Versuchsanleitung - Universität Paderborn

Universität Paderborn – Fakultät für Naturwissenschaften - Physikalisches Praktikum
E11 Aufnahme einer Neukurve
Zur Vorbereitung:
Feldstärke, Kraftflussdichte, Kraftfluss, Permeabilität, Suszeptibilität, Magnetisierung, Para- und
Ferromagnetismus, Hystereseschleife.
Aufgabe:
Es ist die Neukurve von weichmagnetischen Eisenproben aufzunehmen. Die Messungen sind an
einem geschlossenen (Ringprobe) und einem offenen (Rotationsellipsoid) magnetischen Kreis
durchzuführen.
wird in der Sekundärspule mit der Windungszahl
NS ein Spannungsstoss
U i dt
(4)
Ns
induziert, der mit einem USB-Speicheroszilloskop
(C) gemessen wird.
Die Flussdichtenänderung ergibt sich somit zu:
U i dt
B
Versuchsbeschreibung:
Fließt im Primärkreis (s. Schaltskizze) ein Strom I,
so herrscht in der eisengefüllten Primärspule mit
der Windungszahl NP und der Länge l die magnetische Feldstärke:
Np
H
(1)
I
l
und die magnetische Flussdichte:
B
r
0
H
Np
r
0
I
l
(2)
μ0 = Induktionskonstante = 4π · 10-7 VsA-1 m-1
μr = relative Permeabilität.
Die magnetische Flussdichte B ist mit dem magnetischen Fluss Φ, der eine Querschnittsfläche A
senkrecht durchsetzt, gemäß der Gleichung:
BA
(3)
verknüpft. Im Versuch wird die Flussdichte B mit
einem PC folgendermaßen bestimmt:
A
Versuchsdurchführung:
Nach dem Einschalten des PCs ist das Programm
“Neukurve” zu starten. Die Oberfläche des Programms zeigt zwei Graphen. Der linke Graph stellt
den Bildschirm eines Oszilloskops dar, auf dem der
in der Sekundärspule induzierte Spannungsstoß als
Funktion der Zeit dargestellt wird. Der rechte
Graph gibt den Verlauf des Zeitintegrals des induzierten Spannungsstoßes wieder. Unterhalb der
Graphen befinden sich Anzeigen, die das Zeitintegral des Spannungsstoßes als Zahlenwert in der Einheit mVs ausgeben.
Bei geschlossenem Stromkreis ist die erforderliche
Stromstärke für die Feldstärke H am Netzgerät (E)
einzustellen. In den beigefügten Tabellen sind
Stromrichtwerte vorgegeben. Die Stromstärke wird
über den Spannungsabfall am Präzisionswiderstand
(R = 0,01 Ω) mit einem Digitalvoltmeter gemessen.
Die Aufnahme der Neukurve an den zuvor entmagnetisierten Proben erfolgt nun in der Weise,
dass die Feldstärke von einem vorgewählten Wert
HX durch Umschalten des Kommutators (Wendepolschalter) auf Null vermindert und der dazugehörige Fluss ΔΦ1 gemessen wird. Nach dem Umpolen
wird das Flussintervall ΔΦ2 registriert. Dann wird
die Feldstärke wieder auf den Wert H = 0 gebracht
(ΔΦ3), umgepolt und der zugehörige Fluss ΔΦ4
gemessen. Der zur Feldstärke HX gehörige Kraftfluss ΔΦX ergibt sich zu:
1
x
Abb. 1: Versuchsaufbau
Durch die Änderung der magnetischen Feldstärke
H und der damit verbundenen Flussänderung ΔΦ
(5)
Ns A
4
4
n
n 1
(6)
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E11 Aufnahme einer Neukurve
Abb. 3: Feldverteilung
Abb. 2: Hystereseschleife mit eingezeichneter Neukurve
Auswertung:
Man trage die gemessene Flussdichte für die Ringprobe und die Ellipsoidprobe ("gescherte Kurve")
als Funktion der äußeren Feldstärke H auf. Eine
Ellipsoidprobe erzeugt in einem erregenden äußeren Feld H ein "entmagnetisierendes" Feld HP
durch das die im Innern der Eisenprobe vorhandene
wirksame Feldstärke HW gegenüber der äußeren
Feldstärke H um einen von der Höhe der Magnetisierung und der Probenform abhängigen Bruchteil
herabgesetzt ist. Um die magnetischen Werte der
Ellipsoidprobe mit denjenigen der Ringprobe vergleichen zu können, ist die "ungescherte Kurve"
ebenfalls in das obige Diagramm einzuzeichnen.
Um diese Kurve zu erhalten, muss das wahre Feld
gemäß der folgenden Gleichung bestimmt werden:
Hw
H
H
p
(7)
mit
H
N B
p
0
(8)
Der Entmagnetisierungsfaktor N lässt sich für Rotationsellipsoide näherungsweise nach der Gleichung:
N
1
p
2
ln 2 p
1
(9)
Berechnen, wobei p=l/d und l sowie d die Achsen
des Ellipsoids bedeuten. Bei der Ellipsoidprobe
sind: l=250 mm, d=10 mm.
!!! Achtung, Primärspule bei höheren Strömen nur
kurzzeitig eingeschaltet lassen.
Wärmeentwicklung !!!
Literatur : [De], [BS], [GK], [HM]
Version 12/05