A ferrimagnet mágneses tulajdonságainak tanulmányozása - megtanulni gőzzel!
Célkitűzés: ferromágnes mágneses tulajdonságainak tanulmányozása, a B (H) ferrit hiszterézis hurok paramétereinek mérésére oszcillográf segítségével.
Eszközök és tartozékok: laboratóriumi modell, OSU-20 oszcilloszkóp, alacsony frekvenciájú oszcillátor GAG-810.
A ferritek erős mágneses anyagok csoportjába tartoznak, amelyek kifejezett mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek. Mágneses tulajdonságokkal azt értjük, hogy egy anyag képes egy mágneses momentum megszerzésére, vagyis mágneses mező hatására mágnesezhető rajta. Az anyag mágneses tulajdonságait mágneses érzékenység jellemzi:
Ahol J a mágneses vektor a H erősségű mágneses térben. amely az anyag fizikailag kis térfogatú V egységének mágneses pillanata:
A (2) # 931, PI az atomok (molekulák) mágneses momentuma vektorösszege V. térfogatban.
A mágneses érzékenység értéke alapján # 967; az anyagok csoportokba sorolhatók. A ferro- és ferrimágnesek mágneses érzékenységét nagy értékek (legfeljebb 106) különböztetik meg, és nemlineárisan hatnak a mágneses térerősség H és a hőmérsékletre. Ilyen magas értékek # 967; ezek az anyagok spontán mágnesezhetősége, vagyis az elemi mágneses pillanatok spontán rendezése az így létrejövő mágneses pillanat kialakulásával, még külső mágneses mező hiányában is.
Ferromágneses anyagokat használnak, és ritkaföldfém elemeket. Ferritek (valamint egyéb mágneses oxidok) - Ferrimagnetek (nem fémes ferromágnesek). Ezek a MeO · Fe2O3 típusú vegyületek, ahol Me a Mn, Ni, Cu, Mg, Co, Zn, Cd, Fe két vegyértékű fémek kationjai. A ferromágnesekkel ellentétben a ferritek nagy elektromos ellenállással rendelkeznek, ami lehetővé teszi, hogy lényegesen kevesebb veszteséget érjenek el az örvényáramokon, és nagyfrekvenciákon használják.
A ferro- és ferrimagnetek egy mágnesesen rendezett anyagok csoportját alkotják. Az anyag spontán mágnesesen rendezett állapotát az atomok elektronainak elektrosztatikus (Coulomb) kölcsönhatásai okozzák. Ez a kölcsönhatás kvantum jellegű, kapcsolódik az atomok közötti atomcseréhez, ezért az Exchange-nek nevezik. Az átváltó erők egymással párhuzamosan irányítják az elektronok mágneses pillanatait. Ennek eredményeképpen a spontán mágnesesség kis területei jelennek meg - Domains. amelyek mindegyike a Curie-pont alatti hőmérsékleten a telítettségig mágnesezhető. Külső mágneses mező hiányában a ferro- és ferrimagneteket általában demagnetizálják, mivel a mágnesezés irányai az egyes tartományokban eltérőek és a teljes mágneses momentum nulla.
Amikor a megjelenése és növekedése a külső mágneses mező határok között, a domének váltás, növeli a térfogatát domének amelynek mágnesezési vektor már egybeesik a h vektort a külső mező (hegyesszöget), és csökkenti a hangerőt a domének, amelyek a mágnesezési vektor kevésbé egybeesik a h vektort a külső mező (tompaszöget szög). A mező megfelelő értékével a "veszteségmentes" domainek teljesen eltűnnek. Ezután kezd változtatni az irányt a mágneses momentum tartományon belüli, és végül, erős területen az összes momentuma domének párhuzamosan elrendezett területén: ferrimagnet (és ferromágneses) van mágnesezve, hogy a telítettség.
A ferrimagnetika és a ferromágnes közötti különbség a következő. A ferromágnesekben a csere kölcsönhatás az atomok belső (spin) mágneses momentumainak rendezett orientációjához vezet (közvetlen csere). A ferrimagnetikában a mágnesesen aktív fémkationokat nagy oxigén-diaméter-anionok választják el egymástól. Mivel a kationok közötti elektronikus csere valószínűsége gyorsan csökken a távolsággal, és az egymástól való távolság nagy, L. Neel modellje szerint a kationok oxigénionok között gerjesztett állapotban (közvetett csere) vannak. L. Neel javasolta, hogy vizsgálja meg egy ferrimágnet szerkezetét, amely több (két vagy több) mágneses részrácsból áll. A közvetett átvitel a megfelelő alrétegek ionjainak mágneses momentumainak párhuzamosan történő tájékozódásához vezet. Az eredményül kapott mágneses momentum a szubrácsok részleges mágneses momentumainak vektorösszege, és lehet zéró (antiferromagnet), vagy eltérhet a nullától (a tartományon belül) a ferrimagnetekben.
A mágneses mágneses indukció B indukcióból áll # 956; 0H. amelyet egy mágnesező tekerccsel, egy árammal és egy indukcióval hoztak létre, amelyet maga a mágnes mágnesezhet.
ahol # 956; 0 = 4π · 10-7 HN / m - A mágneses állandó, # 956; = 1+ # 967; - Az anyag mágneses permeabilitása. Mágneses permeabilitás az anyagban # 956; azt mutatja, hogy hányszor mágneses indukció mágnesben nagyobb, mint vákuumban.
A B indukció értéke egy ferritben (mint egy ferromágnesben) nemcsak a H értékétől függ. de a korábbi mágnesezési állapotoktól: az indukció változása elmarad a feszültségváltozás mögött. Ezt a jelenséget mágneses hiszterézisnek nevezik. A mágnesezés ciklikus megfordításához a B (H) függőség görbéjét hiszterézis huroknak nevezik (1.
Vannak Full vagy Limit (1. hurok az 1. ábrán) és Private (2. hurok az 1. ábrán) Mágneses fordított ciklusok. A szimmetrikus hiszterézis hurkok csúcsait összekötő vonalat a fő indukciós görbének nevezik (3. görbe az 1. ábrán).
A teljes ciklus elérése érdekében a ferrit mágnesesen telített (BS-ből BS-re), és a B értéke változik a Total (külső) hurok mentén. BR - maradék indukció, HC - kényszer erő (feszültség nagysága, maradék indukció eltávolítása).
Egy adott ciklus eléréséhez szükséges, hogy a külső térerõsség nem éri el a HS értéket. Az ilyen ciklusok készletet adhatnak a különböző maximális H értékekhez.
Ha bármely mágnes mágneses, akkor a munka elvégezhető. Hiszterézissel rendelkező mágnes esetén minden mágnesezési ciklusnál a hiszterézis hurok területével megegyező energiát vezetünk be a mágnes minden egyes térfogategységébe. Ez az energia hőtényezővé válik, amelyet figyelembe kell venni a váltakozó áram elektromos berendezéseinek kiszámításánál, hiszen a mágneseket hiszterézissel kell ellátni.
A laboratóriumi berendezés leírása
A B (H) ferrit hiszterézis hurok paramétereinek mérésére az oszcilloszkóp egy laboratóriumi beállítást használ, amelynek sémáját az 1. ábrán mutatjuk be. 2.
Az 1. ábrán. 2 számokkal jelzett: 1 - a gyűrű alakú magja, a vizsgált ferrit két tekercseléssel, 2 - ellenállás a primer tekercs áramkör, 3 - RC-lánc a szekunder tekercs áramkör, 4 - laboratóriumi modell, 5 - oszcilloszkóp GMS-20, 6 - alacsony frekvenciájú oszcillátor GAG-810.
Vizsgált mag - lágy mágneses mangán-cink-ferrit M1500NM1 márka, amely egy szilárd oldat mangán ferrit (MnOFe2O3) és cink-ferrit (ZnOFe2O3). A Curie pont (Neel), amely megfelel a paramágneses állapotba való átmenet hőmérsékletének # 952; K = 200 ° C.
A mag van kialakítva, mint egy négyszög alakú gyűrűt K20h12h6 (külső átmérője - 20 mm, belső - 12 mm, a magassága - 6 mm), a hatásos hossza a mágneses vonal L = 0,05 m, a hatékony keresztmetszeti terület S = 24 x 10-6 m2 .
Elrendezés elemek paraméterek: R 1 = 100 ohm, R 2 = 105 Ohm, és a C = 6,10 F, száma primer tekercsek (N 1) és a másodlagos (N 2) tekercselés: N 1 = N 2 = 250.
A vizsgált magra két tekercset (tekercset) szorosan rá és egymásra helyeznek. Ebben az esetben feltételezhetjük, hogy az egyik tekercs által létrehozott indukciós vonalak behatolnak a másodikba.
Az elsődleges tekercs egy szinuszos feszültséggenerátorhoz van csatlakoztatva. Az elsődleges tekercselés H [A / m] mágnesező mezőjének feszültsége arányos az árammal:
Ahol I1 [A] az elsődleges tekercs áram.
Az elsődleges áramkörben az R1 ellenállás be van kapcsolva, ami eltávolítja az U1 ÉS U feszültséget az oszcilloszkóp vízszintes eltérítési erősítőjére.
Az oszcillográf X-tengely mentén a B / mm-es dimenzióban az Ax tengelye felosztásának skáláját jelöli, így a H [A / m] mágnesező mező intenzitásának kifejezését kapjuk:
Ahol Kx = axN 1 / R 1L [A / mm · m], X [mm] az oszcilloszkóp-képernyő X tengelye mentén a koordináta kezdetéhez viszonyított koordinátája (sugár folt jel hiányában).
A szekunder tekercseléssel indukált U2 [V] feszültség:
Ahol B [T] a mágneses indukció a ferritben.
Így a mágneses indukció arányos az U 2 feszültségelemmel. Integrátorként olyan RC áramkört használnak, amelynek időállandója sokkal hosszabb, mint a bemeneti jel időtartama.
A kondenzátor teljes feszültsége az árammal kifejezve a következőképpen fejeződik ki:
Mivel az R2 >> 1 / # 969, C. és az áramot az R2 ellenállás határozza meg, majd az UC:
Így a mágneses indukció a következőképpen fejezhető ki:
UC feszültség alkalmazása az oszcilloszkóp függőleges eltérítő erősítőjének bemenetére. arányos a B-vel és az AY-val az oszcillográf osztási árát az Y tengely mentén B / mm méretben jelöli:
Ahol Ky = aY · CR2 / N2S [T / mm], Y [mm] az oszcilloszkóp-képernyő Y tengelye mentén lévő koordinátája a beolvasás kezdetéhez viszonyítva (sugárhelyzet jel hiányában).
A statikus mágneses permeabilitás értékét a következő képlet határozza meg:
A munka teljesítményének sorrendje
1. Szerelje össze az áramkört az 1. ábra szerint. 2.
Az elrendezés "X" pontjaihoz az oszcilloszkóp "CH1 (X)" csatornaját kell csatlakoztatni az "Y" - "CH2 (Y)" csatornákra.
2. Kapcsolja be az oszcilloszkópot, és néhány perc várakozás után használja a "POZÍCIÓ X" és a "POZÍCIÓ Y" beállításokat, hogy az izzó folt a képernyő közepére kerüljön. A "TIME / DIV" kapcsolót "X-Y" -ra kell állítani.
3. Kapcsoljuk be a generátor kapcsolót "csillapító (dB)", "0", a frekvencia beállítása generátor 150 ... 200 Hz (az érték 15 ... 20 skála és a frekvencia választó kapcsoló "FREQ. RANGE" a "x10"). Kapcsolja a "WAVE FORM" kimeneti hullámot "
"Szinuszos forma.
4. Állítsa a generátor "AMPLITUDE" gombját a jobb szélen. Kapcsolók „V / DIV” oszcilloszkóp elérni, hogy hiszterézishurok legtöbb megszállt a képernyőn, a szabályozók „változó” kell lennie a szélsőjobb.
5. Ha a hurok torz, cserélje ki az oszcilloszkóp Y-csatornájának kimeneteit. Ha a hurok a képernyő 2-4 negyedrészében van, nyomja meg az oszcilloszkóp NORM / INV gombját, hogy a hurok 1-3. Negyedben legyen. A "POSITION X" és a "POSITION Y" gombokkal állítsa a csuklópozíciót szimmetrikusan a képernyő közepére.
6. Határozzuk meg az X koordinátát a korlátozó hiszterézis hurok pontjánál Y = 0-ban, vagyis a HC kényszer erőnek megfelelő pontot. tegye az eredményt a táblázatba. 1.
Megjegyzés: A munka része a képernyő 8x10 szétválására, a Division 1 10 mm, egyes körzetekben az oszcilloszkópon tengelyek skálán osztva 5 szegmensek 2 mm egyes.
7. Határozzuk meg az Y koordinátát mm-ben a korlátozó hiszterézis hurok pontjánál, X = 0-ban, vagyis a BR maradék indukciónak megfelelő pontot. tegye az eredményt a táblázatba. 1.
8. Húzza ki a hiszterézis hurok határciklusát az oszcilloszkóp képernyőn.
9. Határozzuk meg a koordinátákat mm-es felső határa a hiszterézis hurok X és Y, tekintettel a központ vagy a kezdeti leolvasó (a bal alsó sarokban), tárolja az eredményt a táblázatban. 2.
10. A generátor "AMPLITUDE" vezérlőjével a képernyőn kisebb méretű (privát ciklusú) hurkok fognak megjelenni és a csúcs koordinátáit venni. Csináljon több mérést, amíg a hurok tűződik. Az eredményeket a táblázat tartalmazza. 2.
11. Számítsa ki a HC értékeket. H a (7) képlet szerint.
Megjegyzés: Ax értékét a V / mm méretben a "CH1 (X)" csatorna "VOLTS / DIV" kapcsolójának skála szerinti értékével határozzuk meg 10-el osztva.
12. Számítsa ki a BR, B képlet értékeit a (14) képlet segítségével.
Megjegyzés: Az AY értékét a V / mm méretben a "CH2 (Y)" csatorna "VOLTS / DIV" kapcsolójának skála szerinti értékével határozzuk meg 10-el osztva.
13. Számítsa ki az értékeket # 956; a (15) képlet segítségével.
14. Ismertesse a B (H) és a (B) fő indukciós görbék függésének grafikonjait # 956; (H).
15. A határhurok ábráján helyezzük el a H és B tengelyekbe ezeket az értékeket A / m és T méretben.
16. Rate határa a hiszterézis-hurok területen végzett munka egy mágnesezettség megfordításának térfogategységére mintaanyag ciklus, tekintettel arra, hogy 1 J / m3 = 1 T · A / m.
1. Milyen fizikai mennyiségeket használnak a mágneses mező jellemzésére?
2. Mi a kapcsolat a mágneses mező ereje és a mágneses indukció között vákuumban és mágnesezhető közegekben (mágnesek)?
3. Milyen mennyiségek és függések jellemzik az anyag mágneses állapotát?
4. Minőségi magyarázatot ad a ferro- és ferrimagnetizmus jellegére?
5. Mi a mágneses hiszterézis jelensége? Mik a hiszterézis korlátozó és különleges ciklusai?
6. Mi előnyös a ferritek felett a ferromágneseken?