Исследование магнитного поля на оси кольцевых катушек

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСИ КОЛЬЦЕВЫХ КАТУШЕК

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Магнитный, электрический, вихретоковый контроль и диагностика» для студентов, обучающихся по направлению 200100 - «Приборостроение»

Томск - 2012

УДК 620.179.14

Исследование магнитного поля на оси кольцевых катушек. Методические указания по подготовке и выполнению лабораторной работы по курсу «Магнитный, электрический, вихретоковый контроль и диагностика» и «Физические методы контроля и диагностики» для студентов направления 200100 - «Приборостроение».

Составители: Доцент, к.т.н. кафедры ФМПК Толмачев И.И.

Магистранты кафедры ФМПК Наманжуев Э.Д.

Чеховских С.И.

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры ФМПК

Зав. кафедрой ФМПК

Профессор, д.ф.-м. А.П. Суржиков

Содержание

Цель работы

1. Теоретические основы

2. Устройство используемых компонентов комплекса и порядок работы с ними

2.1 Блок генераторов напряжений с наборным полем (БГННП)

2.2 Набор миниблоков

2.3 Блок мультиметров

3. Порядок выполнения работы

4. Расчетная часть

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение понятия катушка индуктивности.

Изучение устройства отдельных компонентов комплекса «Электричество и магнетизм» и порядок работы с ними.

Получение навыков практической работы с учебным лабораторным комплексом «Электричество и магнетизм».

Проведение эксперимента: снятие зависимости магнитной индукции в различных точках на оси кольцевой катушки и построение графика изменения магнитной индукции вдоль оси.

Составление отчета.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Катушки индуктивности обладают свойством оказывать реактивное сопротивление переменному току при незначительном сопротивлении постоянному току. Совместно с конденсаторами они используются для создания фильтров, осуществляющих частотную селекцию электрических сигналов, а так же для создания элементов задержки сигналов и запоминающих элементов, осуществления связи между цепями через магнитный поток и т.д. В отличие от резисторов и конденсаторов они не являются стандартизованными изделиями, а изготавливаются для конкретных целей и имеют такие параметры, которые необходимы для осуществления тех или иных преобразований электрических сигналов, токов и напряжений.

Функционирование катушек индуктивности основано на взаимодействии тока и магнитного потока. Известно, что при изменении магнитного потока Ф в проводнике, находящемся в магнитном поле, возникает ЭДС, определяемая скоростью изменения магнитного потока

Катушка индуктивности - имеет спиральную обмотку и может концентрировать переменное магнитное поле. В отличие от резисторов и конденсаторов катушки индуктивности являются нестандартными радиодеталями и их конструкция определяется назначением конкретного устройства.

Рисунок 1. Условное обозначение катушки индуктивности

Основные параметры катушки индуктивности:

Индуктивность

Индуктивность определяет, какой поток магнитного поля создаст катушка при протекании через неё тока силой 1 ампер. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн. Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки.

Добротность катушки индуктивности

С сопротивлениями потерь тесно связана другая характеристика -- добротность. Добротность катушки индуктивности определяет отношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки. Добротность равна:

Практически величина добротности лежит в пределах от 30 до 200. Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями.

Паразитная ёмкость и собственный резонанс

Межвитковая паразитная емкость проводника в составе катушки индуктивности превращает катушку в сложную распределенную цепь. В первом приближении результатом этой паразитной емкости становится превращение катушки индуктивности в колебательный контур с характерной частотой резонанса. Эта паразитная резонансная частота легко может быть измерена и называется собственной частотой резонанса катушки индуктивности. Обычно она указывается в параметрах промышленных катушек индуктивности либо в явном виде либо в виде рекомендованной максимальной рабочей частоты.

На частотах ниже собственного резонанса эффект проявляется в падении добротности с ростом частоты. Выше частоты резонанса импеданс катушки перестает носить индуктивный характер. Для увеличения частоты собственного резонанса используют сложные схемы намотки катушек, разбиение одной намотки на разнесенные секции.

Температурный коэффициент индуктивности

ТКИ -- это параметр, характеризующий зависимость индуктивности катушки от температуры.

Температурная нестабильность индуктивности обусловлена целым рядом факторов: при нагреве увеличивается длина и диаметр провода обмотки, увеличивается длина и диаметр каркаса, в результате чего изменяются шаг и диаметр витков; кроме того при изменении температуры изменяются диэлектрическая проницаемость материала каркаса, что ведёт к изменению собственной ёмкости катушки.

Величина индуктивности прямо пропорциональна размерам катушки и количеству витков. Индуктивность также зависит от материала сердечника, введённого в катушку и наличия экрана. Расчёт катушки индуктивности выполняется с учётом этих факторов.

При введении в катушку сердечника из магнитных материалов (феррит, альсифер, карбонильное железо, магнетит) её индуктивность увеличивается. Это свойство позволяет уменьшить количество витков в катушке для получения требуемой индуктивности и тем самым уменьшить её габариты. Это особенно важно на низкочастотных диапазонах, когда нужна большая индуктивность. Погружая сердечник в катушку на разную глубину изменяют её индуктивность.

Разновидности катушек индуктивности.

Контурные катушки индуктивности

Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность.

Катушки связи

Такие катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т. д. К таким катушкам не предъявляются жёсткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи.

Вариометры

Это катушки, индуктивность которых можно изменять в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 ? 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника.

Дроссели

Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах также применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей -- помехоподавляющие ферритовые бочонки (бусины) на проводах.

Сдвоенные дроссели

Две намотанных встречно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике. Т.е. предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов, так и во избежание засорения питающей сети электромагнитными помехами. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный (из трансформаторной стали) или ферритовый сердечник.

Рисунок 2. Условное обозначение сдвоенного дросселя

2. УСТРОЙСТВО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ КОМПОНЕНТОВ КОМПЛЕКСА И ПОРЯДОК РАБОТЫ С НИМИ

Основными компонентами комплекса «Электричество и магнетизм» являются:

- блок генераторов напряжений с наборным полем (БГННП);

- блок моделирования полей (БМП) с проводящими планшетами;

- контейнер с набором миниблоков (НМФ);

- блок мультиметров (БМФ);

- персональный компьютер с платой ввода-вывода данных;

- коннектор (КФ);

- столы, приборная стойка, провода, шнуры, кабели перемычки.

Рисунок 3. Комплект типового лабораторного оборудования «Электричество и магнетизм-физика»

2.1 Блок генераторов напряжений с наборным полем (БГННП)

Блок генераторов напряжений с наборным полем (БГННП) предназначен для формирования однофазных регулируемых сигналов различной формы и постоянных напряжений для питания исследуемых схем. БГННП содержит наборное поле для сборки электрических схем с использованием набора миниблоков.

Общий вид БГННП показан на рисунке 4. Он состоит из генератора напряжений специальной формы (синусоидальной, прямоугольной биполярной и прямоугольной однополярной) и генератора постоянных напряжений.

Рисунок 4. Общий вид БГННП

Синусоидальное, прямоугольное и импульсное напряжения на выходе генератора задается переключателем «ФОРМА». Амплитуда выходного напряжения устанавливается ручкой «АМПЛИТУДА» в пределах от 0 до 12 В. Диапазон регулирования частоты генератора напряжений специальной формы - от 0,2 Гц до 200 кГц. Частота устанавливается ручкой энкодера-потенциометра.

Генератор постоянных напряжений предназначен для получения стабилизированных напряжений +15 В, -15 В и регулируемого напряжения от 0 до 13 В.

Выходные зажимы генератора постоянных напряжений подключены к гнездам наборного поля, которое предназначено для сборки электрических цепей. Сплошными линиями на наборном поле показаны соединения гнезд между собой и с выходными зажимами генератора. Тонкими линиями показаны места для установки некоторых специализированных миниблоков для упрощения сборки цепей. Остальная часть наборного поля служит для свободного размещения миниблоков и соединения их проводами и перемычками между собой, с измерительными приборами, коннектором и источниками напряжения.

Максимальный допустимый ток (действующее значение) всех выходов БГННП- 0,2 А. при превышении этого значения, также как и при коротком замыкании, происходит отключение перегруженного выхода защитой и включается светодиод сигнализации перезагрузки (I>0, 2 А). Обратное включение происходит автоматически после устранения перегрузки.

2.2 Набор миниблоков

Миниблоки представляют собой отдельные элементы электрических цепей или функциональные блоки, из которых непосредственно в ходе работы собирается исследуемая схема на наборном поле блока генераторов напряжений.

Рисунок 5. миниблок «Кольцевые катушки индуктивности»

Миниблок «Кольцевые катушки» предназначен для исследования магнитного поля на оси катушек и явления взаимной индукции. Одна из двух одинаковых катушек неподвижна, другая может перемещаться вдоль оси с помощью специального поводка. Минимальное расстояние между центрами катушек 5 мм. На этикетке имеется шкала, по которой можно определить текущее расстояние между катушками, указаны одноименные зажимы, числа витков и средний диаметр катушек, а также показано расположение вывода. Для измерения магнитной индукции на оси катушек используется миниблок «Тесламетр», в котором имеется щуп с датчиком Холла. Максимальный допустимый ток в катушек 200 мА.

Рисунок 6. миниблок «Тесламетр»

магнитное поле ось кольцевая катушка

Миниблок «Тесламетр» предназначен для измерения магнитной индукции. Имеет зонд с датчиком Холла на конце, который можно вводить внутрь катушки. Датчик расположен перпендикулярно оси зонда, т.е. он измеряет аксиальную составляющую магнитной индукции. . Вдоль оси зонда нанесены риски через 5 мм. Они позволяют определять расстояние, на которое перемещается датчик внутри катушки.

Для компенсации несимметрии датчика Холла и дрейфа «нуля» усилителя на миниблоке имеется ручка управления «Установка нуля».

2.3 Блок мультиметров

Блок мультиметров предназначен для измерения напряжений, токов, сопротивлений, температуры, а также проверки диодов и транзисторов.

В блоке установлен источник питания мультиметров от сети с выключателем и предохранителем на 1 А. на лицевую панель блока вынесены четыре предохранителя защиты токовых цепей мультиметров.

Рисунок 6. Общий вид блока мультиметров

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Установите миниблок «Кольцевые катушки» на наборную панель, как показано на рисунке 7. Если Вы исследуете поле двух катушек, то соедините катушки между собой согласно или встречно. Подведите к катушкам питание от регулируемого источника постоянного напряжения 0…15 В через амперметр.

Установите на наборную панель миниблок для измерения магнитной индукции («Тесламетр»).

Разомкните цепь питания катушек (выньте из гнезда наборной панели штырёк провода от амперметра) и включите блок генераторов.

При выключенном питании катушек установите как можно точнее нулевое показание вольтметра ручкой установки нуля (обычно удаётся получить Uвых<20 мВ).

Включите питание и установите максимально допустимый ток 0.2 А регулятором напряжения источника. При меньшем токе погрешность измерения магнитной индукции возрастает из-за слишком слабого магнитного поля.

Перемещая зонд с датчиком Холла вдоль оси катушек с шагом 2,5 мм, запишите координаты и соответствующие им значения магнитной индукции в таблицу1. Координату х = 0 удобно принять в центре одной из кольцевых катушек. Значение магнитной индукции В [мТл] = 10Uвых [В]. В ходе эксперимента время от времени отключайте питание катушки и корректируйте установку нуля тесламетра.

Таблица 1.

4. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Постройте график изменения В(х) для рассмотренного случая. Предварительно выберите удобные масштабы и нанесите шкалы по осям.

Вычислите магнитную индукцию в некоторых характерных точках (в точке симметрии, в центре одной из катушек и т. п.) по формуле для тонкой кольцевой катушки:

Геометрические размеры, входящие в эту формулу показаны на рисунке 8.

Рисунок 8.

Нанесите расчётные точки на экспериментальном графике либо сделайте расчёт всего графика на компьютере, используя, например, программу МathCAD. Тогда удобнее экспериментальные точки нанести на расчётном графике

Напишите вывод.

Содержание отчета по лабораторной работе

Название и цель работы;

Расчеты, графики;

Ответы на контрольные вопросы;

Выводы.

Контрольные вопросы

Для чего используются катушки индуктивности?

Для чего применяют катушки связи?

Перечислите основные параметры катушки индуктивности?

Какой конструкции катушка цилиндрической или кольцевой предпочтительнее для неразрушающего контроля?

Размещено на Allbest.ru