Materiale feromagnetice

Materiale feromagnetice

1. Comportarea materialelor feromagnetice in camp magnetic

Cateva metale (Fe, Ni, Co) sau aliajele lor sunt materiale reprezentative pentru clasa materialelor feromagnetice. Acestea se caracterizeaza (la temperaturi inferioare temperaturii Curie) prin domenii (Weiss) magnetizate spontan la saturatie, dar orientate dezordonat in absenta unui camp magnetic exterior. Plasarea acestor materiale in camp magnetic are ca rezultat orientarea momentelor dipolare ale domeniilor in directia campului exterior. In medii magnetice se pot scrie relatiile:

rot=, div=0, =µ₀ (1)

iar aspectul liniilor de camp ale vectorilor si (din material) sunt exemplificate in Figura 1 pentru un cilindru feromagnetic plasat in campul (definit in absenta materialului).

Figura 1. Aspectul liniilor de camp pentru un cilindru feromagnetic.

Caracteristicile cele mai importante ale materialelor feromagnetice sunt curbele de magnetizare B = f(H) obtinute prin aplicarea unui camp progresiv crescator unui material initial demagnetizat.

2. Caracteristica B = f(H) si µ= f(H) pentru semnal mare

In Figura 2 sunt prezentate calitativ pentru un aliaj moale din punct de vedere magnetic pe baza de fier dependentele tipice ale permeabilitatii statice (campul aplicat este crescut lent) si inductia in material.

In cazul campurilor alternative se disting in general doua regimuri tipice de functionare:

regimul de "semnal mic" cu amplitudine redusa a campului alternativ H aplicat, suprapus sau nu, peste un camp continuu H₌;

regimul de "semnal mare" in care valoarea campului este suficienta pentru ca materialul sa descrie un ciclu de histerezis.

Figura 2. Dependentele µ(H) si B(H) pentru un aliaj moale

din punct de vedere magnetic

In Figura 3 sunt prezentate aceste regimuri posibile, definindu-se permeabilitatile uzuale: initiala (I), reversibila (II) si de amplitudine (III).

Figura 3. Permeabilitatile uzuale pentru materialele feromagnetice

Datorita pierderilor de energie prin curenti indusi (Foucault), histerezis, magnetizare, permeabilitatea magnetica a materialului se defineste (in complex simplificat) ca fiind:

(2)

unde B si H sunt fazorii inductiei si campului alternativ aplicat, iar _m este unghiul de pierderi.

Din relatia (2) rezulta ca are in general semnificatia definita in Figura 3, iar defineste factorul de calitate Q_m al materialului.

3. Caracrerizarea materialelor feromagnetice la semnal mare

Pentru a caracteriza regimul de "semnal mare" se va vizualiza pe ecranul osciloscopului ciclul dinamic de histerezis pentru un miez utilizand tehnica figurilor Lissajous.

Principial, se va utiliza schema din Figura 5.

Figura 5. Schema principiala pentru vizualizarea ciclului de histerezis.

Pentru deflexia pe orizontala (intrarea X):

(9)

de unde:

(10)

unde A_x este amplificarea pe canalul X al osciloscopului, iar k_x este factorul de scala corespunzator aceluiasi canal.

Pentru deflexia verticala:

(11)

(12)

deoarece:

(13)

Atunci:

(14)

unde A_y este amplificarea pe canalul Y, iar k_y este factorul de scala corespunzator aceluiasi canal.

Parametrii de scala pot fi calculati din (10) si (14):

(15)

4. Principiul de masura al materialelor feromagnetice la semnale mari

Cu ajutorul schemei din Figura 7 se vor vizualiza pe osciloscop curbele de histerezis dinamic pentru un material feromagnetic (circuit magnetic inchis) Tr₁ si pentru un material ferimagnetic in doua variante: Tr₂ ( circuit magnetic inchis) si Tr₃ (circuit magnetic cu intrefier). Infasurarile celor 3 transformatoare sunt identice ca geometrie si numar de spire (N = 1000 spire).

Figura 7. Montaj pentru vizualizarea caracteristicii de histerezis pentru diferite miezuri magnetice si pentru determinarea dependentei  = f(H).

Din relatiile (10) si (14) rezulta ca tensiunile in punctele de masura 1, 2 si 3 sunt proportionale cu inductia campului magnetic in miez B, iar caderea de tensiune pe rezistenta R₁ este proportionala cu intensitatea campului magnetic H.

Se calculeaza constantele de scara k_x si k_y folosind relatiile (15) si urmatorii parametri ai torului de substitutie pentru miezurile considerate:

l_e = 190 mm A_e= 190 mm² (18)

Se calibreaza osciloscopul cu ajutorul generatorului intern de semnal dreptunghiular, astfel incat amplificarea pe canalele X, respectiv Y sa fie A_x = 1V/div si A_y = 0,1 V/div.

Se executa montajul din Figura 7 utilizand ambele canale Y_(1,2) ale osciloscopului pentru a vizualiza simultan ciclurile de histerezis ale miezurilor de fier-siliciu Tr₁ (tabla de siliciu 4%) si ferita (fara intrefier) Tr₂ pentru a compara materialele. De asemenea, se vor vizualiza simultan ciclurile corespunzatoare miezului de ferita Tr₂ (circuit magnetic inchis, fara intrefier) si miezului de ferita cu intrefier Tr₃ pentru a pune in evidenta influenta intrefierului asupra proprietatilor magnetice de material.

Observatie: Inainte ca generatorul sa fie cuplat la retea nivelul acestuia va fi redus la minim pentru ca apoi sa fie crescut progresiv.

Se va lucra la frecventele f₁ = 50Hz sif₂ = 100Hz. Se vor lua, pe rand, campuri a caror amplitudine sa fie (masurate varf la varf) de 2, 4, 6, 8 si 10 diviziuni pe orizontala, notandu-se amplitudinile corespunzatoare ale inductiei B. Pentru Tr₁ si Tr₂ se va completa Tabelul 3. Se vor utiliza constantele de scara k_x si k_y pentru conversia din diviziuni in unitati magnetice, astfel ca:

H = k_x·nr.div/oriz.; B = k_y·nr.div/vert.

5. Stabilirea semnalului sinusoidal la generatorul Agilent 33220

.1 Se cupleaza aparatul apasand pe butonul de cuplat/ decuplat retea. 

5.2 Dupa cuplare, se consulta instructiunile de punere in functiune apasand pe butonul "Help".

5.3 Cu ajutorul barei de meniu " Selectia formelor de unda" se stabileste tipul de unda.  Parametri formei de unda, frecventa, amplitudine varf la varf, forma impulsurilor, durata, perioada, offset se stabileste cu ajutorul potentiometrului rotativ si a cursorului ( figura 4)

Figura 4

sau cu ajutorul tastaturii cu cifre, precum si cu butoanele " Meniu operare soft" care stabilesc parametri si unitatile de masura ( figura 5)

Figura 5

5.4 Pentru diverse forme de modulatie se foloseste butonul de modulatie si bara de meniu "modulatie/ baleiat / impuls scurt". Parametri de modulatie se stabilesc conform punctului 5.2

5.5 Odata stabilita forma de unda se apasa butonul "cuplat/ decuplat semnal iesire" pentru generarea acestuia.

5.6 Decuplarea aparatului. Se decupleaza generarea, apasand pe butonul "cuplat/ decuplat semnal iesire"  apoi pe butonul "cuplat/ decuplat" retea.

6. Determinarea permiabilitatii magnetice relative pentru miezul cu intrefier

(1)

in care:

^' este partea reala a permiabilitatii miezului magnetic, respectiv:

- unde δ reprezinta grosimea intrefierului, iar l este lungimea totala a miezului ( circuitul magnetic).