МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра микро-нано электроники ОТЧЕТ по лабораторной работе №8 по дисциплине «материалы электронной техники» ТЕМА: ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Студент гр. 1403 Карпенко К.А. Самойлов Д.В. Майоров Е.Е. Преподаватель Фирсов Д.Д. Санкт-Петербург 2024 Теоретические сведения К ферромагнитным относят материалы с большой положительной магнитной восприимчивостью kм, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля H и температуры T. Ферромагнетикам присуща в интервале температур от 0 К до температуры Кюри ТK спонтанная (самопроизвольная) намагниченность и их особые свойства обусловлены доменным строением. Для осуществления спонтанной намагниченности необходимо выполнение, по крайней мере, двух условий: ● в состав материала должны входить атомы или ионы металлов, имеющих не полностью заполненные внутренние, например 3d, электронные оболочки, создающие нескомпенсированный магнитный момент атома (иона) (к таким металлам относятся железо, никель, кобальт и др.); ● структура материала должна быть такой, чтобы силы обменного взаимодействия между этими атомами (ионами) приводили к взаимному упорядочению их магнитных моментов. При воздействии на ферромагнетик внешнего магнитного поля происходит перестройка его доменной структуры, что и приводит к намагничиванию ферромагнетика (рис. 8.1). Важнейшим свойством ферромагнетиков является нелинейная зависимость внутренней магнитной индукции В от напряженности внешнего магнитного поля Н. Эту зависимость называют кривой намагничивания ферромагнетика (рис. 8.2). 2 По кривой намагничивания ферромагнетика строится зависимость статической магнитной проницаемости µст от напряженности магнитного поля H. Величину статической магнитной проницаемости определяют по формуле: µст = B/(µ0 H), где µ0 = 4π .10−7 Гн/м – магнитная постоянная. Если после намагничивания образца до насыщения величину внешнего магнитного поля медленно уменьшить до нуля, то индукция в нуль не обратится, а примет значение Вr, которое называют остаточной индукцией (рис. 8.3). Чтобы довести магнитную индукцию до нуля, необходимо приложить поле противоположного направления с напряженностью, называемой коэрцитивной силой Нc. В зависимости от численного значения Нc, ферро- магнетики делят на магнитомягкие (ММ) и магнитотвердые (МТ): H c MM <H . c MT Остаточная индукция и коэрцитивная сила являются параметрами статической предельной петли гистерезиса (ПГ), которую получают при медленном циклическом перемагничивании намагниченного до насыщения образца ферромагнетика. Совокупность вершин статических ПГ, соответствующих разным Нm , образуют основную кривую намагничивания. 3 Описание установки Испытания свойств ферромагнитных материалов проводятся на установке, схема которой приведена на рисунке: Установка состоит из испытательного модуля (выделен), генератора синусоидальных сигналов звуковой частоты, милливольтметра переменного напряжения и осциллографа. Испытуемый материал изготовлен в виде тороидального сердечника, на который нанесены две обмотки: первичная с числом витков w1 и вторичная с числом витков w2. На пластины горизонтального отклонения осциллографа (вход канала Х) подается напряжение, снимаемое с резистора Rт (UX = UR, ). Это напряжение пропорционально току I, протекающему в обмотке w1 следовательно, пропорционально и напряженности магнитного поля Н. 4 5. Вычислим напряжение на катушке индуктивности с испытуемым сердечником UL, индуктивность катушки L и эффективную магнитную проницаемость μэф: 𝑈𝐿 = √𝑈Вх − 𝑈𝑅2 = √420 − 30 = 19,7479 𝑈𝐿 𝑈𝑅 𝐿= , где 𝐼 = ; 2𝜋𝑓𝐼 𝑅𝑇 𝑈𝐿 19,74 ⋅ 10−3 𝐿= = = 0,021(Гн) 2𝜋𝑓𝐼 2 ⋅ 3,14 ⋅ 50 ⋅ 30 ⋅ 10−4 2𝜋𝐿𝑟ср 2 ⋅ 3,14 ⋅ 0,025 ⋅ 0,021 𝜇эф = = = 2625 𝜇0 𝑊1 𝑆 4 ⋅ 3,14 ⋅ 10−7 ⋅ 1002 ⋅ 1 ⋅ 10−4 f, Гц UR, мВ UВХ, мВ L, Гн μэф 50 75 100 150 200 400 600 800 30 30 30 30 30 30 30 30 420 800 1050 1320 1580 2000 2490 2750 0,021 0,019 0,017 0,012 0,010 0,0058 0,0043 0,0034 2205 1995 1785 1260 1050 609 451 357 6. По полученным данным построим частотную зависимость эффективной магнитной проницаемости μэф(f). 5 Ответы на вопросы 1. Какова природа ферромагнитного состояния вещества? Для осуществления спонтанной намагниченности необходимо выполнение, по крайней мере, двух условий: 1. В состав материала должны входить атомы или ионы металлов, имеющих не полностью заполненные внутренние, электронные оболочки, создающие некомпенсированный спиновый момент атома (иона) 2. структура материала или взаимное расположение атомов должны быть такими, чтобы силы обменного воздействия между этими атомами (ионами) приводили к взаимному упорядочению их магнитных моментов. 2. Как классифицируют вещества по магнитным свойствам? ● По реакции на внешнее магнитное поле и по характеру внутреннего магнитного упорядочения вещества можно разделить на ● диамагнетики; ● парамагнетики; ● ферромагнетики; ● Диамагнетики – магнитная проницаемость m меньше единицы и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. ● Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электрона при внесении атома в магнитное поле. ● Диамагнитный эффект является универсальным, присущим всем веществам. Однако в большинстве случаев он маскируется более сильными магнитными эффектами. ● К диамагнетикам относят инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть и др.), большинство полупроводников и органических соединений. Диамагнетики – все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии. ● Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля. Парамагнетики – вещества с m больше единицы, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении. Парамагнетики, помещенные в магнитное поле, втягиваются в него. 6 К числу парамагнетиков относятся: кислород, окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. Парамагнитный эффект по физической природе во многом сходен с дипольнорелаксационной поляризацией диэлектриков. К ферромагнетикам относят вещества с большой магнитной проницаемостью (до106), сильно зависящей от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях. 3.Что называют намагниченностью вещества, в каких единицах ее измеряют? Намагниченность вещества – это магнитный момент единицы объема M = pm/V. Измеряется в Ампер на метр (А/м). 8 Каким образом на экране осциллографа можно получить петлю Гистерезиса? Чтобы получить на экране осциллографа петлю гистерезиса, нужно на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение Ux, пропорциональное напряженности Н магнитного поля в образце, а на вертикально отклоняющие пластины - напряжение Uy, пропорциональное магнитной индукции В. За один период синусоидального изменения тока след электронного луча на экране опишет полную петлю гистерезиса, а за каждый последующий период в точности её повторит. 9. Площадь петли гистерезиса характеризует энергетические затраты на процесс перемагничивания и зависит от физических свойств ферромагнетика и его металлографической структуры. Магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса, а магнитотвёрдые материалы – широкую. Коэрцитивная сила определяет ширину петли гистерезиса и, как следствие этого, область применения материала в технике. 10. Назовите основные виды потерь в ферромагнитных сердечниках. Какие потери и почему преобладают на высоких частотах? Какие способы уменьшения магнитных потерь Вам известны? 7 В катушке с ферромагнитным сердечником могут возникать различные виды потерь, которые влияют на эффективность работы устройства. Рассмотрим основные виды потерь: Потери в проводнике Потери в проводнике возникают из-за сопротивления материала провода. При прохождении электрического тока через проводник, часть энергии превращается в тепло из-за взаимодействия электронов с атомами проводника. Эти потери называются потерями Джоуля и обычно пропорциональны квадрату силы тока и сопротивлению провода. Потери в сердечнике Потери в сердечнике возникают из-за намагничивания и демагничивания материала сердечника при изменении магнитного поля. Эти потери называются гистерезисными потерями и зависят от свойств материала сердечника, его геометрии и частоты изменения магнитного поля. Потери из-за электромагнитных вихрей Потери из-за электромагнитных вихрей возникают из-за индукции электрических токов в материале сердечника. При прохождении переменного магнитного поля через сердечник, электрические токи начинают циркулировать внутри материала, что приводит к потерям энергии в виде тепла. Потери из-за магнитного рассеяния Потери из-за магнитного рассеяния возникают из-за несовершенства конструкции сердечника и его окружения. Неконтролируемые магнитные поля могут проникать в сердечник и вызывать потери энергии в виде тепла. Все эти потери в сумме могут значительно влиять на эффективность работы катушки с ферромагнитным сердечником. Поэтому важно учитывать потери при проектировании и использовании катушек с ферромагнитными сердечниками и применять методы для их снижения. Нагрев и перегрев Потери в катушке могут вызывать нагрев и перегрев компонентов. Это может быть особенно проблематично в случае катушек, работающих при высоких токах или частотах. Перегрев может привести к снижению эффективности работы катушки, а также к повреждению компонентов и сокращению их срока службы. В целом, понимание и учет потерь в катушке с ферромагнитным сердечником является важным аспектом проектирования и использования электротехнических устройств. Оптимизация конструкции и материалов 8 катушки может помочь снизить потери и повысить эффективность работы устройства. 9
