Идентификация и исследование ферритового кольца из энергосберегающей лампы.

НепротиворечиваяЭлектродинамика / ЭкспериментальнаяФизика / ПродольныеВолны / АльтернативнаяЭлектродинамикаНиколаева / КачерБровина / КачерБровина / ФизическийЭксперимент

Ферритовое кольцо с обмоткой.

Лабораторная работа №25: Идентификация и исследование ферритового кольца из энергосберегающей лампы

Реферат

В работе представлено детальное исследование безымянного ферритового кольца, извлечённого из вышедшей из строя энергосберегающей лампы, которое более десяти лет служило основой для экспериментов с качерным датчиком тока. Приведены точные геометрические и намоточные данные. Экспериментально определены ключевые параметры: индуктивность пробной обмотки (L ≈ 3 мГн), что позволило оценить эффективную магнитную проницаемость (µэфф ≈ 17857). Визуализирована петля гистерезиса с помощью осциллографа и схемы с ЛАТРом, что открывает путь к построению полной кривой намагничивания B(H) и формальному описанию свойств материала.

1. Введение. Выбор «народного» сердечника

В 2012 году, в отсутствие классического советского феррита М2000НМ с известными паспортными данными, для создания рабочего макета датчика тока было выбрано ферритовое кольцо из балласта энергосберегающей лампы. Это решение оказалось практичным и исторически значимым: данный конкретный образец стал основой для многолетних экспериментов, описанных в предыдущих лабораторных работах.

Цель настоящей работы: выполнить ретроспективную документацию конструкции датчика и экспериментально определить базовые электромагнитные параметры «анонимного» ферритового сердечника, заложив основу для его полной характеризации.

2. Документирование конструкции датчика

2.1. Геометрия сердечника.

  • Внешний диаметр (D_нар): 10.00 мм
  • Внутренний диаметр (D_вн): 5.90 мм
  • Толщина (h): 4.18 мм
  • Масса: 1.00 г

2.2. Конфигурация обмоток (провод диаметром 0.3 мм). В датчике были реализованы две группы обмоток, что позволяло исследовать взаимовлияние:

  • Основная группа («классическая» намотка, Рис. 1):
    • W1 (первичная, измеряемая): 49 витков
    • W2 (вторичная, в контуре качера): 5 витков
  • Дополнительная группа (намотка поверх основной, Рис. 2):
    • W3 (управляющая/тестовая): 25 витков
    • W4 (контрольная): 4 витка

Лабораторный стенд.

Примечание: Наличие обмоток W3 и W4 позволило в Лаб. работе №24 доказать незначительное влияние внешних однородных полей на работу датчика.

3. План и начальные результаты эксперимента по определению параметров

3.1. Измерение индуктивности и оценка магнитной проницаемости. Для первичной оценки на кольцо была намотана пробная обмотка из толстого провода: w = 20 витков.

  • Измеренное значение: Индуктивность L = 3.00 мГн.

  • Расчёт эффективной магнитной проницаемости (µэфф): Используется формула для тороидального сердечника: µэфф = (L * l_cp) / (µ₀ * w² * S) где:

    • l_cp = π * (D_нар + D_вн)/2 — средняя длина магнитной силовой линии (~25 мм).
    • S = h * (D_нар - D_вн)/2 — эффективное сечение сердечника (~8.6 мм²).
    • µ₀ = 4π * 10⁻⁷ Гн/м — магнитная постоянная.
    • w = 20 — число витков.

    Результат расчёта: µэфф ≈ 17857. Это значение характерно для ферритов никель-цинковой (Ni-Zn) группы, часто используемых в ВЧ-преобразователях, какими являются балласты люминесцентных ламп.

3.2. Визуализация и анализ петли гистерезиса. Для прямого наблюдения магнитных свойств была собрана классическая схема с осциллографом в режиме X-Y:

  • Источник: Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) через разделительный трансформатор.
  • Цепь намагничивания: К испытуемому кольцу с намотанной первичной обмоткой подаётся переменное напряжение с ЛАТРа.
  • Цепь измерения H: Последовательно с первичной обмоткой включён резистор малого сопротивления R_H. Падение напряжения на нём U_x ~ I ~ H (напряжённость поля) подаётся на вход X осциллографа.
  • Цепь измерения B: На вторичную обмотку (w витков) через интегрирующую RC-цепь подаётся сигнал U_y ~ dB/dt. После интегрирования напряжение на входе Y осциллографа пропорционально магнитной индукции B.

Осциллограмма.

Полученный результат: На экране цифрового осциллографа была чётко зафиксирована замкнутая петля гистерезиса — классическая отличительная черта ферромагнетика.

4. Методика дальнейших расчётов и анализ результатов

4.1. Переход от осциллограммы к кривой B(H). Для количественного анализа необходимо оцифровать полученную петлю и пересчитать значения напряжений в физические величины:

  • Напряжённость магнитного поля (H, А/м): H = (w_1 * U_x) / (R_H * l_cp) где w_1 — число витков в первичной (намагничивающей) обмотке.
  • Магнитная индукция (B, Тл): B = (1 / (w_2 * S)) * ∫ U_y dt где w_2 — число витков во вторичной (измерительной) обмотке, интеграл берётся за счёт интегрирующей цепи в схеме.

4.2. Ключевые параметры, которые можно определить:

  1. Коэрцитивная сила (H_c): Значение H, при котором B становится равным нулю. Прямо указывает на «жёсткость» материала.
  2. Остаточная индукция (B_r): Значение B при H = 0. Важно для применения в памяти.
  3. Индукция насыщения (B_s): Максимальная достигаемая индукция.
  4. Площадь петли: Пропорциональна энергии перемагничивания за цикл, то есть магнитным потерям.

4.3. Интерпретация в контексте датчика тока. Высокая рассчитанная проницаемость (µэфф ≈ 18000) хорошо объясняет высокую чувствительность датчика к подмагничиванию. Однако петля гистерезиса, особенно её ширина (H_c) и площадь, напрямую связаны с:

  • Неидеальной линейностью характеристики F(I).
  • Обнаруженным в Лаб. работе №24 эффектом магнитного последействия (релаксация в течение 6 с).

5. Выводы

  1. Успешно выполнена полная документация конструкции исторического макета качерного датчика тока.
  2. Экспериментально для сердечника из массового электронного компонента определены:
    • Геометрические размеры и конфигурация обмоток.
    • Индуктивность пробной обмотки (L = 3 мГн).
    • Оцененная эффективная магнитная проницаемость (µэфф ≈ 17857).
    • Визуализирована петля магнитного гистерезиса.
  3. Разработан и апробирован метод перехода от осциллограммы к количественным параметрам материала (B, H, H_c, B_r).
  4. Полученные данные создают основу для материаловедческого анализа работы датчика: нелинейность и динамические эффекты теперь могут быть не просто констатированы, но и соотнесены с конкретными параметрами феррита.

Перспектива: Построение точной кривой намагничивания B(H) для данного кольца станет финальным шагом, позволяющим перейти от эмпирических исследований к полному математическому моделированию качерного датчика тока. Это ключ к целенаправленной оптимизации и выбору оптимального материала сердечника для конкретных прикладных задач.

 Ссылки :