Magnetische Hysterese - Carl-Engler

Physikalisches Praktikum
Laborversuch:
1
Carl-Engler-Schule Karlsruhe
BS, BK, FS
Magnetische Hysterese
Grundlagen
Im Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule (ohne Kern) wird ein Magnetfeldsensor
kalibriert. Er gibt eine Spannung ab, die linear von der magnetischen Induktion B (Stärke
des Magnetfeldes) abhängig ist.
Mit dem kalibrierten Sensor kann das Magnetfeld B einer stromdurchflossenen Spule mit
Eisenkern ausgemessen werden.
Die magnetische Feldstärke H der Spule lässt sich über den Strom und die Windungszahl
berechnen.
Beim Durchfahren bis zur vollständigen Magnetisierung des Eisenkerns in positiver und
negativer Richtung erhält man die sog. Hysteresekurve, die den Zusammenhang zwischen
Feldstärke H und magnetischer Induktion B beschreibt.
2
Kalibrierung
2.1
Aufbau und Test der Versuchsanordnung
Der integrierte Schaltkreis enthält einen Halleffekt-Sensor. Die Signalspannung am
Ausgang ist abhängig von der magnetischen Induktion B in der Umgebung des Sensors.
Die maximale Empfindlichkeit wird erreicht, wenn die Feldlinien das IC-Gehäuse senkrech
durchdringen.
Die technischen Daten können dem
Datenblatt-Auszug entnommen werden. Die
Anschlüsse 1 und 4 sind für die
Versorgungsspannung, das Meßsignal kann
wahlweise zwischen 2 und 1 oder zwischen
3 und 1 abgegriffen werden.
a) Schließen Sie das Bauteil an eine
geeignete Versorgungsspannung an.
b) Messen Sie die Ausgangsspannung mit
einem Multimeter.
c) Testen Sie die Funktion mit einem
Permanentmagneten.
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Auszug aus Datenblatt
2.2
Aufnahme des Kalibrierdiagramms
Bei der Kalibrierung wird die Abhängigkeit der Ausgangs-Signalspannung von der
magnetischen Induktion B der Umgebung ermittelt. Dazu wird ein Strom durch die
Windungen einer zylindrischen Luftspule der Länge L mit N=600 Windungen geschickt. Die
I ∗N
L
magnetische Feldstärke H wird errechnet durch:
H=
Die magnetische Induktion B ergibt sich in Luft zu:
B=∗H
a) Schließen Sie die Spule an das Netzgerät an und betreiben Sie dieses in der Betriebsart
Stromstabilisierung (CC: Constant Current).
b) Führen Sie den Sensor ins Innere der Spule ein, so dass von einem homogenen Feld
ausgegangen werden kann.
c) Variieren Sie den Strom im Bereich von -3A bis +3A. Messen Sie jeweils das zugehörige
Meßsignal.
Achten Sie darauf, dass bei großen Strömen (I>1.5A) die Spule nur kurzzeitig belastet wird,
um eine Überhitzung zu vermeiden.
c) Stellen Sie die Kalibrierkurve in einem Diagramm grafisch dar.
2.3
Schätzung der Messunsicherheiten
a) Schätzen Sie die Unsicherheiten bei der Aufnahme der Kalibrierkurve ab.
b) Stellen Sie diese Unsicherheiten (wenn möglich) durch Fehlerbalken im
Kalibrierdiagramm dar.
c) Prüfen Sie auch die Änderungen des Ausgangssignals, wenn die Feldlinien das ICGehäuse schräg durchdringen.
d) Geben Sie an, mit welcher Unsicherheit ein unbekanntes Magnetfeld vermessen werden
kann.
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3
Spule mit Eisenkern
3.1
Aufnahme der Hysteresekurven einer Metallprobe
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Entmagnetisieren Sie den Probekörper und führen Sie ihn in die Spule ein.
Die Sonde wird so gehaltert, so dass die Feldlinien senkrecht in die IC-Oberfläche eintreten
und sich während der Messung die Lage des Sensors nicht verändert werden kann.
Nun wird der Magnetisierungstrom (Netzgerät) von Null bis 1,8A schrittweise erhöht und
die magnetische Induktion gemessen (Neukurve).
Nach Erreichen des maximalen Magnetisierungsstroms stellt man schrittweise auf Null
zurück und weiter bis ein negativer Magnetisierungsstrom von 1,8A fließt, fährt dann
wieder auf Null zurück um noch einmal bis zu einem positiven Magnetisierungsstrom von
1,8A zu fahren.
3.2
Graphische Darstellung B = f(H)
Die zu den Strömen gehörenden Werte für die magnetische Feldstärke H werden
berechnet.
Mit den Größen "magnetische Feldstärke H" und "magnetische Induktion B" erstellt man
das Diagramm für die Hystersekurve B = f(H).
3.3
Bestimmung von Kenngrössen
Die Remanenz gibt den Wert der magnetischen Induktion B an, die nach einer
vollständigen Magnetisierung bei einer Feldstärke von H = 0 A/m noch vorhanden ist. Der
Wert wird im Diagramm abgelesen.
Die Koerzitiv-Feldstärke gibt den Wert der magnetischen Feldsträrke H an, die nach einer
vollständigen Magnetisierung erforderlich ist, um die magnetische Induktion auf den Wert
B=0T zu bringen. Der Wert wird im Diagramm abgelesen.
3.4
Bestimmung der Ummagnetisierungsarbeit
Bestimmen Sie über die Fläche zwischen den beiden Zweigen der Hysteresekurve die
Ummagnetisierungsarbeit. Schätzen Sie durch ein eingezeichnetes Rechteck grob die
Größenordnung des "Flächenwertes" ab. Leiten Sie die Einheit der "Fläche" her und
interpretieren Sie das Ergebnis.
Eine genauere Rechnung kann mit Hilfe der nummerischen Integration über ein
Tabellenblatt durchgeführt werden. Hat man für die beiden Zweige der Hysteresekurve
jeweils die selben Spulenströme gewählt, kann man die beiden Zweige voneinander
abziehen und dann integrieren.
4
Hinweise und Links
Der Probekörper wird entmagnetisiert, indem man ihn mehrmals durch die Öffnung einer
anderen, mit Wechselstrom durchflossene, Spule langsam hindurchführt (z.B. Spule
LEYBOLD 500 Windungen).
Das Magnetfeld wird durch eine stromdurchflossene Spule von geringem Querschnitt
hergestellt. Sie hat eine lichte Öffnung, in die die Metallprobe eingeführt wird. Die
Windungszahl beträgt N = 600 und die Länge l = 0,060 m. Die Messstelle für die Hallsonde
sollte sich am Ende des Probekörpers (ohne Berührung) befinden.
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