ВИМІРЮВАННЯ МАГНІТНИХ ПАРАМЕТРІВ ТА ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРІАЛІВ

Магнітні параметри матеріалів

Магнітне поле у вакуумі характеризується магнітною індукцією В та напруженістю магнітного поля Н, пов'язаних через магнітну сталу

Якщо в магнітному полі знаходиться фізичне тіло, то в ньому виникає намагніченість J, пропорційна напруженості магнітного поля:

де к - безрозмірний коефіцієнт пропорційності, що називається магнітною сприйнятністю.

Отже, повна магнітна індукція в матеріалі дорівнює;

Числове значення, знак магнітної сприйнятності та її залежність від магнітного поля, температури та інших факторів визначають магнітні властивості цього чи іншого магнетика.

Сьогодні виділяють п'ять основних видів магнітного упорядкування в матеріалах: діамагнетизм, парамагнетизм, феромагнетизм, антиферомагнетизм та феримагнетизм.

Діамагнетизм характеризується малим від'ємним значенням магнітної сприйнятності. Діамагнетики - це матеріали, в яких намагніченість напрямлена проти зовнішнього магнітного поля, що цю намагніченість створило. Інакше кажучи, результуюче магнітне поле в цієї групи слабкіше від зовнішнього магнітного поля. До діамагнетиків належать вода, водень, кварц, срібло, мідь та інші. Характерною особливістю цих матеріалів є повна компенсація магнітних моментів атомів і молекул.

Парамагнетизм виникає за рахунок орієнтації неповністю скомпенсованих атомних магнітних моментів за напрямом зовнішнього магнітного поля і характеризується малими додатними значеннями магнітної сприииятиосп. В результаті внутрішнє поле дещо більше за зовнішнє.

Феромагнетизм полягає в існуванні у речовині цілих областей - доменів в яких матеріал намагнічений до стану насичення. Магнітна сприйнятність феромагнетиків досягас 10⁵... 10⁶ і суттєво залежить від напруженості магнітного поля, від температури. Феромагнетиками є залізо, нікель, кобальт та деякі їхні сплави.

Антиферомагнетизм с наслідком антипаралельної орієнтації однакових за значенням магнітних моментів сусідніх атомів чи іонів за відсутності зовнішнього магнітного поля. Під дією зовнішнього магнітного поля елементарні магнітні моменти прагнуть розміститись за напрямом силових ліній зовнішнього магнітного поля, дещо посилюючи магнітне поле. Антиферомагнетики (оксид заліза, оксиди мангану) характеризуються малим додатним значенням магнітної сприйнятності, залежним від температури.

Феримагнетизм є нескомпенсованим антиферомагнетизмом. Феримагнітні матеріали - ферити, до яких належать структури на основі оксиду заліза з оксидами інших металів, характеризуються магнітною сприйкятністю (відносною магнітною проникністю), яка може досягати десятків тисяч.

Існують граничні температури - точка Кюрі для феромагнетиків і точка Неєля для антиферомагнетиків, вище якої названі речовини стають парамагнетиками, наприклад для кобальта - це 1393 К, заліза 1043 К.

Найбільше застосування з техніці, як магнітні матеріали, мають феромагнетики та ферити. Феромагнітні матеріали вирізняються високими показниками магнітних характеристик: високою магнітною проникністю, високою індукцією насичення. Ферити мають дуже високий питомий електричний опір при порівняно непоганих показниках магнітних характеристик, що забезпе їм широке застосування у високочастотній техніці (до сотень мегагерц). Феромагнітні матеріали використовують на частотах до десятків кілогерц.

За спільністю основних ознак магнітні матеріали ділять на три основні групи-

- магнітом'які, що мають високу магнітну проникність і малу коерцитивну силу (не більше ніж 4 кА/м);

- магнітотверді, що мають високу коерцитивну силу (понад 4 кА/м) і ніж у магнітом'яких матеріалів, магнітну проникність;

- матеріали зі спеціальними властивостями (термомагнітні, магнітострикційні);

Для порівняння властивостей різних магнітних матеріалів та розрахунку засобів що містять магнітні кола, необхідно знати магнітні характеристики цих матеріалів

Характеристики матеріалів, визначені в сталому магнітному полі, називають статичними, а характеристики, визначені в змінному магнітному полі - динамічними.

До основних статичних характеристик відносять основну криву намагнічення та граничну петлю гістерезису.

При намагнічуванні попередньо розмагніченого магнітного матеріалу (Н=0, В=0) в зовнішьому магнітному полі, напруженість Н якого монотонно збільшується, характер залежності B=f{H) набуває вигляду кривої 1 (рис. 9,а), яка називається кривою початкового намагнічування.

а) б)

Рис.9. Основні статичні характеристики магнітних матеріалів

Якщо попередньо розмагнічений магнітний матеріал намагнітити полем напруженістю +Н1, а згодом монотонно змінювати її від +Н1 до –Н1 і знову до +Н1,то магнітна індукція буде змінюватись за кривою 2, яка називається петлею магнітного гістерезису.

Кожному значенню діапазону зміни Н, намагнічувального поля відповідає своя петля гістерезису.

При деякому значенні напруженості магнітного поля, починаючи від Нмакс, форма і розміри петлі гістерезиса при подальшому збільшенні цього значення вже не змінюється, а зростають лише її безгістерезисні ділянки. Така петля називається граничною петлею гістерезиса. Точки перетину граничної петлі гістерезису з осями координат визначають залишкову індукцію Вr, та коерцитивну силу Нc які разом з індукцією насичення Вс є числовими характеристиками магнітних матеріалів. Властивості деяких магнітних матеріалів, особливо феритів, також характеризуються коефіцієнтом прямокутності петлі гістерезису kn=Br/Bs. Матеріали, в яких кn≈1, називають матеріали з прямокутною петлею гістерезису.

Петлі гістерезису, що знаходяться всередині граничної, називають частковими (окремими). Геометричне місце вершин симетричних часткових петель гістерезису, отриманих при циклічному перемагнічуванні матеріалу, називають основною кривою намагнічування (крива 3, рис. 9). Вона є основною паспортною характеристикою магнітного матеріалу.

Враховуючи основну криву намагнічування.можна визначити характеристику магнітної проникності:

нормальну статичну магнітну проникність –

;

диференціальну - ;

початкову - ;

та максимальну - .

де mx та my - масштаби по осях координат.

Поняття диференціальної проникності μдиф найчастіше використовують при вирішенні завдань, зв'язаних з одночасною дією на магнітний матеріал сталого Н^- та змінного Н^~ магнітних полів (звичайно, за умови, що Н^~<<Н-)

Магнітотверді матеріали з високим значенням залишкової індукції і коерцитивної сили, котрі застосовуються як постійні магніти, найкраще характеризувати ділянкою петлі гістерезису, що у другому квадранті по осях В і Н, яку називають кривою розмагнічування. Для таких матеріалів важливою є залежність об'ємної густини енергії в матеріалі ВН/2 від магнітної індукції (рис. 10).

Рис. 10. Залежність ВН/2 від індукції

Важливою динамічною характеристикою магнітних матеріалів є сім'я динамічних магнітних петель — сукупність залежностей миттєвих значень індукції від миттєвих значень напруженості, що визначаються при певних значеннях амплітуд цих магнітних величин, які поступово збільшуються. Ці залежності, на відміну від залежностей В =f(H) на постійному струмі, називаються динамічними магнітними петлями, оскільки, крім гістерезисних явищ, вони визначаються формою кривої та частотою зміни магнітної напруженості, електропровідністю матеріалу тощо. Залежність амплітуди магнітної індукції від амплітуди напруженості магнітного поля називається основною динамічною кривою намагнічування.

Із зростанням частоти форма динамічних петель наближається до еліпса, а петля може бути подана у вигляді гармонічно змінних в часі напруженості Н=Нsinωt індукції B=Bmsin(ωt-δ) де ω - кут фазового зсуву між цими синусоїдами. При цьому, вводять поняття комплексної магнітної проникності

,

де та - відповідно, дійсна (пружна) та уявна (в'язка) складові комплексної магнітної проникності.

Важливою характеристикою матеріалу в змінному магнітному полі є потужність, що розсіюється в одиниці об'єму матеріалу у функції амплітуди індукції Р=f(Bm), яка називається питомими магнітними втратами.

Магнітні кола та досліджувані зразки

Суть вимірювань магнітних параметрів матеріалів зводиться до визначення їх магнітного стану при дії магнітного поля. При таких дослідженнях магнітний матеріал стає елементом магнітного кола - сукупності тіл та ділянок середовища, через які проходить магнітний потік. Магнітне коло складається з джерела магнітного поля - це постійні магніти або обмотки з намагнічувальним струмом та ділянки кола, через які замикається магнітний потік. Магнітні кола бувають замкненими або розімкненими, поляризованими або нейтральними.

У замкнених магнітних колах магнітний потік проходить практично повністю через магнітні матеріали. Розімкнені магнітні кола мають на шляху магнітного потоку і немагнітні середовища, наприклад, повітряні проміжки. В поляризованих магнітних колах джерелом магніторушійної сили є постійний магніт, у неполяризованих - обмотка зі струмом.

Основну частину магнітного кола складають зразки досліджуваного матеріалу.

Найбільша однорідність намагнічування при найменших потоках розсіювання досягається в кільцевих зразках (тороїдах). Зразки можуть бути суцільними, набиратись із штампованих кілець чи намотуватись зі стрічки. При дослідженнях на змінному струмі кільця чи сусідні витки обмотки повинні бути електрично ізольовані.

Намагнічувальна та вимірювальна обмотки навиваються по периметру кільця, при чому вимірювальна обмотка може бути розподіленою або зосередженою на певній ділянці кільця, а намагнічувальна обмотка обов'язково повинна бути рівномірно розподілена по всьому периметру. Напруженість намагнічувального поля в цьому випадку розраховується за формулою

де w - кількість витків намагнічувальної обмотки; І - намагнічувальний струм; Rср - середній радіус кільця.

Для забезпечення практичної рівномірності намагнічування по всьому перерізу кільця приймають відношення зовнішнього радіуса кільця до внутрішнього не більш ніж 1,2.

При дослідженні листових матеріалів поряд з кільцевими широко використовуються зразки у вигляді пакетів, набраних зі стрічок, з яких складають магнітне коло у вигляді квадрата. В кутах квадрата стрічки пакетів укладають впритул і внакладку. Намагнічування здійснюється за допомогою чотирьох прямокутних намагнічувальних котушок, які накладаються на пакети досліджувального матеріалу і закріплюються. Недоліком такого магнітного кола є те, що в місцях стикання пакетів утворюються повітряні проміжки, а намагнічу вальні обмотки охоплюють не все магнітне коло. Крім цього, наявність повітряних проміжків може суттєво вплинути на точність результату вимірювання. Справа в тому, що при намагнічуванні незамкнутого зразка зовнішнім полем напруженістю Нз, напруженість всередині зразка зменшиться на величину, пропорційну намагніченості J; тобто буде Н=Нз-JN, де N - коефіцієнт розмагнічування, який залежить від форми досліджуваного зразка.

Через складність виготовлення кільцевих зразків та неможливість отримати в них великих напруженостей магнітного поля при дослідженні магнітних матеріалів часто користуються спеціальними пристроями, що називаються пермеаметрами, які дозволяють проводити досліджування зразка у вигляді стрічок та стержнів прямокутного і круглого перерізів в практично замкненому магнітному полі.

Будова пермеаметра сильних магнітних полів (до 6-10⁵ А/м) наведена на рис. 11.а Такий пермеаметр електромагніт служить для визначення магнітних характеристик висококоерцитивних сплавів для постійних магнітів. Між двома па частинами ярма 1, виготовленими з електротехнічної сталі, затиснуті вкладки з полюсними наконечниками 3. Між полюсними наконечниками затискається дослідний зразок 4. Намагнічувальні обмотки 5 розміщені на полюсах електромагніту. Для визначення магнітної індукції в зразку на нього намотують вимірювальну обмотку wв. Напруженість магнітного поля вимірюють за допомогою котушки wв1 яка щільно прилягає до зразка і в моменти вимірювання виноситься із зони вимірювання.

Будова пермеаметра середніх полів (до 8-10⁴ А/м) схематично показана на рис. 11.б.

Пермеаметр має масивне ярмо 1, виготовлене з електротехнічної сталі, яке замикаючи досліджуваний зразок 2, створює практично замкнене магнітне коло. Намагнічувальне поле створюється намагнічувальною котушкою 3. Котушка 4 служить для вимірювань магнітної індукції.

Одним із суттєвих елементів магнітного кола є пристрій для створення необхідного режиму намагнічування. Справа в тому, що отримати однозначні результати вимірювань магнітних параметрів можливо лише за умови забезпечення заданого режиму зміни в часі напруженості або магнітної індукції, що еквівалентно підтриманню відповідної форми кривої намагнічувального струму або індукованої ЕРС

Рис 11. Будова пермеаметрів

Рис.12. джерела намагнічу вального струму

На рис. 12,а наведена спрощена схема джерела намагнічувального струму на основі потужного операційного підсилювача.

Забезпечивши R4/R3=R2/R1 матимемо пропорційність струму і₁ в намагнічувальній обмотці напрузі u джерела живлення (таку ж форму кривої): і₁=u/R3.

Аналогічно можна створити,необхідний режим зміни в часі магнітної індукції. В пристрої рис. 12,б в забезпечивши R4/R3 =R2/R1 матимемо пропорційність ЕРС та вхідної напруги

.

Оскільки ЕРС є похідною від індукції то для отримання, наприклад, синусної чи пилоподібної кривої індукції необхідна відповідно синусна чи прямокутна форма вхідної напруги.

Вимірювання параметрів магнітних матеріалів

Визначення цього чи іншого параметра можна здійснити двома способами: вимірюванням спеціалізованим засобом вимірювань, або відповідним опрацюванням інформації, що знаходиться в попредньо визначеній сім'ї гістерезисних петель. Проведення відповідних обчислень за заданими програмами за допомогою сучасних засобів мікроелектроніки, зокрема за допомогою мікропроцесорів, не є складним і вимагає мінімальних затрат.

Розглянемо методи безпосереднього вимірювання параметрів та характеристик магнітних матеріалів.

Вимірювання координат магнітних петель (з побудовою петель гістерезиса) полягає у вимірюванні миттєвих значень магнітної індукції і напруженості магнітного поля в зразку. Оскільки індукція всередині матеріалу може бути визначена лише інтегруванням індукованої у вимірювальній обмотці ЕРС, то важливо правильно вибрати інтегрувальні перетворювачі для проведення досліджень. При цьому необхідно врахувати, що при намагнічуванні на інфразвукових частотах значення індукованої ЕРС дуже мале, тому виникає проблема підвищення чутливості. З підвищенням частоти намагнічування необхідно збільшити смугу пропускання каналів вимірювань магнітної індукції та напруженості магнітного поля для зведення до мінімуму частотних та фазових похибок. Крім цього, на підвищених частотах важко реалізовувати реєстрацію результатів вимірювань.

Є дві групи методів визначення магнітних петель. Для першої характерна синхронність процесів перемагнічування і вимірювання магнітної індукції та напруженості магнітного поля в неперервній чи дискретній множині точок, тобто вимірювання і реєстрація петлі здійснюються за один цикл перемагнічування або повторюються в кожному наступному циклі з метою одержання неперервного відображення петлі на реєструвальному пристрої чи на екрані осцилографа.

Інші методи характерні відсутністю залежності між періодом намагнічування часом визначення петлі.

До першої групи належать індукційно-імпульсний метод та квазістатичний метод, до другої - фазочутливий (ферометричний та стробоскопічний методи).

Індукційно-імпульсний метод заснований на інтегруванні імпульсів ЕРС, що виникають у вимірювальній котушці при стрибкоподібній зміні напруженості магнітного поля в дискретній кількості точок. Інтегрування (вимірювання імпульсу струму) може здійснюватись за допомогою балістичного гальванометра чи веберметра.

Рис.13.Спрощена схема балістичної установки і схема визначення характеристик осцилографічним методом

Спрощена схема балістичної установки для визначення петель гістерезису дана на рис. 13. Значення намагнічувального струму і та наведеної у вимірювальній обмотці ЕРС і їх зв'язок з вимірюваними магнітними параметрами мають такий вигляд:

,

і покази веберметра

У наведених формулах прийнято: lсер = πDсер — середня довжина досліджуваного кільця (тороїду); Dсep - середній діаметр кільця; S - площа його поперечного перерізу; w1, та w2 - відповідно кількості намагнічувальних та вимірювальних витків.

Квазістатичний метод (індукційно неперервний) можна вважати різновидом індукційно-імпульсного, коли замість балістичного гальванометра чи веберметра використовується електронна інтегрувальна ланка і здійснюється неперервна зміна напруженості магнітного поля. Результати вимірювань реєструються в аналоговому вигляді (зображення на графопобудовувачі - двокоординатному самописці) або в цифровому вигляді (сукупністю пар цифрових координат петлі, отриманих шляхом вимірювань спаду напруги на резисторі в колі намагнічувального струму і напруги на виході інтегратора, які плавно змінюються в часі.)

Вимірювання напруг може бути здійснено цифровим вольтметром постійного струму.

Вимірювальна установка, шо заснована на квазістатичному методі, наведена на Рис. 13,б

Відповідні співвідношення між параметрами мають вигляд:

, ,

Характеристики магнітних матеріалів, одержані у змінних магнітних полях, називаються динамічними. Вони у значній мірі залежать не тільки від якості самого матеріалу, але й від форми і розмірів досліджуваного зразка, форми кривої та частоти намагнічувального поля тощо. За значеннями динамічних характеристик зразка можна робити висновки про його придатність до конкретних умов намагнічування.

До основних динамічних характеристик магнітних матеріалів відносяться: динамічна крива намагнічування , комплексна магнітна проникність μ і потужність втрат Р_В на перемагнічування матеріалу.

Під час намагнічування матеріалів періодично змінним магнітним полем магнітна індукція змінюється по кривій, що називається динамічною петлею гістерезису. Її площа визначає енергію, що розсіюється за цикл перемагнічування, тобто втрати енергії внаслідок гістерезису, вихрових струмів, магнітної в’язкості.

Геометричне місце вершин часткових динамічних петель гістерезису називають динамічною кривою намагнічування . Її можна побудувати, якщо виміряти ряд амплітудних значень індукції та відповідних значень напруженості.

Оскільки залежність нелінійна, то часові зміни індукції B(t) і намагніченості H(t) не можуть бути одночасно синусоїдними навіть при намагнічуванні зразка від джерела струму синусоїдної форми. Режим намагнічування – синусоїдна індукція чи синусоїдна напруженість – залежить від значення активного опору намагнічувального кола. Якщо активний опір досить великий, то намагнічу вальний струм і напруженість поля будуть практично синусоїні, а індукція – несинусоїдна. При малих - навпаки (значення активного опору намагнічу вального кола залежить від діаметра проводу і кількості витків намагнічувальної обмотки).

Залежно від режиму намагнічування – синусоїдна індукція чи синусоїдна напруженість – змінюється форма і розміри динамічної петлі гістерезису, тому слід вказувати режим, за якого проводяться дослідження.

Бажаними характеристиками магнітних матеріалів при намагнічування в змінних магнітних полях є різні види магнітної проникності, зокрема амплітудна магнітна проникність , яку визначають як відношення амплітудних значень індукції та напруженості поля:

,

де μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м – магнітна стала.

Якщо реальну динамічну петлю гістерезису замінити еквівалентним еліпсом, що має таку саму площу, то індукцію і напруженість можна вважати синусоїдними величинами, тобто і , а магнітну проникність матеріалу називають комплексною магнітною проникністю:

,

де – модуль магнітної проникності, тобто амплітудна проникність; δ - кут втрат (кут запізнювання за фазою еквівалентної синусоїди індукції від еквівалентної синусоїди напруженості поля, зумовлений втратами енергії в матеріалі), причому

μ₁ – пружна, або реактивна, складова комплексної проникності, яка характеризує оборотні процеси під час перемагнічування матеріалу;

μ₂ - в’язка, або активна, складова комплексної проникності, яка характеризує оборотні процеси під час перемагнічування матеріалу, пов’язані з перетворенням електромагнітної енергії в теплову.

Значення величин μ₁ і μ₂ визначають за формулами:

і ,

де – довжина середньої магнітної лінії у досліджуваному зразку; S - площа поперечного перерізу зразка; R_M, X_M i Z_M - відповідно активний, реактивний і повний опір зразка.

Визначення динамічних характеристик матеріалів

Найпоширенішим і найточнішим методом визначення динамічних характеристик магнітних матеріалів є метод амперметра, вольтметра і ватметра. Цей метод в основному застосовують для дослідження магнітних матеріалів у звуковому діапазоні частот, однак, використовуючи прилади з розширеним частотним діапазоном, його можна використовувати і на частотах до 200 Гц. Вимірювання здійснюють за схемами рис.14.

Даний метод визначення динамічних характеристик магнітних матеріалів базується на законі електромагнітної індукції. Для визначення основної кривої намагнічування на досліджуваний зразок із феромагнітного матеріалу (рис.1.) намотують дві обмотки: намагнічувальну з кількістю витків w₁ і вимірювальну, з кількістю витків w₂.

За намагнічування зразка в режимі синусоїдної напруженості поля та несинусоїдної індукції амплітудне значення напруженості намагнічувального поля H_M можна визначити на підставі закону повного струму , тобто:

, A/м,

де I_1M, I₁ – амплітудне та середньоквадратичне значення намагнічу вального струму, A; - довжина середньої магнітної лінії в зразку, м (для зразка тороїдної форми: , де – середній діаметр зразка).

Для визначення амплітудного значення магнітної індукції необхідно виміряти середньовипрямлене значення ЕРС E₂, наведеної в обмотці w₂. Тоді:

, Тл,

де E₂ – середньовипрямлене значення ЕРС, B; f - частота намагнічу вального струму, Гц; S - площа поперечного перерізу зразка, м².

Формула справедлива для довільної форми кривої ЕРС E₂. Для вимірювань E_2cep застосовують вольтметри середньо випрямлених значень. Оскільки вольтметром V вимірюють не ЕРС E₂, а спад напруги U₂ на обмотці w₂, то для точнішого визначення індукції необхідно врахувати споживання струму вольтметром і колом напруги ватметра, тобто:

,

де – середньо випрямлене значення напруги , В; - активний опір обмотки w₂, Ом; - повний активний опір кола вимірювання напруги , Ом; - опір вольтметра , Ом; - опір кола напруги ватметра , Ом.

Намагнічування зразка найчастіше здійснюють в режимі несинусоїдної напруженості поля та синусоїдної індукції, а амплітудне значення намагнічувального струму I_1M, який має несинусоїдну форму, визначають шляхом вимірювання спаду напруги на без реактивному резисторі R_N за допомогою вольтметра амплітудних значень V_m (на схемі рис.1,а показані пунктирною лінією). Тоді:

,

де U_M – показ вольтметра амплітудних значень , В; R_N - опір резистора, Ом.

Для вимірювання ЕРС E₂, яка має синусоїдну форму, можна використати вольтметр V середньоквадратичних значень, тоді:

, Тл,

де E₂ – середньоквадратичне значення ЕРС E₂, В; U₂ - середньоквадратичне значення напруги U₂, В; k_ф - коефіцієнт форми кривої ЕРС E₂,, (для синусоїди k_ф=1,11 ).

Потужність втрат перемагнічування матеріалу, які складаються із втрат на гістерезис, вихрові струми, магнітну в’язкість та ін., вимірюють за допомогою ватметра за схемами рис.14.

Оскільки коло напруги ватметра під’єднане до вимірювальної обмотки зразка, число витків якої w₂ у загальному випадку може не співпадати з числом витків w₁ намагнічувальної обмотки, а струмове коло ватметра ввімкнене в коло намагнічувальної обмотки w₁, то покази ватметра треба перерахувати , звівши їх до числа витків намагнічу вальної обмотки. Крім цього, при вимірюванні малих потужностей може виникнути методична похибка, зумовлена споживанням самих приладів, для виключення якої треба рахувати потужність, споживану вольтметром і колом напруги ватметра. Тоді потужність втрат феромагнітного зразка за схемою рис.14,а визначають так:

,

де P_W – показ ватметра ,Вт.

А за схемою рис.14,б:

,

де – номінальне значення коефіцієнта трансформації вимірювального трансформатора струму.

Питомі втрати визначають за формулою:

, Вт/кг,

де М – маса досліджуваного зразка ,кг.

З достатньо для практичних обчислень точністю модуль комплексного магнітного опору зразка обчислюють за формулою:

,

а його реактивну і активну складові:

, .

Маючи ці значення, можна обчислити значення складових комплексної магнітної проникності μ₁ і μ₂, а також її амплітудне значення:

.

Граничне значення абсолютної похибки вимірювання потужності втрат визначається за формулою: , Вт, де - граничне значення основної відносної похибки показу ватметра.

Тоді результат вимірювання потужності втрат (для моменту входження досліджуваного зразка в режим насичення) записують у стандартній формі:

, Вт.

а)

б)

Рис.14. Визначення динамічних характеристик матеріалів

Зауваження: Перед початком вимірювань необхідно розмагнітити досліджуваний зразок, для цього встановити струм у намагнічувальній обмотці достатній для насичення досліджуваного зразка, а потім повільно зменшити цей струм до нуля. Експериментальне визначення основної кривої намагнічування починають з найменших значень намагнічувального струму, за яких забезпечується відлік у межах робочих діапазонів використаних приладів, і закінчують в режимі насичення.

Вимірювання потужності магнітних втрат здійснюють калориметрами, ватметрами, мостами змінного струму, компенсаторами. Калориметричний метод заснований на вимірюванні теплоти, що розсіюєтья досліджувальним зразком у довкілля в усталеному тепловому режимі. Позитивні особливості методу полягають у відсутності залежності результатів вимірювань від частоти намагнічування, порівняно висока точність. Однак, трудомісткість процесу вимірювання, громіздкість калориметрів,

складність автоматизації суттєво обмежують застосування калориметричного методу.

Найбільше використовується ватметровий метод вимірювання потужноті втрат. Питомі магнітні втрати визначаються за виразом

де V та m— відповідно, об'єм та маса досліджуваного зразка, Т - період перемагнічування.

Оскільки а то

Іншими словами, для вимірювань питомих магнітних втрат необхідно в послідовне коло схеми увімкнути коло намагнічувального струму i(t), а його паралельне коло - до вимірювальної обмотки w2, в якій індукується ЕРС e2(t), як на рис. 15

Рис 15. схема ватметрового методу вимірювання втрат на перемагнічування

Вимірювання питомих магнітних втрат здебільшого проводять в одному з граничних режимів намагнічування, тобто коли один із сигналів на вході ватметра синусний, а інший є сумою гармонічних складових.

Через ортогональність тригонометричних поліномів в цьому випадку останній вираз набере вигляд

де І1 та Е2 - діючі значення перших гармонік намагнічувального струму на ЕРС індукції; φ - фазовий кут між ними.

З підвищенням якості магнітних матеріалів питомі втрати мають тенденцію до зменшення, що призводить до зменшення cos <φ. Ця обставина ставить підвищені вимоги до ватметрів у відношенні їх чутливості, широкополосності, номінального cosφ. Очевидно, що найкраще цим вимогам задовільняють малокосинусні електронні ватметри. Враховуючи, що такі ватметри мають великий опір кола напруги, то в цьому випадку відпадає потреба враховувати споживання ватметра і вносити поправку на методичну похибку.

Мостовий метод вимірювань полягає в тому, що намагнічувальна обмотка зразка вмикається в одне з плеч моста змінного струму. В одну з діагоналей моста вмикають джерело намагнічувального струму, в іншу - вибіркований вказівник рівноваги, настроєний на першу гармоніку частоти намагнічування. Міст зрівноважують і, враховуючи умови рівноваги моста, визначають параметри послідовної схеми заміщення досліджувального зразка з намагнічувальною обмоткою

,

У свою чергу Lx та Rx позв'язані з магнітними параметрами досліджуваного матеріалу для кільцевого зразка середнім діаметром D та площею поперечного перерізу S залежностями:

,

де μ1 та μ2 - пружна та в'язка складові комплексної магнітної проникності; φ - кількість витків намагнічувальної обмотки; ω - колова частота намагнічувального струмey, RM - опір втрат в матеріалі зразка, який дорівнює різниці виміряного опору Rx та опору обмотки R0 на даній частоті; tgδ - тангенс кута магнітних втрат.

Вимірявши U та Rx при різних значеннях напруженості магнітного поля, частоти, температури довкілля, можна визначити тангенс кута втрат, температурний коефіцієнт магнітної проникності.

Останнім часом для досліджень магнітних параметрів матеріалів широке застосування мости з автоматичним керуванням, що дає змогу значно підвищити продуктивність праці при вимірюваннях.

Рис.16. Схема моста

Найточніше виміряти магнітні параметри матеріалів за першою гармонікою можна, вимірявши амплітуди та фази перших гармонік сигналів на обмотках досліджуваного зразка за допомогою компенсаторів змінного струму. Компенсаційні засоби вимірювань застосовують для вимірювання за першими гармоніками основної кривої динамічного намагнічування, питомих магнітних втрат, комплексної магнітної проникності в різних режимах намагнічування в звуковому діапазоні частот.