background image

 

Katedra Transportu  

Szynowego 

LABORATORIUM 

ELEKTROTECHNIKI 

 

W

YDZIAŁ 

 

T

RANSPORTU

 

 

 

ĆWICZENIE 

9 

MATERIAŁY MAGNETYCZNE, EFEKTY 

JOUEL’A I VILLARIEGO, EFEKTY 

MAGNETOSPRĘŻYSTE W MATERIAŁACH 

FERROMAGNETYCZNYCH

 

 

STRONA

 

1

 Z 

12

 

 
 

 

I. 

CEL 

 

Poznanie  podstawowych właściwości magnetycznych oraz sposobów ich pomiaru 

 

II. 

ZESTAW OPRZYRZĄDOWANIA DO ĆWICZENIA 

 

Oscyloskop, 

 

Cewka magnesująco – pomiarowa, 

 

Generator, 

 

Próbki materiału ferromagnetycznego. 

 

III. 

SPOSÓB POSTEPOWANIA 

 

Zbudować układ przedstawiony na rys. 3.1. 

 

 

 
 
Rys. 3.1. Schemat ideowy do badania efektów magnetosprężystych 
 
 
 

background image

 

 

Ustawić za pomocą generatora funkcyjnego następujące parametry wejściowe: 

- częstotliwość f = 40 Hz , 

      -  napięcie 0,40 V (odczyt z miernika napięcia), 

 

 

Zaobserwować  pętle  histerezy  magnetycznej  dla  pustej  cewki  oraz  dla  materiału 

ferromagnetycznego trzech próbek (zakres X-Y na ekranie oscyloskopu), 

 

 

Zarejestrować  położenie  punktów  charakterystycznych  pętli  histerezy  (rys.  4.1)  
w  ilości  działek  od  punktu  (0,0).  Zanotować  wartości  Dx  i  Dy  
(wzmocnienie X i Y), 

 

 

Operację przeprowadzić dla różnych rodzajów rdzenia tj.: 

-  rdzeń oznaczony kolorem czerwonym – stal P 54 A 

-  rdzeń oznaczony kolorami czerwony/zielony – stal P 55 AT 

-  rdzeń oznaczony kolorem niebieskim – stal P 54 T 

-  rdzeń nie oznaczony kolorem – stal P 60 T  

 

 

Zaobserwować  zmiany  w  parametrach  magnetycznych  materiału  pod  wpływem 

naprężenia materiału,  

 

 

IV. 

WSTĘP TEORETYCZNY 

 
4.1.  POMIARY WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW MAGNETYCZNYCH 

Z  materiałów  magnetycznych  wykonuje  się  rdzenie,  magnesy,  magnetowody  itp.  

w maszynach elektrycznych, transformatorach, dławikach i różnych aparatach elektrycznych. 

Rozróżnia się dwie zasadnicze grupy materiałów magnetycznych: 

 

1. Materiały magnetyczne twarde o szerokiej pętli histerezy – stosowane na magnesy. 

2.  Materiały  magnetyczne  miękkie  o  wąskiej  pętli  histerezy,  dużej  przenikalności  stosowane    

na rdzenie w przemiennym polu magnetycznym. 

 

 

 

 

background image

 

 

 

 

Rys. 4.1. Pętla histerezy z zaznaczonymi punktami charakterystycznymi 

 

Jakość  materiału  magnetycznego  ma  duży  wpływ  na  działanie  urządzenia,  w  którym  jest 

zastosowany. 

Właściwości  materiałów  magnetycznych  tzw.  ferromagnetyków  określa  się  wieloma 

parametrami.  Najbardziej  uniwersalną  charakterystyką  materiału  magnetycznego  jest  pętla  

histerezy (rys. 4.1). Pętla ma sześć punktów charakterystycznych: dwa wierzchołki (H

m

, B

m

) i (-H

m

-B

m

), dwa punkty remanencji (0, B

r

) i (0, -B

r

) przy H = 0 oraz dwa punkty koercji (H

c

, 0) i (-H

c

, 0) 

przy  B  =  0.  Przy  osiągniętej  indukcji  nasycenia  B

m

  występuje  graniczna  pętla  histerezy.  Indukcji 

nasycenia odpowiadają punkty charakterystyczne H

c

 i B

r

Krzywa komutacyjna magnesowania B

m

 (H

m

) jest miejscem geometrycznym wierzchołków 

rosnących  pętli  histerezy.  Rozróżnia  się  statyczną  krzywą  komutacyjną  —  wyznaczoną  prądem 

stałym oraz dynamiczne krzywe magnesowania wyznaczane prądem przemiennym. 

Stosunek  wartości  indukcji  „B”  i  natężenia  „H”  określa  przenikalność  magnetyczną 

(wielkość bezwymiarową): 

                                     

                                                             (4.1) 

 

background image

 

 

 

gdzie : 

   

μ

0

 to przenikalność magnetyczna próżni. 

 

 

Rys. 4.2. Rodzaje próbek magnetycznych: a) pierścieniowa; b) ramowa; c) prosta zamocowana w 

jarzmie 

 

Stratność  magnetyczna  świadczy  o  mocy  wydzielanej  w  1  kg  rdzenia  w  zmiennym  polu 

magnetycznym - wyraża się ją w W/kg. 

Dla  różnych  potrzeb  określa  się  liczne  odmiany  parametrów  materiałów  magnetycznych.  

Są  to  wielkości  statyczne  i  dynamiczne  wyznaczone  z  wartości  przemiennych  maksymalnych, 

średnich, skutecznych i inne. 

Do  badania  materiałów  magnetycznych  przygotowuje  się  próbki  w  różnych  postaciach.  

W większości badań próbka materiału powinna tworzyć zamknięty obwód magnetyczny. 

Próbka  pierścieniowa  (rys.  4.2a)  zapewnia  zamknięcie  całego  strumienia  Φ  w  badanym  materiale 

bez rozproszenia. Kształt ten jest najkorzystniejszy, jednak trudny do wykonania i kłopotliwy przy 

nawijaniu cewek pomiarowych. 

Do  masowych  badań  stosuje  się  próbki  ramowe  (rys.  4.2b)  złożone  z  pasków  blachy 

umieszczonych w cewkach na specjalnej ramie. 

Badania małych prostych próbek magnetycznych w postaci prętów lub blach przeprowadza 

się w specjalnych jarzmach (rys. 4.3c). Jarzma wykonuje się z materiałów o dużej  przenikalności 

magnetycznej  i  o  dużym  przekroju  -  znacznie  większym  niż  próbki.  Zapewnia  to  bardzo  małą 

reluktancję  (opór  magnetyczny)  w  porównaniu  z  reluktancją  próbki.  Jarzma  wyposażone  

w uzwojenia pomiarowe są nazywane permeametrami jarzmowymi. 

background image

 

 

 

 

4.2. Metoda oscyloskopowa badania ferromagnetyków 

Najprostszą  i  najszybszą  metodą  badania  właściwości  dynamicznych  materiałów 

ferromagnetycznych  jest  metoda  oscyloskopowa.  Obraz  pętli  histerezy  otrzymuje  się  na  ekranie 

oscyloskopu. W tym celu do płytek odchylenia poziomego lampy oscyloskopowej doprowadza się 

napięcie  u

H

,  proporcjonalne  do  wartości  chwilowych  natężenia  pola  H(t),  natomiast  do  płytek 

odchylania  pionowego  doprowadza  się  napięcie  u

B

,  proporcjonalne  do  wartości  chwilowych 

indukcji B(t) w badanej próbce. 

 

 

Rys. 4.3. Układ do wyznaczania pętli histerezy za pomocą oscyloskopu 

 

Układ  pomiarowy  do  wyznaczania  dynamicznej  pętli  histerezy  przy  użyciu  oscyloskopu 

przedstawia  rys.  4.3.  Napięcie  proporcjonalne  do  natężenia  pola  H  otrzymuje  się  jako  spadek 

napięcia  na  niewielkiej  rezystancji  R

1

,  włączonej  w  obwód  prądu  i

m

  magnesującego  próbkę. 

Ponieważ 

                                     

                                                                         (4.2) 

to 

                                               

                                                                        (4.3) 

a także 

background image

 

                         

                                                       (4.4) 

 przy  czym:      N

1

  liczba  zwojów  uzwojenia  magnesującego;  l  -  średnia  długość  drogi  strumienia 

magnetycznego  w  próbce;  k

H

  —  stała  układu  pomiarowego.  Napięcie  e

2

(SEM), 

indukowane  w  uzwojeniu  wtórnym  nawiniętym  na  próbce,  jest  proporcjonalne  do 

pochodnej indukcji magnetycznej B(t).  

 

 

 

Chcąc uzyskać napięcie proporcjonalne do indukcji, całkuje się napięcie e

2

(SEM). Funkcję 

tę  spełnia  układ  całkujący  złożony  z  opornika  R

2

  i  kondensatora  C  (rys.  4.3).  Napięcie  na 

kondensatorze C opisuje zależność 

                                           

                                                                   (4.5) 

 

Przy dużej stałej czasowej, tzn. gdy 

  

X

= 1/ωC 

można zapisać 

                   

                            (4.6) 

stąd 

                                            

                                                   (4.7) 

przy  czym:  N

2

  -  liczba  zwojów  uzwojenia  wtórnego;  S  -  przekrój  poprzeczny  próbki;  k

B

  -  stała 

układu pomiarowego. 

Układ  całkujący  powinien  mieć  możliwie  dużą  impedancję  wejściową,  by  prąd  

i

2

 praktycznie nie obciążał uzwojeń próbki. Znając wartości liczbowe stałych k

H

 i k

B

 oraz czułości 

oscyloskopu  można  poszczególnym  punktom  na  pętli  histerezy,  oglądanej  na  ekranie, 

background image

 

przyporządkować wartości liczbowe B i H. 

Z pola powierzchni pętli histerezy można wyznaczyć stratność badanej próbki. 

Dokładność  wyznaczania  wartości  B  i  H  metodą  oscyloskopową  nie  jest  duża;  błędy 

osiągają  wartości  od  ok.  5  do  10%.  Oscyloskopowe  badania  materiałów  magnetycznych  

są  szczególnie  korzystne,  wówczas  gdy  zachodzi  potrzeba  pomiaru  przy  częstotliwościach 

większych niż sieciowe (do kilku kHz). 

Opisane  powyżej  zasady  pomiarów  wielkości  magnetycznych  są  wykorzystywane  

w  konstrukcjach  licznych  przyrządów  elektronicznych  przeznaczonych  do  pomiarów 

magnetycznych.  Produkowane  są  cyfrowe  strumieniomierze,  koercjometry,  permeametry, 

histerezografy i inny sprzęt wyspecjalizowany. 

Przykładowo, współczesne histerezografy wykreślają automatycznie, za pomocą rejestratora 

X-Y,  pętlę  histerezy  badanej  próbki.  Dokładny  wykres  pętli  otrzymuje  się  na  dużym  formacie 

papieru, jest to zwykle tzw. quasistatyczna pętla histerezy, czyli wyznaczona przy bardzo wolnych 

zmianach prądu magnesującego. 

Nowoczesne 

permeametry, 

współpracujące 

mikrokomputerem, 

służą 

do 

zautomatyzowanych  badań  próbek  magnetycznych.  Umożliwiają  wyznaczanie  różnych 

charakterystyk  magnetycznych  próbki  i  określanie  liczbowe  badanych  parametrów  takich  jak 

indukcja  nasycenia  B

nas

,  natężenia  pola  nasycenia  H

nas

,  remanencja  B

R

,  koercja  H

C

  przenikalność 

początkowa μ

P

 przenikalność maksymalna μ

max

 itp. 

 

4.3. Efekty JOUEL’A i VILLARIEGO 

Począwszy  od  1842  r.,  w  którym  to  odkryty  i  zdefiniowany  został  przez  Joule’a  efekt 

magnetyczny,  znany  powszechnie  pod  nazwą  magnetostrykcji,  odkryto  kolejnych  9  efektów 

magnetycznych (rys. 4.4)  

background image

 

 

 

                                               Rys. 4.4. Znane efekty magnetyczne 

 

Ferromagnetyk  poddany  działaniu  pola  magnetycznego  reaguje  zmianą  długości  Δl/l. 

Oprócz zmian długości w ferromagnetykach występują równolegle zmiany objętości ΔV/V.  

Zjawiskiem odwrotnym do magnetostrykcji jest magnetoelastyczna konwersja polegająca na 

zmianie  parametrów  magnetycznych  ferromagnetyków  pod  wpływem  naprężeń  zewnętrznych. 

Efekt  ten  nazywamy  efektem  Villariego  i  jest  szczególnie  przydatny  w  badaniach  naprężeń  

i zjawisk zmęczeniowych. 

 

4.3.1. Związki magnetomechaniczne efektu Villariego 

Zmiana  podatności  magnetycznej  związana  jest  ze  zmianą  przenikalności  względnej 

materiału  od  naprężeń.  Przenikalność  względna  μ

r

  ferromagnetyka  poddanego  naprężeniom  

o opisana jest wzorem  

                                

                                                                  (4.8) 

background image

 

 

Podatność  magnetomechaniczna  ferromagnetyków  określamy  współczynnikiem  d  jak  

i współczynnikiem magnetostrykcji λ. Oba współczynniki są sobie równe. Dla ferromagnetyków są 

one poza przypadkami szczególnymi różne od zera . 

 

4.3.2. Magnetostrykcja i magnetoelastyczna konwersja efektu Villariego 

 

Ferromagnetyk  poddany  działaniu  pola  magnetycznego  podlega  zmianą  długości.  Dla 

magnetyków miękkich zmiany te wahają się w granicach – 35 · 10

-6

  ÷ +100 · 10 

-6

. Dla wysokich 

natężeń pól  magnetycznych współczynnik  ten dochodzi  do 2000 · 10 

-6

.  Efekt  ten  znany  jest  pod 

nazwą magnetostrykcja. Oprócz zmian długości w ferromagnetykach występują równolegle zmiany 

objętości zmiany te dla czystego żelaza przedstawiono na rys. 4.5. 

 

Rys. 4.5. Magnetostrykcja długości i objętości żelaza 

 

background image

 

10 

Magnetostrykcja  (rys.  4.6)  jest  zjawiskiem,  które  polega  na  tym,  że  przy  namagnesowaniu 

następuje  zmiana  rozmiarów  próbki.  Istnienie  tego  zjawiska  świadczy  o  istnieniu  oddziaływania 

pomiędzy 

namagnesowaniem 

naprężeniem 

kryształu. 

Obecność 

oddziaływania 

magnetoelastycznego  powoduje  zmianę  wartości  namagnesowania  pod  wpływem  naprężenia. 

Zjawisko to zwane jest efektem Villariego. 

Najwięcej  badań  przeprowadzono  nad  magnetostrykcją  liniową,  którą  definiuje  się  jako 

mierzoną w danym kierunku zmianę długości dl przypadającą na długość jednostkową tj. δl/l

Magnetostrykcja  może  być  dodatnia  lub  ujemna  w  zależności  od  tego  czy  mamy  do 

czynienia  z  rozszerzaniem  lub  kurczeniem  materiału.  Ponadto  dla  niektórych  materiałów  (np. 

permaloju o składzie 82% Ni i 18% Fe) magnetostrykcja równa jest prawie zeru. 

 

 

 

Rys.  4.6.  Rodzaje  magnetostrykcji  ferromagnetyków  a)  Magnetostrykcja  liniowa  zerowa,  b) 

magnetostrykcja dodatnia, c) magnetostrykcja ujemna 

 

 

 

background image

 

11 

Magnetostrykcja liniowa definiowana jest następującą zależnością: 

                                                         

                                                                          (4.9) 

gdzie: 

δl  -  przyrost  długości  próbki  w  przypadku  magnetostrykcji  dodatniej,  lub  zmniejszenie 

długości próbki przy magnetostrykcji ujemnej, 

l   - długość początkowa próbki. 

 

Z  magnetostrykcją  związany  jest  także  efekt  zmiany  modułu  sprężystości  E.  Zjawiskiem 

odwrotnym  do  magnetostrykcji  jest  magnetoelastyczna  konwersja  polegająca  na  zmianie 

parametrów magnetycznych ferromagnetyków pod wpływem naprężeń zewnętrznych. 

 

V. 

OPRACOWANIE WYNIKÓW 

 
5.1. Dla każdej próbki stali, na podstawie zarejestrowanych obrazów pętli histerezy 

(odnosząc się do wzorów  5.1 i 5.2 i rys. 4.1), wyznaczyć wartości parametrów: Hc, Hm, 

Br, Bm. 

Natężenie  pola  magnetycznego H przypadające   na  działkę d osi  X  oscyloskopu pomiarowego 

dla wykonanego układu wyznaczono z zależności: 

                                          

                                      (5.1) 

gdzie:  

Dx  - współczynnik odchylania wzmacniacza X (V/cm), 

z

1

 - liczba zwojów uzwojenia pierwotnego = 400, 

R

1

 - szeregowa rezystancja w uzwojeniu pierwotnym = 1 [Ω],  

L - średnia droga strumienia magnetycznego = 100 [mm]. 

background image

 

12 

 

Przy znanym współczynniku odchylania oscyloskopu w kierunku osi Y indukcja magnetyczna dla 

działki d odchylenia osi Y oscyloskopu wyznaczana jest z zależności: 

                                                              (5.2) 

gdzie:  

R - rezystancja układu całkującego = 4,7 [kΩ], 

C

C

 - pojemność układu całkującego = 6,7μF,  

Dy - współczynnik odchylania wzmacniacza (V/cm),  

z

2

 - liczba zwojów uzwojenia wtórnego = 8000,  

S - przekrój rdzenia = 0,04 cm

2

Wyznaczone przeliczniki wartości natężenia pola magnetycznego H oraz indukcji magnetycznej B 

na 1 działkę ekranu oscyloskopu służą do skalowania przebiegów pętli histerezy magnetycznej. 

5.2. Na podstawie wyników określić która stal charakteryzuje się największym parametrem 

przenikalności magnetycznej. 

VI. 

ZAGADNIENIA DO ZALICZENIA ĆWICZENIA 

  Efekt Villariego, 

  Magnetostrykcja, 

 

Pętla histerezy, 

 

Zastosowanie badań magnetycznych. 

 

VI. LITERATURA 

1.  B. Miedziński „Elektrotechnika podstawy i instalacje elektrotechniczne” PWN Warszawa 2000 

2.  H. Rawa „Elektryczność i magnetyzm w technice” PWN Warszawa 2001 

3.  A Chwaleba M. Poniński, A Siedlecki „Metrologia elektryczna” WNT Warszawa 2000 

4.    R. Sikora „Teoria pola elektromagnetycznego” WNT Warszawa 1997