Нахождение магнитной проницаемости
Экспериментально найти магнитную проницаемость тороидального магнитопровода можно следующим образом. На образец ферромагнетика равномерно по всей длине наматывают пробную обмотку, состоющую из ряда витков провода, число витков которого обозначим буквой W. Чтобы точность определения магнитной проницаемости была высокой, число витков должно быть ориентировочно не менее 40.
На следующем этапе измеряют индуктивность пробной обмотки и рассчитывают магнитную проницаемость по следующей формуле:
где L — измеренная индуктивность катушки, мкГн;
W — число витков;
Асоге — внешний диаметр магнитопровода, мм;
Всоге — внутренний диаметр кольцевого магнитопровода, мм;
Ссоге — высота магнитопровода, мм.
Выводы обмотки и соединительные провода, ведущие к измерительному прибору, обладают индуктивностями, что необходимо учесть при измерении. Паразитную индуктивность следует найти и вычесть из общей измеренной индуктивности катушки. Для минимизации паразитной индуктивности выводов их длина должна быть минимальна, желательно не более нескольких миллиметров.
Измерение индукции насыщения и напряженности поля магнитопровода
Наиболее просто измерить индукцию насыщения образца магнитопровода с помощью специализированного прибора: тесламетра. Промышленность выпускает тесламетры, принцип действия которых основан на использовании ядерного магнитного резонанса, баллистического гальванометра, преобразователя Холла и пр. Однако тесламетры — это довольно дорогие измерительные приборы, и к тому же — весьма дефицитные. Не все разработчики могут себе позволить специальное оборудование и часто используют известный способ измерения, для которого не требуется тесламетр. Рассмотрим его.
Измерить индукцию насыщения и напряженность поля магнитопровода можно с помощью электронно-лучевого осциллографа, причем измерение может быть выполнено с погрешностью, не превышающей нескольких процентов. Принципиальная схема стенда изображена на рис. 1.
Рис. 1. Схема измерительной установки
Резистор R1 обычно выбирают сопротивлением 0,1..1 Ом. Для того чтобы его наличие существенно не влияло на измеряемые параметры петли гистерезиса, этот резистор следует использовать с как можно меньшим сопротивлением. Однако, чем меньше сопротивление резистора R1, тем меньшее падение напряжение на нем, а, значит, для измерений может потребоваться высокочувствительный осциллограф. Спаянные выводы резистора R1, первичной обмотки трансформатора TV1 и провода к пластине горизонтального отклонения луча могут быть заземлены и электрически объединены с цепью, соединяющей выводы вторичной обмотки трансформатора TV1, конденсатора С1 и провода к пластине вертикального отклонения луча.
Трансформатор TV1 — это образец с искомыми магнитными параметрами. Переменное напряжение на его первичной обмотке пропорционально напряженности магнитного поля:
где R1 — сопротивление резистора R1;
Н — мгновенная напряженность поля магнитопровода, А/м;
l0 — протяженность тороидального магнитопровода вдоль осевой линии, м;
W1— число витков в первичной обмотке.
Ток первичной обмотки трансформатора, протекая через резистор R1, создает на нем падение напряжения, которое пропорционально напряженности магнитного поля в образце. Это падение напряжения подводят к пластинам осциллографа, отклоняющим луч в горизонтальной плоскости. Во вторичной обмотке трансформатора возникает ЭДС величиной Е = -dФ• W2/dt. Для того чтобы сигнал на пластинах осциллографа, отклоняющих луч в вертикальной плоскости, был пропорционален магнитной индукции Ф/S, напряжение, снимаемое с вторичной обмотки трансформатора, следует проинтегрировать. Интегрирование может быть выполнено RC-цепью, как изображено на рис.1, или с помощью операционного усилителя, включенного как интегратор. Чтобы паразитные сопротивления не вносили существенной погрешности, сопротивление резистора R2 должно быть принято весьма высоким и превышать на порядки реактивное сопротивление конденсатора С1. Напряжение на выводах конденсатора С1, пропорциональное магнитной индукции в сердечнике, можно найти по формуле:
Перед проведением измерений следует отградуировать каналы осциллографа. От генератора на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины подают среднеквадратические напряжения Uy и Ux известных величин и вычисляют масштабные коэффициенты.
Коэффициент масштабирования mх, выраженный в В/см, для горизонтально отклоняющих пластин вычисляют согласно выражению:
где lх — расстояние смещения луча по абсциссе, см.
Аналогичным образом, можно найти коэффициент масштабирования mу в В/см для вертикально отклоняющих пластин по формуле:
где ly — расстояние, на которое смещается луч вдоль ординаты, см.
Достоинство такого способа измерения заключается в возможности визуального контроля петли гистерезиса. Образец может быть исследован на высокой частоте, если это позволит полоса пропускания примененного осциллографа. Зная индукцию насыщения магнитопровода и напряженность поля, легко можно вычислить магнитную проницаемость по известной формуле:
где В — магнитная индукция, Тл;
Н — напряженность поля, А/м;
µ0 — магнитная постоянная вакуума, Гн/м.
Недостатки состоят в необходимости собирать макетную установку, состоящую из нескольких компонентов, и в наличии довольно большой погрешности измерения, основной вклад в которую вносит погрешность осциллографа и погрешность визуального считывания показаний.
