Общие сведения. ″Исследование точки Кюри магнитных материалов″

Лабораторная работа

″Исследование точки Кюри магнитных материалов″;

 

Цели работы: расчет параметров катушки индуктивности на ферромагнетике, исследование зависимости относительной магнитной проницаемости феррита от температуры, определение точки Кюри магнитного материала.

Приборы и принадлежности:катушка индуктивности с ферритовым сердечником, мост переменного тока для измерения индуктивности, термостат.

Общие сведения

Соленоид (1) представляет собой ферритовый тороид (рис. 1, а), на который намотано N витков медной проволоки. Параметры соленоида приведены в таблице 1) (см. уточнение на стенде).

Таблица 1

Параметры соленоида

Параметры	h, мм	D, мм	d, мм	N	L, Гн	R, Ом
Значение	6,5		3,2		Измеряются прибором (6)

Условное изображение соленоида приведено на рис. 5.10, б. Упрощенная схема замещения реальной катушки (соленоида), которая включает в себя идеальную катушку с индуктивностью L и резистор R _м, связанный с реальным сопротивлением медного провода, приведена на рис. 1, в.

Рис. 5.10. Внешний вид тороидальной катушки (а), УГО соленоида (б), схема замещения реальной катушки (в), векторная диаграмма соленоида (г), зависимость m(T)

Значение индуктивности L (Гн, H) соленоида и модуль комплексного сопротивления | Z | = Z (Ом, W) катушки измеряются прибором – мостом переменного тока, работающего на частотах f ₁ = 120 Гц и f ₂ = 1 кГц. Векторная диаграмма реальной катушки приведена на рис. 5.10, г.

Через соленоид пропускается I, который создает магнитное поле напряженности Н (I), монотонно возрастающей при увеличении тока I по закону полного тока: H (I) l _ср = iN, Н (I)= IN / l _ср, где l _ср – ″средняя″ длина тороида: l _ср = p(D + d)/2. В итоге: Н (I)= 2 IN /p(D + d).

C помощью моста переменного тока измеряется индуктивность L цепи и модуль комплексного сопротивления цепи

| Z | = (R _м² + Х_L ²)^1/2 = [ R _м² + (w L)²]^1/2,

где Х_L = w L = 2p fL – реактивное сопротивление идеальной катушки, f и w - частота (Гц) и круговая частота (рад/с) моста переменного тока.

Заметим, что на величину комплексного сопротивления | Z | катушки оказывают влияние:

– температура Т, по мере увеличения которой к температуре Кюри Т _к, индуктивность L и реактивное сопротивление Х_L = w L – падают;

– частота, по мере увеличения которой Х_L = w L – уменьшается;

– температура Т, влияющая на сопротивление R _м металла проволоки (меди): при увеличении Т значение R _м линейно растет.

Поэтому увеличение температуры T, приводящее к уменьшению значения m, и, соответственно, L, Х_L, может приводить как к уменьшению, так и увеличению | Z |, измеряемого мостом переменного тока.

Величина индукции магнитного поля в объеме сердечника определяется соотношением: В (Н) = mm₀ H (I)= mm₀ IN / l _ср. Магнитный поток в сердечнике определяется как Ф = ВS; а потокосцепление Ψ = N Ф = ВS = ( mm₀ N ² S / l _ср) I: Взаимосвязь между Ψ и I определяется как: Ψ = LI.

Индуктивность L соленоида на основе тороида рассчитывается по соотношению: L = mm₀ N ² S / l _ср, где S – сечение, равное S = h ·(D – d)

По данным экспериментального определения индуктивности L тороидальной катушки, можно рассчитать величину m: m = Ll _ср /m₀ N ² S. В итоге получаем: В (I)= IL (I)/ NS.

После точки Кюри (Т > T _К) магнитная проницаемость материала падает до значения m = 1 (рис. 1, д), так что фактически катушка индуктивности представляет собой катушку с воздушным сердечником, индуктивность которой рассчитывается по соотношению: L_{Т >T К} = m ₀ N ² S / l _ср.

В процессе эксперимента осуществляется измерение индуктивности L (T), Z (T), w, и на основе приведенных выше соотношений (1) – (15) рассчитываются величины: m(I), X_L, R _м.