Zespół nr 1	Nogaj Kamil		WM
Ćwiczenie nr E1	Temat: Badanie ferromagnetyków.		Mechanika i Budowa Maszyn
05.04.2000 r.
Teoria	Ocena:		Podpis:
Wykonanie

1. Opis teoretyczny:

Pole magnetyczne to przestrzeń otaczająca magnes naturalny, sztuczny lub przewodnik z prądem, w której na inne ciała działają siły magnetyczne. Pole magnetyczne można przedstawić za pomocą linii sił pola magnetycznego. Linie sił pola magnetycznego są zawsze liniami ciągłymi (zamkniętymi), nie mają one swojego początku ani końca. Pole magnetyczne jest polem niejednorodnym tzn. że jest silniejsze bliżej źródła, a słabsze dalej od niego.

Elektrony wewnątrz atomu poruszają się po orbitach. Prócz ruchu orbitalnego dookoła jądra, elektron wykonuje ruch obrotowy dookoła własnej osi. Ten ruch nazywamy ruchem spinowym, przy czym część elektronów w atomie ma spiny dodatnie, a część - ujemne co związane jest z kierunkiem obrotu elektronu. Ruch elektronów wewnątrz atomu można rozpatrywać jako okrężne prądy elementarne wewnątrzatomowe, a powstające pole magnetyczne nazywamy polem prądów elementarnych (okrężnych). Przy braku pola magnetycznego zewnętrznego prądy elementarne atomów niektórych materiałów, ze względu na bezładny ruch, wytwarzają pole magnetyczne elementarne, wzajemnie kompensujące się. W rezultacie materiały te nie wykazują na zewnątrz własności magnetycznych. Inne materiały, których wewnętrzne pola magnetyczne prądów elementarnych nie są całkowicie skompensowane, wykazują własności magnetyczne mimo braku działania pola magnetycznego zewnętrznego. W każdym jednak przypadku zewnętrzne pole magnetyczne powoduje dodatkową orientację magnesów elementarnych pochodzących od prądów elementarnych, przy czym stopień magnetyzacji różnych materiałów jest różny. Z tego punktu widzenia materiały dzielimy na trzy zasadnicze grupy:

• Diamagnetyki

• Paramagnetyki

• Ferromagnetyki.

Mianem magnetyzacji J określamy zdolność materiału do magnesowania się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego o natężeniu H.

W diamagnetykach pole magnetyczne prądów elementarnych przeciwdziała polu magnetycznemu przyłożonemu z zewnątrz. W tych materiałach wypadkowa indukcja magnetyczna B jest mniejsza niż w próżni, tzn.

B<μ_oH

Przenikalność magnetyczna względna materiałów diamagnetycznych jest mniejsza od jedności (μ_r<1).

Do tej grupy materiałów należą m.in.: woda, kwarc, srebro, bizmut, miedź. Przenikalność magnetyczna względna bizmutu wynosi: μ_r =0,9998, a miedzi: μ_r =0,999991.

W paramagnetykach pole magnetyczne prądów elementarnych współdziała z polem magnetycznym przyłożonym z zewnątrz i wobec tego wypadkowa indukcja magnetyczna B jest większa niż w próżni, tzn.

B>μ_oH

a więc przenikalność magnetyczna względna materiałów paramagnetycznych jest większa od jedności (μ_o>1).

Do tej grupy materiałów należą m. in. platyna (μ_r=1,00027), aluminium (μ_r=1,00002), powietrze.

W ferromagnetykach pole magnetyczne prądów elementarnych współdziała z polem magnetycznym przyłożonym z zewnątrz, czyli tak jak materiały paramagnetyczne z tą różnicą, że wypadkowa indukcja magnetyczna B jest dużo większa niż w próżni, tzn.

B>>μ_oH

a więc μ_r>>1

Materiały te wykazują duży stopień magnetyzacji, przenikalność magnetyczna względna jest setki i tysiące razy większa od jedności. Do materiałów tych należą: żelazo, kobalt, nikiel oraz ich stopy.

Istotną cechą ferromagnetyków jest to, że ich przenikalność magnetyczna nie jest stała i zależy od natężenia pola magnetycznego H.

Jeżeli przez uzwojenie magnesujące będzie przepływał prąd przemienny, o okresowo zmiennym w czasie kierunku i natężeniu, wówczas materiał rdzenia będzie przemagnesowywany cyklicznie. Indukcja B w zależności od natężenia pola H będzie się zmieniała według zamkniętego obiegu, zwanego pętlą histerezy magnetycznej. Przy pierwszym magnesowaniu indukcja wzrasta wg pierwotnej krzywej magnesowania do wartości maksymalnej B_m. Po osiągnięciu tej wartości następuje zmniejszenie natężenia pola H do zera, przy czym indukcja maleje do wartości szczątkowej B_sz. Po zmianie kierunku natężenia pola na wartość ujemną, indukcja nadal maleje do wartości B=0, która osiąga przy ujemnej wartości H_k, zwanej natężeniem korekcji. Przy dalszym zwiększaniu natężenia pola w kierunku ujemnym indukcja rośnie również w kierunku ujemnym do wartości B_m. Po osiągnięciu tej wartości następuje zmniejszenie H do zera, połączone ze zmniejszeniem B do wartości B_sz itd. aż do zamknięcia obiegu.

Pętla histerezy magnetycznej.

Linia niebieska - pierwotna krzywa magnesowania.

2. Przyrządy.

- próbka o własnościach:

R1	R2	n1	n2	l	S	C1
Ω	KΩ	zw	zw	mm	mm^2	F
10	82	250	200	95,7	150	0,0000015

- Oscyloskop

- Zasilacz

- Woltomierz

3. Przebieg ćwiczenia.

. Podczas badania próbki układ zasilany jest napięciem z przedziału od 1 do 5 V.
Z oscyloskopu odczytujemy wartość maksymalną indukcji B_max, indukcję szczątkową B_sz, natężenie maksymalne H_max oraz natężenie korekcji H_k.

4. Pomiary i obliczenia.

Tabela pomiarowa.

	O_Bmax	O_Bsz	O_Hmax	O_Hk	U	Bmax	Bsz	Hmax	Hk
		cm	cm	cm	cm	V	Wb/m^2	Wb/m^2	A/m.	A/m.
	Sx=50mV Sy=20mV	1,4	0,5	1,4	0,5	1	0,11	0,04	18,3	2,6
		2,8	1,1	2,5	1,1	2	0,23	0,09	32,7	5,7
	Sx=50mV Sy=50mV	1,6	0,7	4	1,7	3	0,33	0,14	52,2	22,2
		2,2	0,9	6,1	2,1	4	0,45	0,18	79,7	27,4
Sx=0,2V Sy=50mV	2,7	1	2,6	0,7	5	0,55	0,21	135,8	36,6

Natężenie pola magnetycznego obliczamy ze wzoru:

Gdzie: U_x - wartość spadku napięcia na rezystorze R₁.

Indukcję pola magnetycznego wyznaczamy korzystając ze wzoru:

Gdzie: Uy - wartość spadku napięcia na kondensatorze.

5. Wnioski.

Próbka jest przykładem ferromagnetyka twardego. Materiały tego typu cechują się szeroką
i niską pętlą histerezy, indukcja szczątkowa jest duża, zbliżona do wartości maksymalnej,
a do ich rozmagnesowania potrzebne jest duże natężenie korekcji. Do materiałów ferromagnetycznych twardych należą stale węglowe hartowane oraz stopy magnetyczne, zawierające nikiel i kobalt niekiedy z domieszka aluminium. Wykorzystuje się je do wyrobu magnesów trwałych. Ponieważ pętla histerezy magnetycznej jest szeroka toteż straty mocy na przemagnesowywanie rdzenia z tego materiału są duże. Wynika to z tego, że są one proporcjonalne do pola ograniczonego pętlą histerezy.

3

Politechnika Świętokrzyska w Kielcach.

---