II AiR

Badanie materiałów ferromagnetycznych

Piotr Müller
Przemysław Rząsa
Paweł Mitka
Krzysztof Mientus
Michał Przybyła

1. Wstęp

1. Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami magnetycznymi materiałów używanych do budowy transformatorów. Ferromagnetyki są to materiały o bardzo dużej przenikalności magnetycznej. Mogą to być czyste metale, ale również ich stopy i tlenki, a także niemetale. Właściwości magnetyczne występują tylko w materiałach, które mają budowę krystaliczną, natomiast atomy muszą posiadać nieskompensowane spinowe momenty elektronowe.

   Po umieszczeniu próbki materiału ferromagnetycznego w polu magnetycznym, którego natężenie rośnie od zera, obserwujemy najpierw wzrost domen zgodnych z kierunkiem pola, później następuje skokowo orientacja domen. Towarzyszy temu silny wzrost indukcji. Gdy natężenie pola obniżymy do zera obrót niektórych domen jest już niemożliwy. Zjawisko to jest bezpośrednią przyczyną powstania pętli histerezy

gdzie:

B_r - indukcja pozostała po usunięciu pola magnetycznego,

H_c - natężenie pola potrzebne do rozmagnesowania ferromagnetyku.

Materiały miękkie posiadają wąską pętlę histerezy a twarde szeroką pętlę histerezy.
W zależności od zastosowania korzystniejsza może być węższa lub szersza (w magnesie trwałym) pętla histerezy

$H_{m} = \ \frac{1,11*U_{1}*\ Z_{1}\ }{R_{1}*\ L}$;
$B_{m} = \frac{U_{2}\ }{4,44\ *\ Z_{2}*f*S\ \ }$

Przykładowe obliczenia: Hm = (1,11*356*0,6)/(1*10,4)= 22,794

Br = 220/(4,44*2894*50*3,2) = 10,692 *10^-5

schemat układu badanego

1. Pomiary
   2.1 Tabela parametrów transformatorów:

Transformator	L [cm]	S[cm^2]	Z1	Z2
Tr 1	10,4	3,2	356	2894
Tr 2	25	8	166	1375
Tr 3	18,5	6,7	117	1780
Tr 5	22	7,5	200	2450

2.2 Tabela zależności Uwyjściowego od U wejściowego

U wejściowe	Uwy Tr 1	Uwy Tr2	Uwy Tr3	Uwy Tr5
35		0,065
45		0,08		0,07
55		0,09		0,09
65		0,1	0,06	0,1
75	0,076	0,12	0,07	0,12
80	0,080	0,135	0,08	0,13
90	0,09	0,16	0,09	0,15
100	0,1	0,19	0,10	0,18
110	0,116	0,22	0,115	0,2
120	0,13	0,25	0,13	0,23
130	0,15	0,3	0,15	0,24
140	0,17	0,35	0,17	0,29
150	0,2	0,42	0,19	0,32
160	0,23	0,47	0,22	0,35
170	0,28	0,54	0,26	0,38
180	0,33	0,64	0,32	0,42
190	0,38	0,75	0,4	0,46
200	0,45	0,85	0,5	0,51
210	0,52	1,05	0,62	0,56
220	0,6	1,23	0,76	0,61

2.3 Tabela obliczeń dla TR 1

U we [V]	U wy [V]	H [A/m]	B[T] *10^-5
35			1,701
45			2,187
55			2,673
65			3,159
75	0,076	2,88724	3,645
80	0,08	3,0392	3,888
90	0,09	3,4191	4,374
100	0,1	3,799	4,86
110	0,116	4,40684	5,346
120	0,13	4,9387	5,832
130	0,15	5,6985	6,318
140	0,17	6,4583	6,804
150	0,2	7,598	7,29
160	0,23	8,7377	7,776
170	0,28	10,6372	8,262
180	0,33	12,5367	8,748
190	0,38	14,4362	9,234
200	0,45	17,0955	9,72
210	0,52	19,7548	10,206
220	0,6	22,794	10,692

2.4 Tabela obliczeń dla TR 2

U we [V]	Uwy [V]	H [A/m]	B[T] *10^-5
35	0,065	0,47905	1,43325
45	0,08	0,5896	1,84275
55	0,09	0,6633	2,25225
65	0,1	0,737	2,66175
75	0,12	0,8844	3,07125
80	0,135	0,99495	3,276
90	0,16	1,1792	3,6855
100	0,19	1,4003	4,095
110	0,22	1,6214	4,5045
120	0,25	1,8425	4,914
130	0,3	2,211	5,3235
140	0,35	2,5795	5,733
150	0,42	3,0954	6,1425
160	0,47	3,4639	6,552
170	0,54	3,9798	6,9615
180	0,64	4,7168	7,371
190	0,75	5,5275	7,7805
200	0,85	6,2645	8,19
210	1,05	7,7385	8,5995
220	1,23	9,0651	9,009

2.4 Tabela obliczeń dla TR3

U we [V]	Uwy [V]	H [A/m]	B[T] *10^-5
35			1,32195
45			1,69965
55			2,07735
65	0,06	0,4212	2,45505
75	0,07	0,4914	2,83275
80	0,08	0,5616	3,0216
90	0,09	0,6318	3,3993
100	0,1	0,702	3,777
110	0,115	0,8073	4,1547
120	0,13	0,9126	4,5324
130	0,15	1,053	4,9101
140	0,17	1,1934	5,2878
150	0,19	1,3338	5,6655
160	0,22	1,5444	6,0432
170	0,26	1,8252	6,4209
180	0,32	2,2464	6,7986
190	0,4	2,808	7,1763
200	0,5	3,51	7,554
210	0,62	4,3524	7,9317
220	0,76	5,3352	8,3094

2.6 Tabela obliczeń dla TR5

U we [V]	Uwy [V]	H [A/m]	B[T] *10^-5
35			0,8575
45	0,07	0,7063	1,1025
55	0,09	0,9081	1,3475
65	0,1	1,009	1,5925
75	0,12	1,2108	1,8375
80	0,13	1,3117	1,96
90	0,15	1,5135	2,205
100	0,18	1,8162	2,45
110	0,2	2,018	2,695
120	0,23	2,3207	2,94
130	0,24	2,4216	3,185
140	0,29	2,9261	3,43
150	0,32	3,2288	3,675
160	0,35	3,5315	3,92
170	0,38	3,8342	4,165
180	0,42	4,2378	4,41
190	0,46	4,6414	4,655
200	0,51	5,1459	4,9
210	0,56	5,6504	5,145
220	0,61	6,1549	5,39

1. Wykresy B=f(H)

Dla TR1

Dla TR2

Dla TR3

Dla TR5

1. Pętle histerezy badanych próbek

TR1

H_c ~ 1,25 [A/m]

B_r ~ 3,3• 10^-5 [T]

TR2

H_c ~ 0,4[A/m]

B_r ~ 1,9• 10^-5 [T]

TR3

H_c ~ 0,6[A/m]

B_r ~ 2,5• 10^-5 [T]

TR5

H_c ~ 0,38[A/m]

B_r ~ 0,5• 10^-5 [T]

1. Wnioski:

Najszerszą pętlę histerezy obserwujemy w przypadku transformatora 2. Znaczy to, że jego rdzeń jest najtwardszy pod względem magnetycznym. Co za tym idzie, w tymże transformatorze występują największe straty i będzie się on się najbardziej grzał. Na drugim końcu zestawienia znadjduje się transformator nr 5, którego parametry są najkorzystniejsze.