniu pomiarowym
(wtórnym) badanych próbek i wyznaczyć wartość indukcji B z zależności
Uśr
B = , (10.1)
4 f zpS
gdzie: Uśr - wartość średnia napięcia w V, f - częstotliwość w Hz, zp - ilość zwojów uzwojenia pomiaro-
wego, S - przekrój próbki w m2, B - indukcja w T.
Pomiaru wartości średniej napięcia można dokonać np. miernikiem magnetoelektrycznym. Z uwagi na
to, że mierniki wartości średniej są najczęściej wyskalowane w wartościach skutecznych przebiegu sinu-
soidalnego, skalę wartości średniej znajduje się ze wzoru
2 2
Uśr = U , (10.2)
Ä„
gdzie U - skala wartości skutecznych.
Skalę osi B (pionowej) na ekranie oscyloskopu otrzymamy dzieląc obliczoną indukcję B przez połowę
maksymalnego wychylenia plamki w kierunku pionowym (wychylenie ma dotyczyć jednej biegunowo-
ści).
B U T
îÅ‚ Å‚Å‚
śr
skala B = =
ïÅ‚dz śł
Ä…B 4 f Å" zp Å" S Å"Ä…B
ðÅ‚ ûÅ‚
3.2. Skalowanie osi H
W celu wyskalowania osi H (poziomej) należy zmierzyć wartość szczytową prądu magnesującego
płynącego przez uzwojenie pomiarowe (pierwotne) próbki i wyznaczyć wartość natężenia pola magne-
tycznego ze wzoru
zmImax
H = , (10.3)
l
śr
gdzie: zm - ilość zwojów uzwojenia magnesującego, Imax - szczytowa wartość prądu magnesującego w A,
lśr - średnia długość drogi magnetycznej strumienia w rdzeniu w m, H - natężenie pola magnetycz-
nego w A/m.
Ze względu na spodziewane odkształcenie prądu magnesującego jego wartość szczytową wyznacza
się drogą pośrednią polegającą na wyskalowaniu oscyloskopu sygnałem proporcjonalnym do wartości
szczytowej prądu sinusoidalnego (rysunek 10.7 - przełącznik P w położeniu 2).
Odchylenie plamki na ekranie oscyloskopu równe jest podwójnej amplitudzie prądu. Ponieważ ampe-
romierz wyskalowany jest w wartościach skutecznych jego wskazania trzeba pomnożyć przez 2 .
Po ustawieniu przełącznika w pozycję 1 i takim wyregulowaniu prądu aby odchylenie plamki
było takie samo jak poprzednio, porównujemy wskazania amperomierza. Postępując w ten spo-
sób dla kilku wartości prądu wyznacza się charakterystykę Imax = f (Iwskaz).
156 Ćwiczenie 10
A
Os
Próbka
1
P
zm
R
2
Rys. 10.7. Skalowanie osi H: P - przełącznik, zm - uzwojenie magne-
sujące próbki, Os - oscyloskop
Przy niewielkich odkształceniach prądu można przyjmować:
Imax = Iwskaz Å" 2
Skalę osi H obliczamy dzieląc natężenie pola magnetycznego przez amplitudę wychylenia
plamki w kierunku poziomym.
H Imax Å" zm A/ m
îÅ‚ Å‚Å‚
skala H = =
śł
Ä…H l Å"Ä…H ïÅ‚ dz
ðÅ‚ ûÅ‚
śr
2Ä…
2Ä…Å‚
Rys. 10.8. Skalowanie osi B i H oscyloskopu: 2Ä…B, 2Ä…H  maksymalne wychylenia plamki
oscyloskopu w osi pionowej (B) i poziomej (H)
Badanie właściwości dynamicznych materiałów magnetycznie miękkich 157
4. Stratność magnetyczna
Przemagnesowywaniu magnetyka towarzyszą straty energii wydzielające się w postaci ciepła i zwane
stratami na histerezę. Straty te są proporcjonalne do pola powierzchni pętli histerezy oraz do częstotli-
wości.
Oprócz tych strat występują również straty energii powodowane przez prądy wirowe indukowane w
przekrojach poprzecznych rdzeni prze okresowo zmieniający się strumień magnetyczny.
Jednostkową stratę mocy na histerezę określa się wzorem
2
ëÅ‚ öÅ‚
f Bmax
ìÅ‚ ÷Å‚
"Ph = µ Å" Å"ìÅ‚ ÷Å‚ , (10.4)
50 Hz 1T
íÅ‚ Å‚Å‚
gdzie: µ - współczynnik wyrażajÄ…cy stratność na histerezÄ™ danej blachy (w W/kg) pomierzonÄ… przy f = 50
Hz i amplitudzie indukcji Bmax = 1 T.
Jednostkową stratę mocy na prądy wirowe określa zależność
2
ëÅ‚ öÅ‚
´ f Bmax
ìÅ‚
"Pw =· Å"ìÅ‚ Å" Å" ÷Å‚ , (10.5)
÷Å‚
0,5mm 50 Hz 1T
íÅ‚ Å‚Å‚
gdzie: · - stratność (w W/kg) dla blach o gruboÅ›ci ´ = 0,5 mm pomierzona przy f = 50 Hz i indukcji
szczytowej Bmax = 1 T.
Stratność magnetyczna danego materiału jest sumą strat histerezowych i wiroprądowych odniesioną
do 1 kg magnetyka
"PFe = "Ph + "Pw . (10.6)
Dla materiałów ferromagnetycznych miękkich najważniejsze jest uzyskanie jak największej przeni-
kalności magnetycznej przy najmniejszej pętli histerezy. Dla materiałów pracujących w zakresie wyso-
kich częstotliwości jest również ważne zmniejszenie strat na prądy wirowe.
5. Pytania kontrolne
1. Omówić własności magnetyczne czystych odmian żelaza
2. Porównać własności stali krzemowych gorąco i zimnowalcowanych
3. Omówić czynniki wpływające na własności magnetyczne blach transformatorowych
4. Własności stopów żelazoniklowych i żelazokobaltowych
5. Własności magnetyczne magnetodielektryków i ferrytów
6. Podać sposób wyskalowania oscyloskopu w jednostkach B i H
7. Stratność magnetyczna
Literatura
1. Brailsford F.: Materiały magnetyczne. PWN, Warszawa 1964
2. Celiński Z.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. Politechnika Warszawska, wyd. 3, 2005
3. Nałęcz M., Jaworski J.: Miernictwo magnetyczne. WNT, Warszawa 1968
4. Paciorek Z, Stryszowski S.: Laboratorium inżynierii materiałowej. Skrypt Politechniki Świętokrzy-
skiej nr 209, Kielce 1991
5. Starczakow W.: Materiałoznawstwo elektryczne. Skrypt Politechniki A
ódzkiej, A
ódz
1969
158 Ćwiczenie 10
II. BADANIA
1. Parametry próbek przygotowanych do badań
Próbka 1. Próbka zamknięta pierścieniowa zwijana z taśmy magnetycznej ze stali krzemowej walco-
wanej na zimno. Szerokość taśmy 20 mm, średnica zewnętrzna 71 mm, wewnętrzna 57 mm. Nawinięty
rdzeÅ„ zostaÅ‚ wyżarzony w temperaturze 800°C w czasie 0,5 godziny.
Próbka 2. Próbka zamknięta pierścieniowa lita wykonana ze stali węglowej. Wymiary próbki takie
jak próbki I.
Próbka 3. Próbka ta jest próbką ramową wykonaną z ferrytu prasowanego magnetycznie miękkiego.
Próbka 4. Podobnie jak próbka I zwijana z taśmy magnetycznej ze stali krzemowej zimnowalcowa-
nej. W przeciwieństwie do próbki I nie wyżarzona.
Tab. 10.1. Wymiary próbek przygotowanych do badań
Numer próbki zp zm lśr S
   cm cm2
1 335 200 20,1 2,10
2 335 200 20,1 2,10
3 900 300 19,6 2,25
4 335 200 20,1 2,10
2. Badanie własności dynamicznych materiałów magnetycznie miękkich metodą oscylogra-
ficznÄ…
Badania własności dynamicznych przeprowadzamy w układzie przedstawionym na rysunku 10.9.
Układ ten umożliwia obserwację pętli histerezy na ekranie oscyloskopu.
R
A
T
Os
z
p
z Próbka
m
V
C
R
r
Rys. 10.9. Schemat układu do pomiaru dynamicznych pętli histerezy magnetycznej: T - trans-
formator regulacyjny, Rr - rezystor regulacyjny (suwakowy), zm - uzwojenie magnesujÄ…ce, zp -
uzwojenie pomiarowe, R i C - rezystor i kondensator układu całkującego, Os - oscyloskop
Badanie właściwości dynamicznych materiałów magnetycznie miękkich 159
2.1. Skalowanie oscyloskopu
Po połączeniu układu według schematu (rys. 10.9) ustawiamy taką wartość napięcia zasilającego, aby
przez uzwojenie magnesujÄ…ce pÅ‚ynÄ…Å‚ prÄ…d o wartoÅ›ci 0,2 ÷ 0,5 A. ManipulujÄ…c pokrÄ™tÅ‚ami wzmocnienia
kanałów A i B i zewnętrznej podstawy czasu oscyloskopu oraz potencjometrem Rr doprowadzić do uzy-
skania granicznej pętli histerezy przy optymalnym wykorzystaniu powierzchni ekranu oscyloskopu.
Mierząc napięcie na zaciskach uzwojenia pomiarowego próbki przy pomocy woltomierza wartości
średniej skalujemy oś B. Obliczamy skalę B z wzoru
U 2 2 Å"U
śr
skala B = [T/dz], U = , (10.7)
śr
4 f zpSÄ…B Ä„
gdzie: U - wskazana wartość napięcia przez woltomierz wartości średniej wyskalowany w wartościach sku-
tecznych, ąB - wychylenie plamki oscyloskopu w działkach.
Skalowanie należy przeprowadzić dla każdej próbki. Wyniki pomiarów przedstawić w tabeli 10.2. Im
oznacza prÄ…d magnesujÄ…cy (potrzebny do wyskalowania osi H).
Tab. 10.2. Wyniki pomiarów skalowania osi indukcji
Numer próbki U Im Uśr Skala B
Ä…B
 V A V dz T/dz
1
2
Przy skalowaniu osi H bierzemy pod uwagÄ™ wskazanie amperomierza prÄ…du magnesujÄ…cego (Im za-
notowane w tabeli 10.2). Następnie w miejsce uzwojenia magnesującego próbki włączamy rezystor o
regulowanej rezystancji. Dla pewnej wartości prądu sinusoidalnego, takiej przy której wychylenie plamki
w kierunku poziomym jest takie samo, notujemy wskazanie amperomierza (I). MajÄ…c pomiar Im i I mo-
żemy obliczyć współczynnik skali  n i skalę osi H korzystając z wzorów
I 2 Imax zmn
n = = , skalaH = [A/m/dz], (10.8)
ąH ąH lśr
W czasie pomiaru I nie należy zmieniać położenia potencjometru Rr ani pokrętła wzmocnienia ze-
wnętrznej podstawy czasu oscyloskopu. Pomiary należy przeprowadzić dla wszystkich próbek. Wyniki
pomiarów przedstawić w tabeli 10.3. Przy niewielkich odkształceniach przyjmujemy I = Im.
Tab. 10.3. Wyniki pomiarów skalowania osi natężenia pola magnetycznego
Numer próbki Im I n Skala H
Ä…H
 A A dz A/dz A/m/dz
1
2
2.2. Badania oscylograficzne dynamicznych pętli histerezy magnetycznej
Przy wykonywaniu badań oscylograficznych należy:
- przeprowadzić obserwację oscylograficzną dynamicznych pętli histerezy różnych próbek,
160 Ćwiczenie 10
- pomierzyć charakterystyczne punkty pętli histerezy wstawiając wyniki pomiarów do tabeli 10.4
i naszkicować wykresy tych pętli dla wszystkich próbek we wspólnym układzie współrzędnych
B i H.
Tab. 10.4. Wyniki badań dynamicznych pętli histerezy
Numer próbki Bnas Hmax Br Hc
 T A/m T A/m
1
2
2.3. Wyznaczenie komutacyjnych krzywych magnesowania
Przy wyznaczaniu komutacyjnych krzywych magnesowania należy:
- zmieniając wartości napięcia zasilającego układ wyznaczyć współrzędne punktów będących
wierzchołkami pętli histerezy i wpisać je do tabeli 10.5,
- wykonać wykresy Bmax = f (Hmax).
Tab. 10.5. Wyniki pomiarów dynamicznych pętli histerezy
Próbka ...... Próbka ......
Lp.
Bmax Bmax Hmax Hmax Bmax Bmax Hmax Hmax
 dz T dz A/m dz T dz A/m
1
2
3. Wnioski
1. Porównać pętle histerezy i komutacyjne krzywe magnesowania próbki 1 i 4 oraz omówić wpływ
wyżarzania odprężającego na własności magnetyczne blach transformatorowych walcowanych na
zimno.
2. Na podstawie przeprowadzonych obserwacji pętli histerezy próbki 2 i 3 omówić wpływ prądów wi-
rowych na własności magnetyczne ferromagnetyków i sposoby ich zmniejszania.