Teplotní závislost permeability feritů

Teplotní závislost permeability feritů

Úkol měření:

Změřte teplotní závislost indukčnosti L = f (J jednoho vzorku toroidní feritové cívky.

Spočtěte počáteční relativní permeabilitu m_{r poč}

Nakreslete graf m_{r poč.}= f (J

Stanovte maximální pracovní teplotu feritu J_max.

Postup měření:

Celková magnetická indukce uvnitř cívky s feritovým jádrem je složena ze dvou příspěvků, indukce ve vakuu m H a magnetické polarisace J feritového materiálu.

/1/

kde m permeabilita vakua.

Relativní permeabilitu m_r magnetika lze odvodit ze základního vztahu mezi indukcí a intenzitou magnetického pole

/2/

z čehož pak plyne, že

/3/

Počáteční relativní permeabilita m_{r poč.} je definována jako podíl přírůstků indukce DB a intenzity DH magnetického pole pro DH 0, měřená na uzavřeném magnetickém jádře (např. toroidním nebo hrníčkovém jádře)

/4/

Pokud je v uzavřeném magnetickém obvodu vytvořena mezera, permeabilita jádra bude nižší v důsledku vyšší reluktance vzduchové mezery a je nazývána efektivní  permeabilitou. Její hodnota nezávisí pouze na materiálu jádra, ale také na jeho tvaru a rozměrech. V našem případě budeme pro měření používat toroidní jádra bez vzduchové mezery, a pro výpočet
m_{r poč} lze použít_. vztah

kde L je indukčnost cívky (H), l_s je délka (střední) magnetické siločáry ve vzorku (m), m je permeabilita vakua (4p.10^-7 H/m), S je průřez jádra cívky (m²) a N je počet závitů cívky (viz obr.1)

Curieova teplota definuje teplotní mez, po jejímž překročení ztrácejí feritové materiály své magnetické vlastnosti v důsledku rekonstrukce krystalové mřížky, přičemž zmíněný proces probíhá velmi razantně. Jev je reversibilní, při ochlazení vzorku pod Curieovu teplotu nabývá materiál původní magnetické vlastnosti.

Poloha Curieovy teploty na teplotní stupnici se mění s obsahem cizích příměsí ve feritovém materiálu. Vzhledem k tomu, že přítomnost cizích příměsí působí snížení Curieovy teploty, je nezbytné definovat pro jednotlivé typy feritových materiálů jejich maximální pracovní teplotu. Podle normy je maximální pracovní teplota J_max. feritů definována jako teplota, při níž počáteční relativní permeabilita poklesne na 50 % její hodnoty při 20°C (viz obr. 2).

Měřené cívky (s různými feritovými jádry) jsou umístěny v temperovaném metalickém bloku, k jehož  ohřevu je používána “horká deska” HP 01. Požadovaná teplota je ručně nastavitelná víceotáčkovým potenciometrem, pokud je přepínač „MĚŘENÍ/NASTAVENÍ“ v poloze „NASTAVENÍ“ a na displeji je indikována požadovaná hodnota teploty. V poloze přepínače „MĚŘENÍ“ je indikována teplota topné desky. Přesná hodnota teploty měřených vzorků je snímána dvěma termočlánky digitálním teploměrem GMH 3250 a přes sběrnici RS 232 je zobrazována na měřícím panelu programu „INDUKČNOST“. V průběhu měření volte rychlost nárůstu teploty tak, aby diference teploty obou termočlánků nepřevyšovala 1°C a tím bylo dosaženo rovnoměrného ohřevu vzorků v celém jejich objemu (v teplotním intervalu do 100°C měřte vzorek s krokem 10°C a dále pak s krokem 1°C). Požadovaný měřící cyklus RCLG metru FLUKE PM 6306 jakož i měření teploty jsou řízeny programem „INDUKČNOST“. Program používejte v módu jednotlivých měření s měřícím kmitočtem 1kHz. Spolupráce personálního počítače a zmíněných přístrojů se děje prostřednictvím sběrnic IEEE 488.2 a RS232 jak plyne z obr. 3.

Tabulka naměřených hodnot:

Grafy:

Závislost permeability na teplotě:

Výpočet:

Počáteční peremabilita

např. pro teplotu J 93,45°C

Hodnocení měření

Ferity se hojně využívají pro konstrukci magnetických obvodů (např. transformátory), protože mají vysokou resistivitu (1 Wm až 10⁵ Wm) a následkem toho mají velmi nízké ztráty výřivými proudy. Nejrozšířenější ferity jsou sloučeniny oxidů železa, vytvářející krystaly se spinelovou strukturou. V závislosti na způsobu uspořádání spinelové struktury se může projevovat jak ferimagnetické vlastnosti (tj. materiál obsahuje dva a vice atomů, které mají různé velikosti mag. momentů,  působících proti sobě. Tím pádem se vyrušují a jeden mag. moment převažuje.) tak feromagnetické vlastnosti (tj. materiál obsahuje dva a vice atomů se souhlasnou magnetickou orientaci, tím pádem mag. momenty se sčítají.)

Permeabilita je poměr magnetické indukce a intenzity magnetického pole. Lze říci, že je to schopnost látky „magnetizovat se“. Hlavní podmínkou dosažení vysoké permeability je malá krystalová anizotropie (tj. fyzikální vlastnost která, v případě permanentních magnetů, způsobuje rozdíly v množství magnetické energie, které je nezbytné pro magnetizaci magnetu v různých směrech). Ta je většinou závislá na teplotě.

Courierova teplota definuje teplotní mez, po jejímž překročení ztrácejí feritové materiály své magnetické vlastnosti v důsledku rekonstrukce krystalové mřížky. Tento jev probíhá velmi razantně a je reversibilní. Poloha Courierovy teploty se mění s obsahem cizích příměsí. Proto je nutné stanovit pro různé ferity maximální pracovní teplotu J_max. Ta se definuje jako teplota, při počáteční relativní permeabilita poklesne na 50% její hodnoty při 20°C.

Maximální pracovní teplotu J_max jsem určil z grafu závislosti permeability na teplotě, tato teplota nebude příliš přesná, protože počateční teplota měření byla 27°C. Permeabilitu při 20°C jsem musel odhadnout. Courierovu teplotu jsem určil z tabulky naměřených hodnot a ta je 100,05°C. Počáteční permeabilitu udává tabulka.