Ferromagnetismus; Messung von Hysteresekurven

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1 Atom- und Kernphysik-Versuch 39 AKP-39- Ferromagnetismus; Messung von Hysteresekurven Vorbereitung Grundgrößen des magnetischen Feldes, magnetische Feldstärke, Kraftflussdichte, Induktionsfluss; magnetisches Feld einer Ringspule, Induktionsgesetz (differentielle Form). Lit.: FRAUENFELDER-HUBER Bd. II.,.3,.3 3b,. Materie im magnetischen Feld; relative und absolute Permeabilität; Diamagnetismus, Paramagnetismus, Ferromagnetismus; Atomistische Deutung der magnetischen Eigenschaften. Lit.: FRAUENFELDER-HUBER Bd. II Ferromagnetismus, Struktur der Ferromagnetika, Remanenz, Koerzitivkraft Lit.: GERTHSEN Hystereseverluste Lit.: FRAUENFELDER-HUBER Bd. II 8. (Schlussteil) Wirkungsweise und Handhabung des Fluxmeters (Lit.: 3. Anhang) Gerätebeschreibungen: http// X-Y-Schreiber LY 600 Zentro-Netzgeräte Aufgaben Zur Aufzeichnung der Hysteresekurven mit dem X-Y-Schreiber wird eine Schaltung nach Abb. hergestellt: Für das Magnetfeld H im Ringkern ergibt sich gemäß dem Ampereschen Verkettungssatz Hs d N I () (N : Anzahl der Windungen der felderzeugenden Spule) Die Stromstärke I wird mit dem X-Y-Schreiber indirekt über den Spannungsabfall U an einem äußeren Widerstand R gemessen. Für die Stromstärke I gilt Aus den Gl. und erhält man I U R d U Hs N R ()

2 AKP-39- Atom- und Kernphysik-Versuch 39 oder Abb. Versuchsanordnung zur Messung von Hysteresekurven N H U dr Die X-Koordinate der Schreibstiftstellung ist zum Spannungsabfall U und damit nach Gl. 3 auch zu H proportional. Für die im Sekundärkreis induzierte Spannung U ind gilt: (3) Aufgelöst nach ΔB erhält man: U ind d t N N A B B U ind N A dt (4) (N : Anzahl der Windungen der Induktionsspule A: Querschnittsfläche des Ringkerns) Am Ausgang des Fluxmeters liegt eine dem Spannungsstoß U dt ind proportionale Spannung an. Um am Schreiber die gewünschte Abhängigkeit B(H) zu erhalten, wird der Ausgang des Fluxmeters mit dem Y-Eingang des Schreibers verbunden.

3 Atom- und Kernphysik-Versuch 39 AKP-39-3 Die Abmessungen und Eigenschaften der Ringkerne, die Windungszahlen der Spulen und die Werte der Messwiderstände entnehme man der Tabelle am Arbeitsplatz. Aus dem äußeren und inneren Durchmesser sowie der Höhe lässt sich die Querschnittsfläche des Ringkerns berechnen. Die Fe-Ni-Ringkerne sind aus 0, mm dicken Bandblechen zusammengesetzt. Die Bleche tragen eine dünne Oxydschicht. Deshalb füllt der Eisenquerschnitt nicht den geometrischen Querschnitt aus. Das Verhältnis von Eisenquerschnitt zu geometrischem Querschnitt heißt Füllfaktor. Für die folgende Aufgabe benutze man den Ringkern und baue die oben abgebildete Schaltung auf. Als Spannungsquelle dient dabei das Netzgerät mit der Inventarnummer (39-) (30V/A).. Inbetriebnahme der Versuchsanordnung Dies geschieht in folgender Reihenfolge: - Zunächst setzt der Betreuer am X-Y-Schreiber den Schreibstift ein - Begrenzung der Maximalstromstärke am Netzgerät auf etwa 00 ma; (Verwenden Sie bei diesem Versuchsteil zur besseren Regulierung des Stromes den am Arbeitsplatz ausliegenden Vorwiderstand R V Abb. ) - Einschalten des Fluxmeters (Messbereich 00 mvs); Falls beim Einschalten ein Ausschlag erfolgt, muss der Zeiger mit Hilfe des Rückstellknopfes auf 0 gebracht werden - Einschalten des X-Y-Schreibers Der X-Y Schreiber besitzt eine Anschlagkante, die zum Ausrichten des eingelegten Papiers dient - CHART HOLD auf ON Das eingelegte Papier wird in der gewünschten Lage fixiert. Nach Umlegen des Kippschalters (auf Symbole achten) wird das Papier elektrostatisch festgehalten. Vor Entfernen des Papiers Kippschalter in richtige Position bringen - X-Maßstab zunächst auf 0 mv/cm und Y-Maßstab auf V/cm einstellen (kalibrierte Stellung). Diese Werte sind bei den Versuchen so zu verändern, dass die Hysteresekurven formatfüllend aufgezeichnet werden. - Kippschalter auf M (Measure) stellen - Mit Hilfe der Drehpotentiometer (Pfeilsymbole) Schreibstift in die rechte obere (Polung des Spannungsabfalls am Vorwiderstand beachten) Ecke des Papiers bringen - Mit Hilfe des Kippschalters (Symbole beachten) Schreibstift in Stellung bringen

4 AKP-39-4 Atom- und Kernphysik-Versuch 39. Hysteresekurve einer Nickel-Eisen-Legierung (5000 H).. Aufzeichnung einer Hysteresekurve Zu Beginn jeder Messung soll generell Schmierpapier verwendet werden und erst für die Anfertigung der endgültigen Messkurve ist Millimeterpapier einzulegen. Abb. Hysteresekurve Abb.3 Hysteresekurve Zur Aufzeichnung der Hysteresekurve (Abb. ) beginnt man mit dem Maximalwert I max = 00 ma bei Punkt, regelt dann die Spannung am Netzgerät (Bei diesem Versuchsteil Vorwiderstand verwenden) gleichmäßig auf 0 herunter (Punkt ), polt mit Hilfe des Kommutierungsschalters um und erhöht dann wieder bis zum Maximalwert (Punkt ). Der Schreiber befindet sich jetzt an der linken unteren Ecke des Papiers. Durch erneutes Verringern der Spannung bis auf den Wert 0, Umpolen (Punkt ) und anschließendes Erhöhen bis zur Maximalstromstärke (Punkt ) erhält man dann die vollständige Hysteresekurve. Ist die Kurve bei Punkt geschlossen? Wenn dies nicht der Fall ist, muss die Nullpunktdrift am Fluxmeter überprüft und nachreguliert werden. Am Ende der Messung erst den Schreiber und dann das Fluxmeter ausschalten. Bei sämtlichen Kurven wird für jeden Praktikanten jeweils ein Exemplar aufgenommen. Falls Ummagnetisierungsverluste bestimmt werden, wird zusätzlich noch eine weitere Kurve aufgezeichnet, die zum Wiegen verwendet wird... Bestimmung von Remanenz und Koerzitivfeldstärke Nach der Aufzeichnung auf Millimeterpapier wird graphisch durch Symmetrisieren der Nullpunkt der Kurve bestimmt und das Koordinatenkreuz eingezeichnet. Mit Hilfe der Gleichungen 3 und 4 soll der Maßstab für H in A/m auf der x-achse und für B in Vs/m auf der y-achse angegeben werden. Die benötigten Daten entnehme man der Tabelle. Aus dem Diagramm bestimme man (siehe Abb. 3) die Remanenz B r und die Koerzitivfeldstärke H c...3 Sättigungsinduktion Bei einer Maximalstromstärke von 00 ma sind die bei Punkt und hin- und zurücklaufenden Äste der Hystereseschleife nicht mehr zu trennen, es tritt also keine Hysterese mehr auf. Die Magnetisierung steigt jedoch noch weiter an, da die Kurve bei Punkt noch nicht waagerecht verläuft. Um das Material in Sättigung zu bringen (μ r = ), muss deshalb die Stromstärke auf einen höheren Wert begrenzt werden. Die dazu benötigte Messbereichserweiterung am X-Y-Schreiber bewirkt, dass die Hysteresekurve insgesamt nicht mehr aufgelöst wird.

5 Atom- und Kernphysik-Versuch 39 AKP-39-5 Zur Ermittlung der Sättigungsinduktion des Materials wird am X-Y-Schreiber in x-richtung der Messbereich von etwa 0, V/cm eingestellt. Am Amperemeter wird der Messbereich auf 0 A erweitert. Um eine Maximalstromstärke von,3 A zu erreichen, wird das Netzgerät (39-) (7,3 V/5 A) benutzt. Zur Bestimmung der Sättigungsinduktion von PERMENORM 5000 H ist der ermittelte Wert mit dem Füllfaktor zu korrigieren, sofern dies nicht bereits bei der Achsenteilung vorgenommen wurde...4 Ummagnetisierungsverluste Zur Bestimmung der Ummagnetisierungsverluste wiege man mit der Analysenwaage zunächst das Millimeterpapier, schneide dann die Hysteresekurve aus und bestimme die Masse der von ihr eingeschlossenen Fläche. Aus dem Massenverhältnis lässt sich der Flächeninhalt der Hysteresekurve und damit die Energiedichte der Ummagnetisierung berechnen. Man gebe diese in J/kg an. (Dichte der Fe-Ni-Legierung: ρ = 8.5 g/cm 3 ). In welcher Form wird diese Energie frei?.3 Hysteresekurve eines Eisenkerns.3. Messung am Ringkern 3 Als Spannungsquelle dient das Netzgerät mit der Bezeichnung (39-) (7,5 V/5 A). Am Amperemeter wird der Messbereich auf 0 A erweitert und am X-Y-Schreiber in x-richtung der Messbereich 0, V/cm gewählt. Mit Hilfe des Netzgerätes wird eine Maximalstromstärke von 5 A eingestellt. Zur Aufzeichnung der Kurve verfahre man wie unter.. beschrieben..3. Bestimmung von Remanenz und Koerzitivfeldstärke Durchführung wie unter... Vergleiche mit den Ergebnissen aus.. und berechne Hc(Ringkern 3) Br (Ringkern 3) und H (Ringkern ) H (Ringkern ) Um welches Material handelt es sich demnach? c r.3.3 Ummagnetisierungsverluste Man bestimme die Ummagnetisierungsverluste wie unter..4. Für welche Anwendungen eignet sich dieses Material? (Dichte des Fe-Kerns: ρ = 7.80 g/cm 3 )..3.4 Irreversibilität der Hysteresekurven Um die Abhängigkeit der Magnetisierung von der Vorgeschichte des Materials zu erkennen, zeichne man zunächst von Ringkern 3 noch einmal eine bis zur Sättigung (I = 5 A) reichende Hystereseschleife. Beim zweiten Umlauf wird die Stromstärke nur bis ca. 0,5 A verringert, geringfügig wieder erhöht und dann bis auf 0 verkleinert. Analog verfahre man beim Rücklauf in der steigenden Flanke der Kurve. Man zeichne den Umlaufsinn ein und erkläre das erhaltene Kurvenbild.

6 AKP-39-6 Atom- und Kernphysik-Versuch Innere Hysteresekurve Zur Aufzeichnung einer inneren Hysteresekurve wird folgende Einstellung gewählt X-Maßstab (Schreiber): Messbereich Fluxmeter: ca. 0 mv/cm ca. 0 mvs Was lässt sich aus dem Diagramm erkennen (Unterschied zur Sättigungskurve)? Falls noch hinreichend Zeit zur Verfügung steht, sollten die folgenden Punkte.4 und.5 bearbeitet werden:.4 Hysteresekurve einer anderen Fe-Ni-Legierung (5000 Z).4. Aufzeichnung der Hysteresekurve Man benutze dazu Ringkern und verfahre wie unter... Dieser und der nächste Abschnitt müssen im NAN-Modul nicht bearbeitet werden..4. Remanenz und Koerzitivfeldstärke Messung wie unter.. (Daten von Ringkern benutzen!). Man vergleiche mit den Ergebnissen aus.. und erkläre die qualitativen Unterschiede der beiden Kurven. Da bei diesem Material die Sättigung bereits bei kleineren Feldstärken erreicht wird, kann die Sättigungsinduktion aus dem unter.4. erhaltenen Diagramm bestimmt werden..5 Messungen an einem Holzkern Als Füllmaterial der felderzeugenden Spule dient jetzt ein Holzkern (Ringkern 4), der die gleichen geometrischen Abmessungen wie die anderen Ringkerne besitzt. Um die Größenverhältnisse zwischen μ Eisen und μ Vakuum zu verdeutlichen, wird die Kurve zunächst mit den gleichen Messbereichseinstellungen wie unter.3. aufgenommen. Danach schalte man am Fluxmeter auf einen geeigneten (empfindlicheren) Messbereich um und zeichne die Kurve mit dem Schreiber nochmals auf..6 Magnetmodelle Die am Arbeitsplatz stehenden Magnetmodelle sind z. B. in GERTHSEN (siehe Vorbereitung) beschrieben. Man stelle die Modelle in das von den Helmholtz-Spulen erzeugte Magnetfeld und beobachte unter Veränderung und Umpolung des Feldes die Effekte: Sättigungsmagnetisierung Remanenz Koerzitivfeldstärke Weiss-Bereiche und Wanderung der Bloch-Wände.

7 Atom- und Kernphysik-Versuch 39 AKP Anhang 3. Wirkungsweise des Fluxmeters Das Fluxmeter ist ein Gerät, das einen an seinem Eingang auftretenden Spannungsstoß misst. In Verbindung mit einer Induktionsspule, die einen magnetischen Fluss Ф umfasst, kann das Integral der elektrischen Spannung, die bei Veränderung eines die Messspule durchsetzenden Magnetflusses vom Wert Ф nach dem Wert Ф entsteht, gemessen werden U d t Das Prinzip des Fluxmeters basiert auf einer Proportionalität zwischen der Ausgangsspannung und dem Integral der Eingangsspannung (Spannungsstoß), das hier gleich der Änderung des magnetischen Flusses ist. 3. Handhabung des Fluxmeters Abb. 4 Frontplatte des Fluxmeters Beim Einschalten des Geräts leuchtet die Kontrolllampe auf. Mit dem Messbereichsschalter lässt sich der jeweilige Messbereich einstellen, wobei jeweils für den Vollausschlag (00 Skt) des Messinstruments der angegebene Messbereich in x mvs gilt. Die Bezeichnung μa auf der Skala ist ohne Bedeutung. (INPUT) sind die Eingangsbuchsen für die zu integrierende Spannung. Die Ausgangsbuchsen - für die Verbindung zum X-Y-Schreiber - befinden sich unterhalb des Messinstruments. An ihnen liegt bei Vollausschlag des Messinstruments eine Spannung von 000 mv an. Vor Beginn einer Messung wird der Integrierkondensator C mit Hilfe des kleinen orangefarbenen Druckknopfes ZERO entladen und damit die Anzeige auf 0 gebracht. flux lat.: Fluss

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