Исследование феррита. Лабораторная работа №26: Наблюдение S-образной вольт-амперной характеристики

Реферат

В ходе эксперимента по исследованию ферритового кольца (K10x4.6x4 мм) в цепи переменного тока 50 Гц обнаружено необычное явление: элемент, представляющий собой индуктивность с ферромагнитным сердечником, проявляет S-образную вольт-амперную характеристику (ВАХ), аналогичную характеристикам тиристоров, динисторов или неоновых ламп. Это поведение, нехарактерное для классического представления о катушке индуктивности, может указывать на сложный динамический процесс перемагничивания феррита в определённом диапазоне параметров и требует дальнейшего физического осмысления.

1. Введение. От нелинейности к S-образности

Известно, что индуктивность с ферромагнитным сердечником является нелинейным элементом из-за зависимости магнитной проницаемости µ от напряжённости поля H. Однако в классической теории основным проявлением этой нелинейности считается петля гистерезиса в координатах B-H.

Наблюдение же S-образной ВАХ (где ток является неоднозначной функцией напряжения) — явление иного порядка. Такая характеристика является ключевой для элементов с отрицательным дифференциальным сопротивлением (НДС) и лежит в основе работы автогенераторов, релаксаторов, переключательных схем (тиристоры, туннельные диоды). Обнаружение подобного свойства у пассивного компонента — катушки на ферритовом кольце — представляет значительный интерес.

Цель работы: Экспериментально исследовать и зафиксировать условия, при которых ферритовый сердечник в цепи переменного тока демонстрирует S-образную Вольт-Амперную Характеристику.

2. Методика эксперимента

2.1. Образец и подготовка.

Сердечник: Ферритовое кольцо K10x4.6x4 мм (внешний Ø 10 мм, внутренний Ø 4.6 мм, толщина 4 мм), предположительно никель-цинковый (Ni-Zn) из ВЧ-преобразователя.
Обмотка: Для повышения чувствительности кольцо было перемотано. На него намотано w = 100 витков медного эмалированного провода диаметром 0.3 мм.
Параметры катушки:
- Измеренная индуктивность: L ≈ 15.4 мГн (на низкой частоте).
- Активное сопротивление обмотки: r ≈ 1 Ом.

2.2. Измерительная установка. Для формирования и визуализации характеристики была собрана классическая схема с осциллографом в режиме X-Y:

Источник сигнала: Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), питающий понижающий трансформатор ТН-44, обеспечивает плавную регулировку переменного напряжения частотой 50 Гц в диапазоне 0–5 В.
Измерительная цепь: Напряжение с трансформатора подаётся на последовательную цепь, состоящую из:
- Измерительного резистора R_изм (подобран так, чтобы падение напряжения на нём было сравнимо с напряжением на катушке).
- Исследуемой катушки L с ферритовым сердечником.
Визуализация: Двухканальный осциллограф подключён следующим образом:
- Канал X (горизонтальная развёртка): Подключён параллельно измерительному резистору R_изм. Напряжение U_x на нём пропорционально току I в цепи: I = U_x / R_изм.
- Канал Y (вертикальная развёртка): Подключён параллельно катушке индуктивности. Напряжение U_y отражает падение напряжения на ней.
- Режим: Осциллограф переведён в режим X-Y, формируя на экране фигуру Лиссажу, которая представляет собой зависимость U_Y(I) ≈ U_Y(U_X), то есть вольт-амперную характеристику исследуемой катушки.

3. Результаты и наблюдения

3.1. Ключевое наблюдение. При определенных значениях напряжения и тока на экране осциллографа чётко сформировалась S-образная кривая. Это означает, что в некотором диапазоне рост тока через катушку приводит не к монотонному росту падения напряжения на ней, а к его спаду (участок с отрицательным наклоном), после чего рост напряжения возобновляется.

3.2. Рабочая точка наблюдения явления.

Напряжение на катушке: ~U_L ≈ 0.1 В (действующее значение, 50 Гц).
Ток в цепи: ~I = U_x / R_изм ≈ 0.1 A (действующее значение).
Примерный импеданс катушки в рабочей точке: |Z| = U / I ≈ 1 Ом, что сравнимо с её активным сопротивлением (r=1 Ом).

4. Обсуждение и гипотезы

Обнаруженная S-образная ВАХ требует физического объяснения. Возможные гипотезы:

Сложная динамика перемагничивания. В области слабых полей (напряжённость H ~ (I * w)/l_cp) процесс перемагничивания феррита может носить пороговый и релаксационный характер. При достижении определённого уровня поля начинается лавинообразный процесс смещения доменных стенок, что эквивалентно резкому изменению магнитной проницаемости и, следовательно, индуктивности. Это может проявляться как участок НДС на ВАХ.
Взаимодействие с резонансными свойствами. Наблюдаемое явление может быть связано не со статической ВАХ, а с динамическим откликом системы на частоте 50 Гц. Катушка с потерями в сердечнике представляет собой сложную RLC-цепь. В определённом режиме может возникать резонанс или бифуркация, порождающая гистерезис на фазовой плоскости ток-напряжение.
Связь с предыдущими наблюдениями. Это явление может быть динамическим аналогом или причиной затухающих колебаний тока, наблюдавшимся ранее в экспериментах с качерным датчиком, а также быть связано с обнаруженным магнитным последействием (вязкостью) с временем релаксации ~6 с.

Важное замечание: Необходимо исключить артефакты измерительной схемы. S-образность должна воспроизводиться при различных номиналах R_изм и проверена на разных осциллографах.

5. Выводы и перспективы

Экспериментально обнаружено ранее не описанное в классической литературе поведение катушки с ферритовым сердечником — формирование S-образной вольт-амперной характеристики на частоте 50 Гц в области слабых полей (~0.1 А).
Это наблюдение позволяет рассматривать простую индуктивность с ферритом не только как нелинейный, но и как потенциально активный элемент с отрицательным дифференциальным сопротивлением в определённом режиме.
Практическое значение: Данный эффект может быть использован для создания предельно простых генераторов, триггеров или датчиков магнитного поля на основе ферритовых колец без полупроводников.
Требуется дальнейшее исследование для:
- Воспроизведения эффекта на других типах ферритов.
- Построения полной карты режимов (зависимость от частоты, амплитуды, постоянного подмагничивания).
- Разработки адекватной теоретической модели, связывающей микроскопические процессы в феррите с макроскопической S-образной ВАХ.

Это открытие указывает на то, что даже в хорошо изученных, массовых ферромагнитных материалах могут скрываться неожиданные физические эффекты, проявляющиеся в специфических условиях, создаваемых, в том числе, и качерной технологией.

Исследование феррита. Лабораторная работа №26.