Дослiдження вебер-амперних характеристик магнiтних кiл постiйного струму
Робота 4. Дослiдження магнiтного кола постiйних струмiв
4.1 Мета роботи
Вивчити методи та прилади вимiрювання магнiтноi iндукцii i магнiтного потоку та дослiдити вебер-ампернi характеристики магнiтних кiл постiйного струму.
4.2 Короткi теоретичнi вiдомостi
Частину електротехнiчного пристрою, призначеного для створення в його робочому обтАЩiмi магнiтного поля заданоi iнтенсивностi i конфiгурацii, називають магнiтним колом. Магнiтне коло складаiться з елементiв, якi збуджують магнiтне поле (котушки, в яких протiкаi струм, постiйнi магнiти) i магнiтопроводiв, по яким замикаiться магнiтний потiк. Елементи, якi збуджують магнiтне поле за аналогiiю з електричним колом, називають магнiтно-рушiйними силами (м.р.с.) або намагнiчуючими силами.
Магнiтопроводи виконують роль тАЬпровiдникiвтАЭ магнiтного потоку подiбно провiдникам електричного струму в електричних колах.
Магнiтнi властивостi речовин визначаються величиною магнiтноi проникностi 
. Вона i фiзичною константою. В залежностi вiд величини магнiтноi проникностi всi речовини подiляють на дiамагнетики (мiдь, свинець, ртуть, алюмiнiй та iншi, 
[1-1
(10-6..10-5)]); парамагнетики (кисень, вуглець, деякi солi кобальту та iншi, 
) i феромагнетики (залiзо з домiшками, нiкель та iншi, 
, де 
Гн/м - магнiтна проникливiсть вакууму).
Феромагнетики використовують для виготовлення магнiтопроводiв магнiтних кiл. Чим вища магнiтна проникнiсть, тим кращим i магнiтний матерiал, бо при тiй же м.р.с. буде бiльшим магнiтний потiк.
Силовою характеристикою магнiтного поля, яке i однiiю iз форм електромагнiтного поля, i магнiтна iндукцiя В - середнi значення макроскопiчного магнiтного поля, яке утворюiться в данiй точцi простору як струмами провiдностi, так i наявними мiкрострумами в тiлi намагнiченого магнiтопроводу.
Магнiтне поле, яке створене струмами провiдностi (рухом вiльних носiiв електричних зарядiв) i яке не залежить вiд магнiтних властивостей середовища, характеризуiться вектором напруженостi магнiтного поля 
. Залежнiсть мiж iндукцiiю i напруженiстю магнiтного поля визначаi магнiтна проникнiсть речовини:
. /5.1/
Одиницею вимiру магнiтноi iндукцii i тесла (Тл), а напруженостi - ампер на метр, (А/м).
Величина напруженостi магнiтного поля залежить вiд величини струмiв, якi збуджують це магнiтне поле в магнiтному колi. Тому при однiй i тiй же напруженостi Н величина магнiтноi iндукцii В буде рiзною в магнiтних колах з рiзних матерiалiв. Щоби мати великi значення iндукцii, магнiтопроводи виготовляють з феромагнетикiв з великими значеннями магнiтноi проникностi (електротехнiчна сталь, пермалой, ферити тощо).
Особливiстю феромагнетикiв i нелiнiйна залежнiсть мiж магнiтною
Рис.5.1.
iндукцiiю i напруженiстю магнiтного поля, тобто магнiтна проникнiсть не i сталою величиною, а залежить вiд напруженостi магнiтного поля. Цю залежнiсть називають кривою намагнiчування. РЗi знiмають експериментально для кожного феромагнетика, i в довiдниках вона представлена у виглядi графiка В = f(H) або вiдповiдних таблиць.
На рис.5.1 наведенi залежностi B = f(H) для електротехнiчноi сталi 
i вакууму, для якого 
. З наведених графiкiв знаходимо, що при напруженостi магнiтного поля 200 А/м iндукцiя в сталi 
, а у вакуумi 
, що в 4000 разiв менше. Отже , магнiтопровiд iз електротехнiчноi сталi посилюi магнiтну iндукцiю в 4000 разiв у порiвняннi з вакуумом. При розрахунках магнiтну проникнiсть повiтря приймають рiвною 
.
Магнiтне коло бiльшостi електротехнiчних пристроiв (електромашин, реле, контакторiв та iнше) складаiться з магнiтопроводiв i повiтряних промiжкiв. Наприклад, магнiтопроводи i повiтрянi промiжки мiж статором i ротором електричних машин.
а) б)
Рис.5.2.
На рис.5.2 зображено просте послiдовне магнiтне коло з повiтряним промiжком l0. Магнiтне поле в сталевому осердi 1 збуджуiться котушкою зi струмом 2, магнiторушiйна сила якоi
F = IW, /5.2/
де РЖ - струм в провiдниках котушки, А; W - кiлькiсть виткiв у котушцi.
Магнiторушiйна сила F збуджуi в сталевому осердi довжиною lF та в повiтряному промiжку довжиною l0 вiдповiдно магнiтнi iндукцii BF i 
. Якщо магнiтну iндукцiю в поперечному перерiзi магнiтопровода вважати постiйною величиною, то магнiтний потiк в осердi
, /5.3/
де SF - площа поперечного перерiзу магнiтопровода, м2.
При невеликих значеннях повiтряних промiжкiв (l0 < 0,001 м) можна нехтувати замиканням (тАЬрозпертямтАЭ) магнiтного потоку з бокiв магнiтопровода (рис.5.2, б) i вважати, що
, /5.4/
де Sl - поперечний перерiз повiтряного промiжку.
Так як 
i 
, то Вl = ВF, тобто магнiтна iндукцiя в сталевому осердi i в повiтряному промiжку l0 вважаються рiвними: ВF = Вl = В.
Напруженiсть магнiтного поля в магнiтопроводi 
, а у повiтряному промiжку - 
. Оскiльки 
, то напруженнiсть HF значно менша напруженностi Нl:
.
Розрахунки магнiтних кiл за аналогiiю з розрахунками електричних кiл проводять на пiдставi законiв Ома i Кiрхгофа, прирiвнявши намагнiчуючу силу F до е.р.с., а магнiтний потiк Ф - до сили струму РЖ. Тому закон Ома для нерозгалуженого магнiтного кола матиме вигляд
, /5.5/
де Ф - магнiтний потiк; 
- магнiтний опiр кола.
Магнiтний опiр складаiться iз магнiтних опорiв дiлянок кола. Магнiтний опiр дiлянки залежить вiд магнiтноi проникливостi дiлянки 
i вiд ii геометричних розмiрiв:
, /5.6/
де lд - довжина магнiтних силових лiнiй в дiлянцi; Sд - поперечний перерiз дiлянки.
Для кола, наведеного на рис.5.2, магнiтнi опори дiлянок
; 
i рiвняння /5.5/ можна представити у виглядi
. /5.7/
Виразу /5.7/ вiдповiдаi заступна схема, наведена на рис.5.3.
На пiдставi заступноi схеми можна визначити величину магнiтного потоку, а знаючи його, визначають магнiтну iндукцiю, або, задавшись величиною В, визначають намагнiчуючу силу котушки РЖW.
Рис. 5.3. де 
- потокозчеплення котушки; РЖ i W - вiдповiдно струм та число виткiв котушки
Розрахунок або експериментальне дослiдження магнiтного кола дозволяi визначити такий дуже важливий параметр електромагнiтних пристроiв як iндуктивнiсть котушки
, [Гн] /5.8/
Дослiдження магнiтних кiл звтАЩязане з вимiрюванням магнiтного потоку i магнiтноi iндукцii. Вимiрювання магнiтного потоку ТСрунтуiться на використаннi явища електромагнiтноi iндукцii.
Рис.5.4.
На рис.5.4. зображена електрична схема вимiрювання магнiтного потоку iндукцiйно-iмпульсним методом. Вона складаiться iз котушки з числом виткiв Wк, опору Rд i балiстичного гальванометра з внутрiшнiм опором Rг. Якщо котушку помiстити в магнiтне коло, а потiм швидко видалити з нього, то змiна магнiтного потоку, який пронизуi котушку, спричинить виникнення в нiй електрорушiйноi сили
. /5.9/
Пiд дiiю е.р.с. eк в колi буде протiкати струм
, /5.10/
де R = Rк + Rд + Rг - загальний опiр кола котушки, доти, доки вiдбуваiться змiна магнiтного потоку, який пронизуi котушку. Цей струм буде iмпульсним i оцiнити його можна за кiлькiстю електричних зарядiв (носiiв струму) за час змiни потоку вiд Ф до нуля, тобто можна записати, що
. /5.11/
Заряд q, протiкаючи через балiстичний гальванометр, зумовить вiдхилення його стрiлки. Отже, ступiнь вiдхилення стрiлки гальванометра буде мiрою магнiтного потоку.
Прилади, якi призначенi для вимiрювання магнiтного потоку описаним вище методом, називаються мiлiвеберметрами. Крiм стрiлочних, випускають i цифровi мiлiвеберметри.
Стосовно вимiрювання магнiтного потоку мiлiвеберметром формулу /5.11/ можна представити у видi
, /5.12/
де Сф - цiна подiлки мiлiвеберметра, 
- кiлькiсть подiлок, на яку вiдхиляiться стрiлка.
При вимiрюваннi магнiтного потоку електромагнiтiв можна не видаляти вимiрювальну котушку з магнiтного поля, а вмикати (вимикати) струм котушки, яка збуджуi магнiтне поле.
Для вимiрювання магнiтноi iндукцii використовують ефект Холла, який полягаi в тому, що в пластинцi з металу або з напiвпровiдникового матерiалу, в якiй протiкаi струм РЖ i яка знаходиться в магнiтному полi, вектор якого перпендикулярний до вектора струму, виникаi електричне поле, направлене перпендикулярно до векторiв 
i 
. Напруженiсть цього поля (поле Холла)
, /5.13/
де d - товщина пластинки; Rx - стала Холла, яка залежить, в основному, вiд концентрацii носiiв струму (рис.5.5).
Рис.5.5.
РЖз рiвняння /5.13/ знаходимо, що магнiтна iндукцiя
, /5.14/
тобто В буде пропорцiйна Ех за умови РЖ = const.
За допомогою вимiрювальних перетворювачiв Холла можна вимiрювати магнiтну iндукцiю в межах 0,001..2 тесла.
Прилад, який побудований на використаннi ефекту Холла i який призначений для вимiрювання магнiтноi iндукцii, називаiться тесла-метром. Вiн складаiться з стрiлкового або цифрового приладу, щупа, в який вбудовано давач Холла, i джерела живлення постiйного струму зi стабiлiзованою напругою, щоби забезпечити РЖ = const при вимiрюваннi.
5.3 Програма роботи
1. Вивчити будову та принципи дii мiлiвеберметра i мiлiтесламетра.
2. Вивчити лабораторну установку дослiдження характеристик Ш-подiбного електромагнiта.
3. Експериментальним шляхом зняти вебер-амперну характеристику електромагнiта 
. На пiдставi експериментальних даних провести необхiднi розрахунки i побудувати криву намагнiчування B = f(H) i залежностi 
i Lк =f(Iк).
4. Зняти експериментально i побудувати характеристики, якi вказанi в п.3, якщо повiтряний промiжок мiж ярмом i якорем електромагнiта 
= 1 мм.
5. Зняти залежнiсть магнiтноi iндукцii в повiтряному промiжку вiд його величини 
i побудувати залежностi 
i 
.
6. Зробити висновки щодо кривоi намагнiчування i впливу величини повiтряного промiжку на характеристики i параметри магнiтного кола.
5.4 Опис лабораторноi установки
Лабораторна установка складаiться з Ш-подiбного електромагнiта, переносних мiлiвеберметра i мiлiтесламетра та джерела живлення з регульованою напругою.
Рис.5.6.
Магнiтне коло електромагнiта (рис.5.6) складаiться з ярма 1, якоря 2 i калiброваноi прокладки 3 iз немагнiтного матерiалу товщиною 
. Магнiтне поле збуджуiться котушкою зi струмом 4 i з числом виткiв Wз. На боковому стержнi магнiтопроводу розмiщена вимiрювальна котушка 5 з числом виткiв Wв.
Числа виткiв котушок i довжина середньоi лiнii магнiтопроводу (без повiтряних промiжкiв) наведенi на панелi установки. Там же вказана i максимально допустима сила струму котушки збудження РЖк.max.
На рис.5.7. наведена електрична схема установки. Вона складаiться iз джерела живлення постiйного струму G, регулятора напруги РН, котушки збудження електромагнiта К3, вимикача SA, амперметра РА i вольтметра PV. Вимiрювана котушка КВ пiдтАЩiднана до мiлiвеберметра mB.
Рис.5.7.
Напругу на котушцi збудження регулюють регулятором РН в межах 0..50В i вимiрюють вольтметром РV. Це дозволяi регулювати силу струму в котушцi збудження, тобто намагнiчуючу силу (
), вiд нуля до насичення магнiтопровода.
Магнiтний потiк, зчеплений з вимiрювальною котушкою, вимiрюють мiлiвеберметром при вмиканнi i вимиканнi струму РЖк вимикачем SA. При цьому вимiрюiться половина магнiтного потоку, створеного котушкою збудження.
5.5 Порядок виконання роботи
1. Ознайомившись з будовою мiлiвеберметра i мiлiтесламетра, проведiть iх випробування, вимiрюючи декiлька разiв магнiтний потiк i магнiтну iндукцiю постiйного магнiту, який закрiплений на стендi.
2. Вивчаючи будову лабораторноi установки, звернiть увагу на спосiб змiни повiтряного промiжку мiж ярмом i якорем магнiтопроводу.
3. Вебер-амперну характеристику знiмають у такiй послiдовностi:
- розмикають вимикач SA;
- ручку регулятора напруги РН встановлюють в нульове положення, що контролюють вольтметром PV;
- пiдтАЩiднують мiлiвеберметр до вимiрювальноi котушки i коректором переводять його стрiлку на початок шкали;
- регулятором напруги РН виставляють напругу Uк , величину якоi задаi викладач;
- замикають вимикач SA i визначають вiдхилення стрiлки мiлiвеберметра в момент вмикання, а також фiксують величину струму в котушцi збудження;
- вимикають вимикач SA i знову визначають вiдхилення стрiлки в момент вимикання;
- данi вимiрювань заносять в табл.1.
Потiм дослiд повторюють ще чотири рази з кроком напруги на котушцi збудження 
, де Uк max - максимально допустима напруга, яка вiдповiдаi струму РЖк max, вказаному на панелi лабораторноi установки.
Таблиця 1
№ з/п | Вимiряти | Вирахувати |
Uк | РЖк | 
| Ф | В | Н | F |
|
| Lк |
| В | А | В с | Вс | Тл | А/м | А | Гн/м | 1/Гн | Гн |
| 1 | | | | | | | | | | |
| 2 | | | | | | | | | | |
| 3 | | | | | | | | | | |
| 4 | | | | | | | | | | |
| 5 | Uк max | Iк.max | | | | | | | | |
Вместе с этим смотрят:
GPS-навигация
GPS-прийомник авиационный
IP-телефония и видеосвязь
IP-телефония. Особенности цифровой офисной связи
Unix-подобные системы