МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И МОЛОДЁЖНОЙ ПОЛИТИКИ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ
1. Дать понятие о магнитных измерениях, раскрыть характеристики измерения магнитного поля или магнитных свойств веществ (материалов);
2. Рассмотреть и характеризовать основные принципы построения приборов для измерения магнитных величин;
3. Изучить и характеризовать основные методы измерения магнитного потока магнитной индукции.
4. В качестве исследования и изучения способов магнитных измерений сделать практическую часть.
1. Магнитные измерения, измерения характеристик магнитного поля или магнитных свойств веществ (материалов)
К измеряемым характеристикам магнитного поля относятся: вектор магнитной индукции Ф, напряженность поля Е, поток вектора индукции (магнитный поток), градиент магнитного поля и другие. Магнитное состояние вещества определяется: намагниченностью J — величиной результирующего магнитного момента, отнесенного к единице объема (или массы) вещества; магнитной восприимчивостью c, магнитной проницаемостью М, магнитной структурой. К важнейшим характеристикам наиболее распространенных магнитных материалов — ферромагнетиков — относятся: кривые индукции Ф (Е) и намагничивания J (Е), то есть зависимости Ф и J от напряженности поля Е, коэрцитивная сила, потери энергии на перемагничивание, максимальная магнитная энергия единицы объема (или массы), размагничивающий фактор (коэффициент размагничивания) ферромагнитного образца.
Магнитными материалами называют материалы, основным свойством которых является способность намагничиваться под влиянием внешнего магнитного поля. Некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля.
К магнитным материалам относятся материалы на основе чистого железа, никеля, кобальта и их сплавов.
В соответствии с магнитными свойствами все материалы делятся на следующие группы:
1. Диамагнитные;
2. Парамагнитные;
3. Ферромагнитные;
4. Антиферромагнитные;
5. Ферримагнитные.
Диамагнетизм наблюдается во всех веществах и связан тем, что внешнее магнитное поле оказывает влияние на орбитальное движение электронов, вследствие чего индуцируется магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю. После снятия внешнего магнитного поля индуцированный магнитный момент диамагнетика исчезает. Магнитная восприимчивость диамагнетиков к d (отрицательная) по абсолютному значению очень мала; она не зависит ни от температуры, ни от напряженности магнитного поля. Диамагнетик выталкивается из магнитного поля.
Электрический ток и магнитное поле
... магнитная стрелка, расположенная рядом с электрическим проводником, отклоняется, когда по проводнику течет ток, т. е. вокруг проводника с током создается магнитное поле. Если взять рамку с током, то внешнее магнитное поле взаимодействует с магнитным полем рамки и оказывает на нее ориентирующее действие, ...
К диамагнитным веществам относятся инертные газы, водород, медь, цинк, свинец (вещества, состоящие из атомов с полностью заполненными электронными оболочками).
Магнитный момент их атомов равен нулю.
Парамагнитные вещества отличаются тем, что состоят из атомов с не полностью заполненными оболочками, т.е. обладающих магнитными моментами. Но такие атомы находятся друг от друга достаточно далеко, так, что взаимодействие между ними отсутствует. Поэтому у парамагнетиков магнитные моменты атомов ориентируются в направление внешнего магнитного поля и усиливают его.
Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, имеет небольшое значение от 10 -5 до 10-2 и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, но зависит от температуры. К парамагнетикам относятся Na и редкоземельные элементы, поскольку их атомы всегда обладают магнитными моментами. Парамагнетик втягивается в магнитное поле.
Ферромагнитные вещества содержат атомы, обладающие магнитным моментом (незаполненные электронные оболочки), однако расстояние между ними не так велико, как в парамагнетиках, в результате чего между атомами возникает взаимодействие, которое называется обменным (предполагается, что соседние атомы обмениваются электронами).
В результате такого взаимодействия энергетически выгодной в зависимости от расстояния становится параллельная ориентация магнитных моментов соседних атомов (ферромагнетизм) либо антипараллельная (антиферромагнетизм).
Под воздействие обменных сил параллельная ориентация магнитных моментов атомов ферромагнитного вещества происходит в определенных областях, называемых доменами. В пределах домена материал в отсутствие внешнего поля намагничен до насыщения благодаря обменному взаимодействию отдельных атомов. Это взаимодействие действует только до определенной критической температуры, которая называется температурой Кюри. Выше температуры Кюри домены разрушаются и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Ферромагнитные вещества легко намагничиваются в слабых магнитных полях. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость ферромагнетиков велики (до 10 6 ) и сильно зависят от температуры, а также от напряженности магнитного поля.
Антиферромагнетиками называют материалы, в которых во время обменного взаимодействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация их магнитных моментов. Так как магнитные моменты соседних атомов взаимно компенсируются, антиферрромагнетики не обладают магнитным моментом, а характеризуются магнитной восприимчивостью, которая близка к восприимчивости парамагнетиков. Выше некоторой критической температуры, которая получила название температуры Нееля (аналогична температуре Кюри), магнитоупорядоченное состояние антиферромагнетика разрушается и он переходит в парамагнитное состояние.
К феррримагнетикам относятся вещества, в которых обменное взаимодействие осуществляется не непосредственно между магнитноактивными атомами, как в случае ферромагнетизма, а через немагнитный ион кислорода. Такое взаимодействие называют косвенно обменным или сверхобменным. Это взаимодействие в большинстве случаев в ферримагнитных веществах приводит к антипараллельной ориентации магнитных моментов соседних ионов (т.е. к антиферромагниному упорядочению).
Магнитные материалы
... вращение электронов в атомах ) Магнитные свойства материалов характеризуется петлей гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерями ... температур магнитные моменты отдельных молекул макрообъекта могут выстраиваться в определенный порядок. Такое вещество называется магнетиком. Отдельные молекулы выступают в качестве строительных блоков магнетика. В качестве магнитных материалов ...
Однако количество ионов с магнитными моментами, ориентированными условно вверх и вниз, а также величины их моментов неодинаковы. Поэтому магнитные моменты ионов не полностью компенсируются и ферримагнитные вещества обладают магнитным моментом и имеют доменную структуру, которая исчезает выше температуры Кюри.
Диа- пар- и антиферромагнитные вещества относятся к слабомагнитным, а ферро- и ферримагнитные вещества являются сильномагнитными и поэтому именно они нашли техническое применение в качестве магнитных материалов в электротехнике.
Магнитные материалы в зависимости от их свойств классифицируются следующим образом:
1. Магнитомягкие материалы — материалы с высокой проницаемостью в слабых и средних полях и низкой коэрцитивной силой. К ним относятся электротехнические стали, пермаллой, викаллой, термаллой.
Магнитомягкие материалы применяются для изготовления магнитопроводов электрических машин, магнитопроводов трансформаторов и реакторов, полюсных наконечников, сердечников, катушек, дросселей электромагнитов и т.д.
2. Магнитотвердые материалы с высокой коэрцитивной силой. Применяются для изготовления постоянных магнитов электрических машин, электроизмерительных приборов, магнитных муфт и т.д.
3. Прецизионные материалы со специальными свойствами (высокой магнитострикцией, термомагнитными, коррозионностойкими и другими свойствами).
Магнитные прецизионные материалы со специальными свойствами применяются для изготовления магнитострикционных преобразователей, магнитопроводов систем, работающих в агрессивных средах, магнитных шунтов измерительных приборов.
Магнитные материалы классифицируются также в соответствии с их основой. Различают: металлические материалы, неметаллические материалы, магнитодиэлектрики.
Металлические магнитомягкие материалы — это чистое железо, листовая электротехническая сталь, железо-армко, пермаллои (железно-никелевые сплавы) и др.
Металлические магнитотвердые материалы — это легированные стали, специальные сплавы на основе железа, алюминия, никеля и легирующих компонентов (кобальт, кремний).
Неметаллические магнитные материалы — это материалы, получаемые из порошкообразной смеси окислов некоторых металлов, и окиси железа — ферриты. Ферриты делятся на магнитомягкие и магнитотвердые. Прессованные ферритовые изделия подвергают высокотемпературной обработке — обжигу при температуре 1300 — 1500?С.
Магнитодиэлектрики — это композиционные материалы которые включают 70-80% порошкообразного магнитного материала и 30-20% органического высокополимерного диэлектрика.
Магнитодиэлектрики и ферриты отличаются от металлических магнитных материалов большими значениями удельного электрического сопротивления. Это значительно снижает потери на вихревые токи, что позволяет использовать эти материалы в технике высоких частот.
Магнитные свойства материалов характеризуются рядом физических величин или магнитными характеристиками:
1. петлей гистерезиса;
2. кривой намагничивания;
3. магнитной проницаемостью;
4. потерями энергии при перемагничивании.
Магнитно-Порошковая Дефектоскопия
... магнитно-порошковый метод для контроля деталей, узлов и агрегатов без их разборки. Весьма перспективным методом магнитной дефектоскопии является метод, основанный на использовании феррозондовых индикаторов полей рассеяния (см. Феррозондовыи метод дефектоскопии). ... случае хорошо обнаруживались дефекты материала, представляющие опасность для ... порошок плохо притягивается магнитом; его снова смешивают ...
Основные физические свойства магнита определяются характером размагничивающей ветви петли магнитного гистерезиса материала, из которого изготовлен магнит. Чем больше коэрцитивная сила H c и остаточная магнитная индукция Br материала, то есть чем более магнитно-твёрдым является материал, тем лучше он подходит для магнита. Индукция в магните может равняться наибольшей остаточной индукции Br лишь в том случае, если он представляет собой замкнутый магнитопровод. Обычно же магнит служит для создания магнитного потока в воздушном зазоре, например, между полюсами подковообразного магнита. Воздушный зазор уменьшает индукцию (и намагниченность) магнита; влияние зазора подобно действию некоторого внешнего размагничивающего поля Еd . Значение поля Еd , уменьшающего остаточную индукцию Фr до значения Фd , определяется конфигурацией магнита. Таким образом, при помощи магнита могут быть созданы магнитные поля, индукция которых Ф?Фr .
Рисунок 1 График зависимости напряженности магнитного поля от намагниченности
Действие магнита наиболее эффективно в том случае, если состояние магнита соответствует точке кривой размагничивания, где максимально значение (ФЕ) max , то есть максимальна магнитная энергия единицы объёма магнитного материала.
Важным условием для достижения наивысших магнитных характеристик магнита является его предварительное намагничивание до состояния магнитного насыщения. Другое важное требование — неизменность магнитных свойств со временем и при воздействии неблагоприятных условий внешней среды.
Магнитная индукция и напряженность магнитного поля
Магнитная индукция B — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства B=F A ч(IЧДl).
Определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд, движущийся в магнитном поле с определенной скоростью.
Единица измерения в системе СИ: Тесла.
Напряжённость магнитного поля Е — векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M, E=B-M.
Единица измерения в системе СИ: амперы на метр (А/м).
Намагниченность — векторная физическая величина, характеризующая магнитное состояние макроскопического физического тела. Обозначается обычно М или J, M=P m чV.
Определяется как магнитный момент единицы объёма вещества.
Единица измерения в системе СИ: А/м -1 .
Для характеристики поведения магнитных материалов в поле с напряженностью Е пользуются понятиями абсолютной магнитной проницаемости м а и относительной магнитной проницаемости мr :
м а = ВчЕ
м а = м0 Ч мr ,
где м 0 = 4·р Ч 107 — магнитная постоянная, Гн/м.
Относительную магнитную проницаемость материала м r (µr =µч µ0 ) получают по основной кривой намагничивания. Для простоты индекс и слово «относительная» не упоминается.
Наиболее часто используют понятия нормальной м, начальной м н , максимальной ммах , дифференциальной мдиф и импульсной мимп магнитной проницаемости (рис.2).
Методы и системы измерения электромагнитных полей
... поля (Н), магнитный поток (Ф) и магнитная индукция(В). Единицами измерения напряженности магнитного поля является ампер на метр (А/м), магнитного потока - вебер (Вб), магнитной индукции (или плотности магнитного потока) - тесла (Тл) Электромагнитным полями ... дюймов) за счет высокого напряжения создается значительное рентгеновское излучение, что должно рассматриваться как фактор риска для здоровья ...
Рисунок 2 График магнитной проницаемости
Магнитная восприимчивость — физическая величина, характеризующая связь между магнитным моментом (намагниченностью) вещества и магнитным полем в этом веществе.
Магнитная восприимчивость определяется отношением намагниченности единицы объёма вещества к напряжённости намагничивающего магнитного поля. Является величиной безразмерной.
Магнитная восприимчивость большинства веществ (за исключением большей части диамагнетиков и некоторых парамагнетиков — щелочных и, в меньшей степени, щёлочноземельных металлов) обычно зависит от температуры вещества.
У парамагнетиков магнитная восприимчивость уменьшается с температурой, подчиняясь закону Кюри — Вейса. У ферромагнетиков магнитная восприимчивость с ростом температуры увеличивается, достигая резкого максимума вблизи точки Кюри.
Магнитная восприимчивость антиферромагнетиков увеличивается с ростом температуры до точки Нееля, а затем падает по закону Кюри — Вейса.
Рисунок 3 Кривая Столетова — зависимость магнитной восприимчивости от температуры вещества
Кривая намагничивания. Деление ферромагнетика на домены ограничивается энергией, затрачиваемой на образование границ между доменами. Линейный размер доменов имеет порядок от 10 -2 до 10-5 см. Толщина доменной границы достигает нескольких сотен нанометров.
При наложении внешнего магнитного поля происходит рост объема доменов, которые имеют направление намагниченности, совпадающее или близкое к направлению напряженности поля. Зависимость магнитной индукции ферромагнитного вещества от напряженности внешнего поля называют кривой намагничивания (рис.4.)
Рисунок 4 Основная кривая намагниченности ферромагнетика
Кривую можно разделить на несколько участков, которые характеризуются определенными процессами намагничивания. В области слабых полей (участок 0-1) магнитные восприимчивость и проницаемость не изменяются. Изменение магнитной индукции в этой области происходит в основном за счет обратимых процессов, которые обусловлены смещением границ доменов.
Участок 1-2 кривой намагничивания характеризуется тем, что здесь происходит неупругое смещение границ доменов, т.е. процесс не является обратимым. В области приближения к насыщению (участок 2-3) изменение индукции объясняется в основном процессом вращения, когда направление вектора намагниченности самопроизвольных областей приближается к направлению внешнего поля. Полная ориентация намагниченности по полю соответствует техническому насыщению (участок 3-4).
При циклическом изменении напряженности магнитного поля кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой — называемой петлей гистерезиса. Магнитным гистерезисом называется явление отставания изменения магнитной индукции от вызывающей эти изменения напряженности магнитного поля.
Метрология, стандартизация и измерения в технике связи
... магнитных полей постоянного магнита и проводника с током; 2) электромагнитных — магнитного поля, ... практических измерениях). по частотному диапазону: низкочастотные, высокочастотные, СВЧ ИУ. по месту ... [2]. 2 Измерительный преобразователь метрология измерительный стандартизация сертификация Измерительный преобразователь ... измерительные приборы 1 Принцип работы и виды электромеханических ИП ...
Рисунок 5 Петля магнитного гистерезиса
Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения намагничивания, называют предельной петлей гистерезиса. Она характеризуется максимально достигнутым значением индукции Ф s , называемым индукцией насыщения.
Площадь гистерезисных петель в промежуточных и предельном состояниях характеризует рассеивание электрической энергии в процессе перемагничивания материала, т.е. потери на гистерезис. Площадь гистерезисной петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты перемагничивания.
По предельной петле гистерезиса определяют такие характеристики магнитных материалов, как индукцию насыщения Ф s , остаточную индукцию Фс , коэрцитивную силу Ес .
Остаточная магнитная индукция Ф r
Единица измерения в системе СИ — Тесла.
Определяет, насколько сильное магнитное поле (плотность потока) может производить магнит.
Максимальный магнитный поток, который может создать магнит, измеряемый только в замкнутой магнитной системе.
Коэрцитивная сила
Коэрцитивная (задерживающая) магнитная сила Е c .
Единицы измерения в системе СИ — Ампер/метр.
Определяет величину внешнего магнитного поля, при котором магнит, первоначально намагниченный до состояния насыщения, становится не намагниченным (размагничивается).
Чем больше коэрцитивная сила, тем «прочнее» магнитный материал удерживает остаточную намагниченность.
По смыслу данная величина характеризует сопротивляемость магнита размагничиванию, а по определению — это величина внешнего магнитного поля, требуемого для полного размагничивания магнита, намагниченного до состояния насыщения.
Магнитные потери это необратимые потери электрической энергии, которая выделяется в материале в виде тепла.
Потери на перемагничивание магнитного материала складываются из потерь на гистерезис и динамических потерь.
Потери на гистерезис создаются в процессе смещения стенок доменов на начальной стадии намагничивания. Вследствие неоднородности структуры магнитного материала на перемещение стенок доменов затрачивается магнитная энергия.
Потери энергии на гистерезис:
Р r = а Ч f
где а — коэффициент, зависящий от свойств и объема материала;
- f — частота тока, Гц.
Динамические потери Р вт вызываются частично вихревыми токами, которые возникают при изменении направления и напряженности магнитного поля; они также рассеивают энергию:
Р вт = b Ч f2
где b — коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления, объема и геометрических размеров образца.
Потери на вихревые токи из-за квадратичной зависимости от частоты превосходят потери на гистерезис на высоких частотах.
К динамическим потерям относятся также потери на последействие Р п (магнитную вязкость), которые связаны с остаточным изменением магнитного состояния после изменения напряженности магнитного поля. Они зависят от состава и термической обработки магнитного материала и проявляются на высоких частотах. Потери на последействие необходимо учитывать при использовании ферромагнетиков в импульсном режиме.
«Техническая диагностика. Магнитный контроль. Реализация при ...
... материала объекта контроля методами МНК [2]. Магнитная дефектометрия измерение геометрических размеров дефектов и определение их местоположения в объекте контроля методами магнитного неразрушающего контроля [2]. ... на пондеромоторном взаимодействии регистрируемого магнитного поля объекта контроля и магнитного поля постоянного магнита, электромагнита или рамки с током [2]. Магниторезисторный метод ...
Общие потери в магнитном материале:
Р= Р r + Рвт + Рп
При намагничивании магнитных материалов наблюдается изменение их размеров и формы, такое явление называется магнитострикция. Она может быть объемной (изменение объема тела) и линейной (изменение размеров тела).
По своей природе линейная магнитострикция анизотропна. Так, например, для монокристаллического железа, намагниченного в направлении ребра куба, линейные размеры в этом направлении уменьшаются, при намагничивании вдоль диагонали куба увеличиваются, т.е. магнитострикция может быть как положительной, так и отрицательной.
2. Принципы построения приборов и способы измерения магнитного потока, магнитной индукции и напряженности магнитного поля
В настоящее время известно много разнообразных приборов и способов для измерения магнитной индукции, магнитного потока и напряженности магнитного поля. Как правило, прибор для измерения магнитных величин состоит из двух частей — измерительного преобразователя, назначением которого является преобразовании магнитной величины в величину иного вида (электрическую, механическую), более удобную для дальнейших операций, и измерительного устройства для измерения выходной величины измерительного преобразователя.
Измерительные преобразователи, входной величиной которых является магнитная величина, называют магнитоизмерительными и в соответствии с видом выходной величины делят на три основные группы: магнитоэлектрические преобразователи (выходная величина электрическая), магнитомеханические (выходная величина механическая) и магнитооптические (выходная величина оптическая).
В каждой из этих групп много разновидностей преобразователей, основой для создания которых служат те или иные физические явления. В качестве основных, наиболее широко используемых явлений могут быть названы следующие:
1. явление электромагнитной индукции;
2. силовое взаимодействие измеряемого магнитного поля с полем постоянного магнита или контура с током;
3. гальваномагнитные явления;
4. явление изменения магнитных свойств материалов в магнитном поле;
5. явления, возникающие при взаимодействии микрочастиц с магнитным полем.
Вторая часть прибора для измерения магнитных величин может быть либо обычным прибором для измерения электрической величины, либо прибором со специальными характеристиками.
2.1 Применение баллистического гальванометра
В лабораторной практике при исследованиях электрических машин, аппаратов, трансформаторов, при испытаниях магнитных материалов, применяемых в производстве на электротехнических заводах, часто возникает необходимость измерения магнитных величин, как то: магнитного потока, магнитной индукции, магнитодвижущей силы, напряженности магнитного поля, магнитной проницаемости, а также потерь на гистерезис и вихревые токи в ферромагнитных материалах.
В большинстве случаев магнитные величины измеряют косвенным методом — путем измерения тех или иных электрических величин (тока, э.д.с., количества электричества), функционально связанных с измеряемой магнитной величиной. Измерения магнитных величин в настоящее время составляют большой самостоятельный раздел измерительной техники с глубоко развитой теорией. Некоторые методы и аппаратуру для магнитных измерений используют не только в лабораториях, специализированных в области магнитных измерений, но также и в более универсальных лабораториях, занимающихся испытаниями и исследованиями электрических машин и аппаратов. К числу широко распространенных магнитных измерений относятся:
Реферат измерение частоты переменного тока
... нулю и лишь при частоте переменного тока ниже 10 Гц подвижная ... частоты погрешность измерений тока увеличивается. Метод сравнения Метод сравнения обеспечивает более высокую точность измерения. Его осуществляют с помощью приборов – компенсаторов, отличающихся тем ... магнитных линий, пересекаемых обеими сторонами катушки при ее повороте на угол а , на число витков n ее обмотки: (5) Здесь В – магнитная ...
Для измерения магнитного потока к гальванометру необходимо присоединить измерительную рамку с некоторым числом витков w, находящуюся в исследуемом постоянном магнитном поле.
Витки рамки будут охватывать некоторый поток Фх.
В основу действия данного прибора положен принцип, согласно с которым первый наибольший отброс указателя баллистического гальванометра пропорционален числу потокосцеплений магнитного потока с витками измерительной рамки.
Рисунок 6 Практическая схема применения баллистического гальванометра для снятия кривой намагничивания, т. е. для определения зависимости B=f(H)
На кольцевой сердечник 1 из исследуемой стали накладывают две обмотки: намагничивающую 2 и измерительную 3. К измерительной обмотке подключается баллистический гальванометр. Намагничивающая обмотка питается от источника постоянного тока 4 через амперметр и реостат. Переключатель 5 позволяет изменять направление тока в обмотке.
Напряженность магнитного поля внутри кольцевого соленоида (тороида) может быть подсчитана на основании закона полного тока по формулам:
- где wi — число витков намагничивающей обмотки;
- l — значение тока, A;
l ср — средняя длина силовой магнитной линии в тороиде, отмеченная на рис. пунктиром и легко вычисляемая по геометрическим размерам испытуемого образца.
Для определения зависимости B=f(H) в намагничивающей обмотке устанавливают ток, соответствующий заданному значению H и заранее подсчитанный по приведенной формуле, затем быстро изменяют направление тока в обмотке при помощи переключателя 5. При перемене направления тока магнитный поток в сердечнике изменится по некоторому сложному закону от значения +Ф до значения -Ф, т. е. изменение потока в измерительной рамке будет равно 2Ф, и с учетом этого подсчитывают поток в сердечнике:
Зная поток и поперечное сечение испытуемого образца, находят значение магнитной индукции
где s — сечение образца.
Найденное значение В и ранее вычисленное значение Н позволяют
подсчитать магнитную проницаемость
2.2 Флюксметр
Весьма удобным прибором для измерения постоянного магнитного потока является флюксметр, называемый иногда веберметром или милливеберметром.
Флюксметр представляет собой прибор магнитоэлектрической системы, в котором подвод тока к подвижной рамке осуществляется не через пружинки, а через безмоментные спирали, т. е. в его измерительном механизме отсутствует противодействующий момент. Вследствие этого указатель флюксметра при отсутствии тока в обмотке рамки может занимать любое положение относительно шкалы.
Флюксметр, как и большинство гальванометров магнитоэлектрической системы, имеет бескаркасную рамку, однако он рассчитывается так, чтобы при внешнем сопротивлении, меньшем 20 Ом, подвижная часть оказывалась в режиме переуспокоения. Как и у баллистического гальванометра, подвижная часть флюксметра выполняется со сравнительно большим моментом инерции.
ИЗУЧЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
... и вольтметров возможно только при измерениях в цепях постоянного тока и в цепях низких частот. При измерениях на повышенных частотах электромеханические приборы не применяются вследствие того, ... в магнитном поле, и при протекании через нее тока магнитное поле создает силу, поворачивающую рамку. Величина угла поворота рамки определяется величиной протекающего тока. С рамкой связана стрелка прибора, ...
Рисунок 7 Помощь флюксметра
Для измерения магнитного потока, например постоянного магнита 1, к зажимам флюксметра присоединяется измерительная рамка 2, состоящая из достаточного количества витков медной проволоки. Если эту рамку надеть на испытуемый магнит так, как это показано на рис., то во время перемещения рамки 2 в ней будет наводиться э.д.с., создающая ток в цепи прибора. Под действием этого тока подвижная рамка 3 прибора начнет поворачиваться. После того как измерительная рамка 2 будет приведена в положение, показанное на рис, и остановлена, э.д.с., действовавшая в ней, исчезнет, но рамка 3 по инерции будет еще немного продолжать двигаться.
Переместившись на некоторый угол a от начального положения, рамка 3 остановится. Теория флюксметра показывает, что движение рамки прекращается после того, как число потокосцеплений витков рамки 3 с потоком магнита 4 изменится на столько же, сколько создалось потокосцеплений измерительной рамки 2 с измеряемым потоком Ф.
Если успокоение прибора достаточно велико, для чего сопротивление цепи рамки не должно превышать некоторый определенный для данной конструкции предел (обычно 8—20 Ом), то между углом поворота стрелки флюксметра и измеряемым магнитным потоком будет иметь место простая зависимость
где Ф — измеряемый поток;
- w — число витков измерительной рамки 2;
С ф — постоянная флюксметра в максвелл-витках или вебер-витках на одно деление шкалы.
Определение постоянной флюксметра С ф производится таким же способом, как и определение постоянной баллистического гальванометра, с применением образцовых взаимных индуктивностей.
При описанном устройстве флюксметра работа с ним затрудняется из-за невозможности установки его подвижной части в нулевое положение, так как при снятии катушки 2 с испытуемого магнита рамка 3 хотя и получит толчок в обратном направлении, но не придет точно в исходное нулевое положение. Это обусловлено неизбежным необратимым рассеиванием энергии в виде тепла, выделяемого током в цепи рамки, а также потерями энергии на трение в опорах подвижной части прибора и трение ее о воздух. В изготовляемых микровеберметрах имеется дополнительное приспособление — электромагнитный корректор, позволяющий устанавливать стрелку прибора в любое положение, в частности и на нулевую отметку. Это приспособление, встроенное в корпус прибора, схематически показано на рис. 7 и обведено пунктиром. Устройство его подобно механизму магнитоэлектрического прибора: между полюсами постоянного магнита помещена рамка 5, которую можно поворачивать от руки головкой 6.
Для изменения положения указателя флюксметра относительно его шкалы, в частности для установки указателя на нулевую отметку, переключатель 7 переводят в положение, отмеченное буквой К, при котором рамка прибора соединяется с рамкой корректирующего устройства. При этой схеме поворот рамки 5 головкой 6 будет вызывать соответствующее изменение положения указателя флюксметра.
Установив указатель флюксметра в желаемое положение, переводят переключатель 7 в рабочее положение, отмеченное на рис. 7 буквой И.
Флюксметр является прибором менее чувствительным, чем баллистический гальванометр, и поэтому не может применяться для измерения слабых магнитных полей.
При измерении достаточно сильных полей флюксметр имеет ряд преимуществ по сравнению с баллистическим гальванометром. Постоянная флюксметра практически не изменяется при изменении внешнего сопротивления цепи рамки в достаточно широких пределах от нуля до 8—20 Ом. Наибольшее допустимое значение этого сопротивления указано на шкале прибора. Показания флюксметра остаются правильными при изменении в широких пределах скорости удаления (или внесения) измерительной рамки из магнитного поля. При работе с баллистическим гальванометром эта операция должна производиться очень быстро (за 0,1—0,2 секунды) Указатель флюксметра, отклонившись на определенный угол, остается в этом положении неподвижным достаточно долго для спокойного отсчета показаний.
В противоположность этому, при работе с баллистическим гальванометром для обеспечения правильности отсчета максимального отклонения указателя требуется большое напряжение внимания.
2.3 Применение пермеаметров
Рисунок 8 а) внешний вид одной из конструкций пермеаметра, б) приведена схема включения его
Исследование свойств стали путем снятия кривой намагничивания кольцевой пробы дает наиболее точные результаты, но практически неудобно из-за трудности изготовления образца и из-за сложности наложения на него обмоток. Эти затруднения отпадают при применении пермеаметров — устройств, позволяющих быстро и удобно осуществлять относительно равномерное намагничивание образцов стали, имеющих форму стержней круглого или прямоугольною сечения.
Основными частями этого пермеаметра являются массивная рама 1 из мягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и две обмотки w1 и w2.
Через боковые отверстия в раму вводится испытуемый образец Р, плотно зажимаемый при помощи специальных конических втулок. Обмотка w1 является намагничивающей, обмотка w2 служит для включения баллистического гальванометра. Переключатель 2 позволяет включать и изменять направление тока в намагничивающей обмотке. Порядок определения магнитного потока в испытуемом образце остается таким же, как и при испытании кольцевой пробы. Некоторое затруднение возникает с вычислением напряженности магнитного поля Н. Вычисление ее по формуле
где l — длина образца, было бы справедливо только при бесконечно маломмагнитном сопротивлении ярма и стыков пробы с ярмом Сопротивлением этим можно пренебречь при испытании материалов с низкой магнитной проницаемостью (чугун, поделочные стали),
а— внешний вид б — схема включения при испытании же проб с высокой магнитной проницаемостью необходимо при вычислении напряженности поля вводить поправки. Эти поправки даются в виде кривых срезывания, прилагаемых к прибору.
Амперметры, предназначенные для пермеаметров, иногда градуируют не в амперах, а в значениях напряженности магнитного поля исходя из приведенной выше зависимости между Н и I.
2.4 Исследование стали в переменном магнитном поле
Магнитные свойства стали, определенные описанными выше способами на постоянном токе, позволяют определить характеристики стали и при переменном магнитном потоке В частности, по площади петли гистерезиса можно подсчитать потери на гистерезис при переменном потоке. По эмпирическим формулам могут быть вычислены и потери на вихревые токи Подобные вычисления дают только приближенные результаты, поэтому желательно определять характеристики электротехнических сталей на переменном токе путем непосредственных измерений.
2.5 Ваттметровый метод
Рисунок 9 Общий вид аппарата для определения ваттметровым методом потерь в пробах листовой стали, применяемой для изготовления магнитопроводов электрических машин и трансформаторов
На рис.9 дан общий вид, аппарата для определения ваттметровым методом потерь в пробах листовой стали, применяемой для изготовления магнитопроводов электрических машин и трансформаторов. Четыре гетинаксовые втулки 1 прямоугольного сечения укреплены на общем основании, образуя квадрат. На втулках помещены две обмотки с равным числом витков: w1 намагничивающая и w2 — измерительная.
Во втулки закладывают пакеты 2 из листов испытуемой стали. Стыки пакетов тщательно стягиваются при помощи особых зажимов, не показанных на схеме. Для устранения потерь в стыках в них закладывают тонкие прокладки из электротехнического картона, толщина которых предварительно тщательно измеряется микрометром и в дальнейшем учитывается при подсчете намагничивающих ампер-витков.
Намагничивающая обмотка питается от источника переменного » тока с регулируемой частотой, измеряемой частотомером Hz. К вольтметру V и к параллельной обмотке ваттметра подается напряжение от измерительной обмотки. Переменный ток, проходя по намагничивающей обмотке, создает в сердечнике переменный магнитный поток с амплитудным значением Фм. Этот поток создает в измерительной обмотке э.д.с. Ваттметр, включенный по схеме измеряет сумму мощности, затрачиваемой на покрытие потерь в стали, и мощности, потребляемой вольтметром и параллельной обмоткой ваттметра. Учитывая это, потери в образце определяют по формуле
где Р вт — показание ваттметра,
R B —сопротивление вольтметра;
R BR —сопротивление параллельной обмотки ваттметра.
2.6 Индукционный метод
Для исследования свойств образцов стали при намагничивании переменным током, а также для определения характеристик готовых магнитопроводов переменного тока широко применяют индукционный метод измерения магнитного потока. Индукционный метод по существу заключается в измерении э.д.с., индуктированной исследуемым переменным магнитным потоком в измерительной обмотке с известным числом витков.
Рисунок 10 Пример использования потенциометра для измерения переменного магнитного потока в какой-либо части сложной магнитной цепи
Измерение индуктированной э.д.с. может производиться различными средствами, одним из которых является потенциометр переменного тока. На рис. 10 дан пример использования потенциометра для измерения переменного магнитного потока в какой-либо части сложной магнитной цепи.
Измерительную рамку 1 с известным числом витков помещают в данный аппарат или машину так, чтобы она охватывала весь магнитный поток, подлежащий измерению.
Электродвижущую силу Е, возникающую в рамке 1, измеряют потенциометром переменного тока, после чего магнитный поток подсчитывается по формуле
По найденному значению Ф m , зная размеры магнитопровода, можно подсчитать индукцию в данном участке магнитной цепи по формуле
где s — сечение магнитопровода.
Этой же формулой пользуются и для определения магнитной индукции в каком-либо воздушном зазоре магнитной цепи, если можно пренебречь явлением распора силовых линий.
При необходимости измерить индукцию в воздушном зазоре магнитной цепи, когда нельзя пренебречь явлением распора силовых магнитных линий, помещают непосредственно в зазор миниатюрную измерительную рамку с известной площадью s p. В этом случае определяется среднее значение индукции в том месте зазора, где находится рамка, по формуле
где s p — площадь рамки, м2.
Особым преимуществом описанного способа измерения магнитного потока является отсутствие тока в измерительной рамке.
3. Практическая часть
В качестве практической части я переделал амперметр в вольтметр путем увеличения сопротивления амперметра с помощью резистора.
Для своей практической части я взял амперметр М42300 1990 года выпуска с пределом измерения 100 ампер и переделал его в вольтметр с пределом измерения 30 вольт.
Чтобы переделать амперметр в вольтметр я провел следующие расчеты нужного мне сопротивления.
Амперметр М42300.
Рисунок 11 Амперметр
Шкала измерения — 100 ампер.
Напряжение полного отключения — U=75 м В=0,075 В.
Сила тока полного отключения — I=30 м А=0,030 А.
Внутреннее сопротивление — R вн =VчA=75ч30=2,5 Ом.
Добавочное сопротивление — R доб = VчU пол. отключ. — Rвн =30ч0,03-2,5=1000-2,5=997,5 Ом ? 1000 Ом = 1 кОм.
Рисунок 12 Вольтметр
Найдя резистор с сопротивлением 1кОм я подключил его к амперметру и для проверки работы прибора собрал цепь состоящую из: блока питания, вольтметра, и амперметра с резистором и сравнил показания.
Рисунок 13 Тестирование собранного прибора
На фотографии 1 можно увидеть работу прибора показания амперметра соответствуют показаниям вольтметра т.к. цена деления равна амперметра равна 0,2 ампера, показания соответствуют 30В (цена деления вольтметра=100ч30*0,2=0,6 а в данном случае показания равны 100Ч0,6=30В).
После успешного тестирования получившегося вольтметра я закрепил резистор к задней крышке амперметра (фотография 14), проградуировал и изменил шкалу измерения (Рисунок — 15) и установил клеммы (Рисунок — 16).
Рисунок 14 Закрепление резистора к задней крышке
Рисунок 15 Изменение измерительной шкалы прибора
Рисунок 16 Установка клемм
Заключение
1. К измеряемым характеристикам магнитного поля относятся: вектор магнитной индукции В, напряженность поля Е, поток вектора индукции (магнитный поток) Ф, градиент магнитного поля и другие. Магнитное состояние вещества определяется: намагниченностью J; магнитной восприимчивостью c, магнитной проницаемостью М, магнитной структурой.
Магнитными материалами называют материалы, основным свойством которых является способность намагничиваться под влиянием внешнего магнитного поля. Некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля.
Магнитные свойства материалов характеризуются рядом физических величин или магнитными характеристиками:
1. петлей гистерезиса;
2. кривой намагничивания;
3. магнитной проницаемостью;
4. потерями энергии при перемагничивании.
2. Приборы для измерения магнитных величин состоит из двух частей — измерительного преобразователя, назначением которого является преобразовании магнитной величины в величину иного вида (электрическую, механическую), и измерительного устройства для измерения выходной величины измерительного преобразователя.
Измерительные преобразователи, входной величиной которых является магнитная величина, называют магнитоизмерительными и в соответствии с видом выходной величины делят на три основные группы: магнитоэлектрические преобразователи (выходная величина электрическая), магнитомеханические (выходная величина механическая) и магнитооптические (выходная величина оптическая).
В каждой из этих групп много разновидностей преобразователей, основой для создания которых служат те или иные физические явления. В качестве основных, наиболее широко используемых явлений могут быть названы следующие:
1. явление электромагнитной индукции;
2. силовое взаимодействие измеряемого магнитного поля с полем постоянного магнита или контура с током;
3. гальваномагнитные явления;
4. явление изменения магнитных свойств материалов в магнитном поле;
5. явления, возникающие при взаимодействии микрочастиц с магнитным полем.
Вторая часть прибора для измерения магнитных величин может быть либо обычным прибором для измерения электрической величины, либо прибором со специальными характеристиками.
3. Основные методы измерения магнитного потока магнитной индукции:
1. Применение баллистического гальванометра;
2. Флюксметр;
3. Применение параметров;
4. Исследование стали в переменном магнитном поле;
5. Ваттметровый метод;
6. Индукционный метод.
Список использованных источников
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/galvanometr/
1 Ахиезер А. И., Ахиезер И. А., Электромагнетизм и электромагнитные волны, М., 2016 — 504с.
2 Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 2015 — 1-32с.
3 Дмитриева В.Ф. Физика. М., 2014 г. 415с.
4 Докторович З.И., «Несостоятельность теории электоромагнетизма и выход из сложившегося тупика», Москва, 2016.https://refdb.ru.
5 Короновский Н.В., Магнитное поле геологического прошлого Земли. Соросовский образовательный журнал, N5, 2017. С 56-63.
6 Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. — М.: Наука, 2015.http://nashol.com
7 Кулигин В.А., Кулигина Г.А., Корнева М.В. Кризис релятивистских теорий, Часть 6 (Магнитные взаимодействия движущихся зарядов).
НиТ, 2015.
8 Матвеев, А.Н. Электричество и магнетизм / А.Н. Матвеев. — М.: Высшая школа, 2014. 463с.
9 Николаев Г.В., «Тайны электромагнетизма и свободная энергия», http://mwaso.narod.ru/.
10 Николаев,Г. В. «Современная электродинамика и причины ее пародоксальности», http://macmep.h12.ru
11 Парселл Э., «Электричество и магнетизм», Берклеевский Курс Физики, том II, Наука, 2014.http://www.studfiles.ru
12 Переверзев, С.И. Анимация в MacromediaFlash MX / С.И. Переверзев. — М.: Бином, 2015. 265 с.
13 Савельев, И.В. Курс общей физики: Электричество и магнетизм. Волны. Оптика / И.В. Савельев. — М.: Наука, 2016. 496 с.
14 Сивухин Д.В. Общий курс физики. — Изд. 4-е, стереотипное. — М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2014. — Т. III. Электричество. — 656 с.
15 Сидоренков В.В., «Электромагнитные векторные потенциалы проводника при стационарной электропроводности», http://www.sciteclibrary.ru.
16 Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. — М.: Высшая школа, 2017. 541с.
17 Чечерников В.И., Магнитные измерения, 2 изд., М., 2014;
18 Шпильман А.А., «Генератор аксионного поля с использованием векторного потенциала спиральной структуры», http://ftp.bspu.unibel.by.
19 Электрические измерения. Средства и методы измерений (общий курс), под редакцией Е.Г. Шрамкова, М., 2017 — 520с.
20 Яворский Б.М., Детлаф А.А., “Справочник по физике”, «Наука» 2016г — 512с.
21 «Векторный потенциал», http://nature.web.ru
22 http://macmep.h12.ru.
