Thực tập vật liệu Điện bài 7 thí nghiệm nghiên cứu vật liệu sắt từ phần i thí nghiệm

Hiểu các khái niệm về từ trường, từ cảm, từ thông, từ thông móc vòng, đường cong từ hoá cơ bản ban đầu, chu trình từ hóa hay đường cong từ trễ.. Đường cong từ hoá bắt đầu từ 0 được gọi l

THỰC TẬP VẬT LIỆU

(H)

B(H)

Bài 7 THÍ NGHIỆM NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU SẮT TỪ

Phần I: Thí nghiệm

Họ và tên:···

MSSV:···

I MỤC ĐÍCH

1 Hiểu các khái niệm về từ trường, từ cảm, từ thông, từ thông móc vòng, đường cong từ hoá

cơ bản (ban đầu), chu trình từ hóa hay đường cong từ trễ

2 Biết phương pháp đo từ thông, quan hệ giữa từ thông và điện áp Biết cách xác định cường

độ từ trường H

3 Biết cách xách định đường cong từ hóa bằng nguồn điện một chiều

4 Biết cách xách định đường cong từ hóa bằng nguồn điện xoay chiều

5 Khảo sát chu trình từ hóa trên máy hiện sóng

II KHÁI NIỆM CHUNG

1 Vật liệu sắt từ:

Trong vật liệu sắt từ quan hệ giữa cường độ từ trường H và từ cảm B không phải là một hằng số mà phụ thuộc H như hình 1

B

H Hình 1 Quan hệ giữa B-H và -H

THỰC TẬP VẬT LIỆU

Hệ số dẫn từ hay độ từ

thẩm

  B H cũng là một hàm phụ thuộc H

 của vật liệu từ rất lớn so với không khí.

Trong vật liệu sắt từ, r được gọi là độ từ thẩm tương đối (mức độ tập trung đường sức từ vào vật liệu so với không khí)

 = r 0

0 = 4.10-7 (H/m)

r = (100  200.000)

Quan hệ B(H) được gọi là đường cong từ hoá Đường cong từ hoá bắt đầu từ 0 được gọi là đường cong từ hóa cơ bản (ban đầu) còn quan hệ giữa Bt (Ht ) tức thời (là đường cong từ trễ )

Có 1 đường cong từ hóa cơ bản đặc trưng cho tính chất vật liệu từ và có nhiều đường cong

từ trễ phụ thuộc vào giá trị cực đại của cường độ từ trường H tác động vào vật liệu và tần số dòng

từ hóa

Đường cong

từ hóa cơ bản

Đường cong từ trễ (chu trình từ hóa)

Hình 2 Đường cong từ hóa

THỰC TẬP VẬT LIỆU

2 Mẫu thí nghiệm vật liệu sắt từ

Mẫu thí nghiệm thường dùng nhất đối với vật liệu sắt từ là lõi hình xuyến

Lõi hình xuyến được coi như là lõi lý tưởng không bị ảnh hưởng của từ thông rò hay từ thông tản

Trên lõi hình xuyến quấn 2 cuộn dây W1 có dòng điện chạy qua gọi là cuộn dây từ hóa, cuộn thứ hai W2 cảm ứng ra sức điện động khi có thay đổi từ thông gọi là cuộn dây đo B

Trong lõi này, cường độ từ trường được tính

H =

H: cường độ từ trường trong lõi hình xuyến

I: dòng điện chạy qua cuộn dây từ hóa

I.W1

2R tb

W1 = 200 vòng: Số vòng của cuộn dây từ hóa

W2 = 200 vòng: Số vòng của cuộn dây cảm ứng

Rtb : Đường kính trung bình của lõi thử theo công thức:

Rtb=(Rtrong+Rngoài)/2

Từ thông trong mạch từ được tính:

 = B.S

B = cảm ứng từ trong lõi thép B = .H ( độ từ thẩm:  = r o ; o = 4.10-7 (H/m): độ

từ thẩm của không khí; r độ từ thẩm tương đối )

Từ thông móc vòng:

 =  W2 = BSW2

Khi đảo chiều dòng điện từ hóa (kích từ):

Cường độ từ trường thay đổi từ + H sang - H Cảm ứng từ chuyển từ +B sang -B và  chuyển từ + sang - Do đó, độ thay đổi từ thông móc vòng được tính như sau:

 = 2 

Sức điện động cảm ứng:

THỰC TẬP VẬT LIỆU

I 1

E  d dt hay  

E

.dt

 t



Edt  1

R B

idt  q

R B  2

Từ thông móc vòng đầu ra được tính thông qua điện tích q cảm ứng ở cuộn dây đầu ra RB

điện trở cuộn dây W2

3 Đo từ thông móc vòng và cảm ứng từ

Như vậy đo điện tích q cảm ứng bởi của dây W2 cho phép đo 

Đo q có thể sử dụng mạch tích phân đơn giản

mV

Hình 3 Mạch đo  Lúc đảo chiều dòng điện I1 ta có:

Cảm ứng ra sức điện động

H+  H

-   



Tạo ra dòng điện:

E =

t

RB = 1,2- Điện trở cuộn dây thứ cấp

Điện tích chảy qua:

THỰC TẬP VẬT LIỆU

RB  R diode

q =  Idt

THỰC TẬP VẬT LIỆU

12 VAC

9 VAC

6 VAC

R 1

0 VAC

W1W2

Và điện áp trên tụ C sẽ là: Uc = q

C

Ta có thể đo U để suy ra q và từ đây tính được 

  2 = q

RB  Rdiode 

C.Uc

RB  Rdiode

 

 C.Uc

  KB Uc

2 RB  Rdiode

C: = 100 F điện dung của tụ điện

III PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

1 Vẽ đường cong từ hóa cơ bản bằng điện 1 chiều

VR

U 1 mV

Hình 4 vẽ đường cong từ hóa cơ bản bằng nguồn một chiều

Sơ đồ này cho phép thay đổi dòng điện I1 từ Imax = In; 0,9In; 0,8In; ; 0,1In bằng cách

điều chỉnh điện áp U 1 = 3,5V; 3,15V;…

In đảm bảo cho dòng điện tạo ra HS (dòng điện làm bão hòa lõi từ In

(35mA) I1- dòng điện chạy qua R1 (dòng điện từ hóa lõi từ)

Đo I1 để tính ra cường độ từ trường:

R

 U U

-THỰC TẬP VẬT LIỆU

H = I1 W1

2R tb

Chú ý: Phép đo I 1 thông qua việc đo điện áp trên điện trở R 1 tương ứng (U 1 )

I  U1 1

I 1 : dòng điện vào cuộn dây từ hóa (kích từ)

W 1 : số vòng cuộn dây từ hóa (kích từ)

Phép đo I 1 thông qua việc đo điện áp trên điện trở R 1

Đo sự biến thiên của UB tính ra B

2 RB  R diode S.W2

=

UB1: điện áp đầu ra khi chưa đảo chiều dòng điện từ hóa (kích từ)

UB2: điện áp đầu ra khi đổi chiều dòng điện từ hóa (kích từ)

Trình tự thí nghiệm như sau:

1 Lắp mạch theo sơ đồ hình 4

2 Cấp nguồn vào mạch (chọn nguồn 12 VAC) vào trước bộ chỉnh lưu và điều chỉnh biến trở

VR, ta có thể thay đổi giá trị dòng điện từ hóa (kích

1

R

đặt vào cuộn dây

1

Lần lượt giảm dần dòng điện từ hóa I1 từ giá trị lớn nhất là In = 35 mA xuống các giá trị như sau: 0,9In; 0,8In; 0,7 In Bằng cách điều chỉnh điện áp U 1 = 3,5V; 3,15V;…

3 Với mỗi giá trị của I1, ta thực hiện các thao tác

sau: a/ Đo giá trị U1 và ghi lại

b/ Đo giá trị UB1 và ghi lại

c/ Gạt công tắc đảo chiều để đổi chiều dòng điện từ hóa I1

d/ Đo giá trị UB2 và ghi lại

e/ Ấn nút xả điện áp trên tụ

Lặp lại 10 lần với giá trị I1 cho bảng

*Từ các giá trị đo được tính các giá trị I và H

U B  UB2  UB1 và tính được B, 

4 Lập các quan hệ đường cong

C

THỰC TẬP VẬT LIỆU

B(H) Lập các quan hệ đường cong (H)

Số liệu đo được ghi vào bảng 1

R 1 VR

w1

9 vac

6 vac

0 vac

THỰC TẬP VẬT LIỆU

w2

r3

Bảng 1

2 Vẽ đường cong từ hoá bằng điện xoay

chiều Sơ đồ thí nghiệm:

12 vac

m 12

U M mV

Hình 5 Xác định đường cong từ hóa bằng điện xoay chiều

R

R 2 3  (M )2 12

THỰC TẬP VẬT LIỆU

Thí nghiệm tiến hành như sau:

Lắp mạch theo sơ đồ hình 5

Sơ đồ này cho phép giảm dần dòng điện I1 từ Imax = In; 0,9In; 0,8In; ; 0,1In bằng cách

điều chỉnh điện áp U 1 = 3,5V; 3,15V;…

In đảm bảo cho dòng điện tạo ra HS (dòng điện làm bão hòa lõi từ In

(35mA)) I1- dòng điện chạy qua R1 (dòng điện từ hóa lõi từ)

Chú ý: Phép đo I 1 thông qua việc đo điện áp trên điện trở R 1 tương ứng (U 1 )

I  U1 1

Đo điện áp UM để tìm ra I1 và H: I1 = UM

UM điện áp đo ở thứ cấp cuộn dây hỗ cảm

M12 = hệ số hỗ cảm = 25 mH

  2f = 314

Đo điện áp UB tính ra B: UB = 4,44f BS  B =

Kết quả đo tóm tắt ở bảng sau:

Bảng 2

UB

4,44fS

THỰC TẬP VẬT LIỆU

THỰC TẬP VẬT LIỆU

r2

Nhận xét: So sánh đường cong từ hóa đo bằng nguồn điện 1 chiều vào đo bằng nguồn điện

xoay chiều

3 Khảo sát chu trình từ hóa (đường cong từ trễ).

Đường cong từ trễ là quan hệ giữa Bt (tức thời) và từ trường Ht (tức thời) Chu trình từ hóa của vật liệu từ được xác định như sơ đồ bố trí thí nghiệm ở hình 6

220 vac

9 vac

6 vac

0 vac

Hình 6 sơ đồ hiển thị đường cong từ trễ trên máy hiện sóng

Đặt chế độ trên máy hiện sóng như sau:

VERT MODE: ALT

TRIG SOURCE: VERT

TRIG MODE: X-Y

DISPLAY: XY

CH1: AC

CH2: AC

Chú ý: khi làm thí nghiệm ta điều chỉnh biến trở VR1 và VR2 cho đến khi đạt đến dòng điện làm bão hoà lõi từ và hệ số tích phân phù hợp ta sẽ hiển thị được chu trình từ hóa (đường cong từ trễ)

THỰC TẬP VẬT LIỆU

Sơ đồ khảo sát đường cong từ trễ như hình 6 Dòng điện I được đưa vào kênh X của máy hiện sóng I tỷ lệ với H như vậy trục X hiện I(t) hay H(t) Đầu ra UB được qua bộ tích phân RC và đưa vào kênh Y của máy hiện sóng Y(t) là tích phân của UB hay tỷ lệ với B(t) Qua hệ trục màn hình là Yt (Xt) hay Bt (Ht) tức đường cong từ trễ Quan sát hình trên máy hiện sóng vẽ lại chu trình từ hóa (đường cong từ trễ) trên hệ trục tọa độ X-Y Thay đổi dòng từ hóa (kích từ), ta thấy hiện tượng như thế nào? Kết luận là gì?

IV NHỮNG ĐIỂM CẦN LƯU Ý

Khi thực hiện đo đạt và thao tác lắp mạch cần chú ý đến các đặc điểm sau:

1 Sử dụng thiết bị đo đúng mục đích, đúng thang đo và đúng giai đo.

2 Đọc chính xác giá trị đo.

3 Kiểm tra lại mạch trước khi cấp nguồn.

V CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1 Trước khi đóng điện

a Đảm bảo rằng công tắc nguồn ở vị trí “OFF”

b Đọc kỹ hướng dẫn

2 Khi lấy số liệu

a Kiểm tra lại sơ đồ mạch

b Kiểm tra lại thiết bị đo

THỰC TẬP VẬT LIỆU

 1.84

1.18

(H)

H

93

0.2

6 0.61

86 0

49 2

7 99 0

8 2.5 5

2.7

7 2.8 3

9 3.1

1.35 2

3.3

1.49

91 3

B(H)

1.63 11

4

9 4.1

73 1

B

Phần II Báo cáo thí nghiệm

1.Vẽ đường cong từ hóa cơ bản (ban đầu) bằng nguồn điện một chiều

Sử dụng số liệu ghi được ở bảng 1 và các công thức để thành lập bảng 3

Bảng 3

Vẽ đường cong B(H) và (H).

2

1.8

1.6

1.4

1.2

1

0.8

0.6

0.4

0.2

5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5

THỰC TẬP VẬT LIỆU

*Nhận xét:

- Đường đồ thị biểu diễn cho B(H) có xu hướng tăng dần khi H tăng, các khoảng giá trị tăng dường như gần bằng nhau

- Tốc độ tăng của đường độ thị không quá nhanh, tương đối ổn định Điểm cực đại trên đường đồ thị của B(H) có giá trị à 1,73×10-6

trong khoảng H từ 0 đến 0,07

khoảng 0,22 đến 0,3 đường đồ thị giảm với tốc độ nhanh hơn so với các khoảng còn lại và sau đó các khoảng giá trị giảm dần như bằng nhau và giảm tốc độ không quá nhanh

- So với lý thuyết thì đường đồ thị vẽ được nhờ các số liệu đo đạt trên thực tế có những điểm khá tương đồng về các khoảng giá trị cũng như xu hướng tăng hay giảm của đồ thị

2.Vẽ đường cong từ hóa cơ bản bằng nguồn điện xoay chiều

Sử dụng số liệu ghi được ở bảng 2 và các công thức để thành lập bảng 4 và vẽ đường cong B(H) và (H)

Bảng 4

H

THỰC TẬP VẬT LIỆU

Vẽ đường cong B(H) và (H).

*Nhận xét:

- Đường đồ thị biểu diễn cho B(H) có xu hướng tăng dần khi H tăng, các khoảng giá trị tăng của đường đồ thị 0 đến 1,33 dường như gần bằng nhau và tốc độ ổn định nhưng khi từ 1,33 các khoảng giá trị có tốc độ tăng không đều, khi H từ 0,2 trở lên của đường độ thị tăng cực nhanh

- Điểm cực đại trên đường đồ thị của B(H) có giá trị à 2,63×10-4 khi H khoảng 0,215

-Đường độ thị biểu diễn cho 𝜇(H) có xu hướng tăng dần khi H tăng, khi H trong khoảng 0,78 đến 0,1, đường đồ thị có xu hướng giảm nhẹ và sau đó tiếp tục tăng, tốc độ tăng trên các khoảng khá nhanh và không đồng đều, khi H từ 0,2 đến lớn hơn đuòng đồ thị tăng với tốc độ cực nhanh và 𝜇(H) đạt giá trị cực đại 1,25×10-3 khi H khoảng 0,215

H

THỰC TẬP VẬT LIỆU

-So với lý thuyết thì đường đồ thị vẽ được nhờ các số liệu đo đạt trên thực tế rất khác nhau Nguyên nhân có thể là do trong quá trình tính toán và đo đạt các số liệu đã xảy ra sai

số do mạch nối không được chặt và kín các mối nối còn hở

3.Khảo sát chu trình từ hóa (đường cong từ trễ)

Vẽ lại đường cong B(H) từ máy hiển thị sóng.

*Nhận xét:

- Đồ thị của B thay đổi theo H tạo thành đường cong từ trễ hay còn được gọi là chu trình

từ hoá của vật liệu khi cường độ từ trường H thay đổi theo đồ thị hình sin

- Tăng giá trị của H chu trình từ hoá của vật liệu đầu dẫn đến B tăng theo đường cong từ hoá ban đầu và đến một giá trị nào đó sẽ bão hoà

- Sau khi giảm H,B không giảm theo đường cong từ hoá ban đầu dẫn đến từ trễ và xảy ra tổn hao từ trễ

- Giảm tiếp H,B đạt cực đại và bão hoà theo chiều âm Khi H tăng trở lại thì B giảm, quá trình khử từ được lặp lại

-Tiếp tục tăng H,B tăng và bão hoà và cuối cùng kết thực chu trình từ hoá sẽ tạo thành một đường cong khép kín (đường cong từ trễ của chu trình từ hoá)

B

H