Бесконтактный метод измерения электропроводности металлов
Вид материала | Документы |
СодержаниеI, а с других двух снимается напряжение падающее на образце U Р - первичная катушка, создающая переменное магнитное поле S |
- Ться с методикой определения электропроводности металлов, экспериментальным и расчетным, 109.79kb.
- Методические указания к лабораторной работе по физике для студентов строительных специальностей, 191.15kb.
- Научно-практическая конференция «Старт в науку» «Определение жесткости воды водозаборных, 229.45kb.
- Отчет по лабораторной работе, 171.8kb.
- Н. Э. Баумана Калужский филиал Е. В. Акулиничев Методы определения твёрдости металлов, 165.08kb.
- Особенности электропроводности металлов, 249.5kb.
- Государственный стандарт СССР гост 24146-89 "Зрительные залы. Метод измерения времени, 145.52kb.
- Реферат по теме: «Металлы. Свойства металлов.», 196.2kb.
- Электрический ток в проводниках, 75.18kb.
- 2. Т84. Государственные поверочные схемы т 84 Измерения геометрических величин, 3468.15kb.
Бесконтактный метод измерения электропроводности металлов.
Цель работы:научиться измерять сопротивление металлических образцов используя метод взаимной индукции ( образцы изготовлены в виде длинных цилиндрических стержней с диаметром 10 мм).
Введение.
Основным методом определения электросопротивления является 4х контактный потенциальный метод основанный на законе Ома R=U/I. При этом, измерительная схема выглядит так
Вовремя измерения черезобразец по двум контактам пропускается ток I, а с других двух снимается напряжение падающее на образце U. Однако, в ряде случаев, невозможно изготовить хорошие контакты, т.к. в процессе их изготовления возможно образование дефектов, загрязнение металла в месте контакта. Кроме этого, возможны случаи, когда нужно производить неразрушающий контроль изделия больших размеров, и чувствительности приборов измеряющих напряжение не хватает, либо, просто нет возможности сделать контакты (непрерывный прокат ). В этих и многих других случаях бесконтактные методы измерения сопротивления имеют преимущество.
Теория.
Отличие индукционного метода от контактного заключается в способе создания электрического поля в образце путем изменения во времени внешнего магнитного поля в которое помещен образец, и способе регистрации возникающего под воздействием этого поля наведенного тока. Существуют различные методы детектирования наведенных токов:
1. по изменению добротности катушки резонансного контура
2. по изменению импеданса катушки
3. по изменению взаимной индуктивности двух катушек.
Основой всех методов является регистрация изменения магнитного потока Ф=BS пронизывающего катушку с образцом. При этом изменение потока может вызываться разными причинами.
Рабочим элементом метода используемого в данной работе является пара катушек с образцом
где Р - первичная катушка, создающая переменное магнитное поле
S - приемная катушка с образцом
Через первичную катушку пропускается переменный ток I=Iоsin(wt). В результате внутри нее создается однородное по длине катушки переменное во времени магнитное поле
H=NрI/lр
где Nр - число витков катушки Р, lр - ее длина.
В этом поле располагается приемная катушка S, на каторой, вследствие эффекта фарадея, возникает напряжение индукции ESo
ESo =-dФ/dt
где Ф=BSSNS - магнитный поток пустой катушки S, для пустой катушки B=H.
ESo =-d(BNSSS)/dt=-SSNSdH/dt
подставляя выражение для Н
ESo=-NSNPSS wIo cos(wt)/lP
при помещении в катушку S образца, ее внутреннее поле
B=H-4pM
где М - наведенный магнитный момент образца.
Для немагнитных металлов, М в основном возникает благодаря экранирующим переменное поле токам. Возникновение и поведение этих токов связано с эффектом фарадея и скин-эффектом.
При появлении образца, напряжение на приемной катушке
ES=-SSNSd(H-4pM)/dt
проведем замену dM/dt=(dM/dH)(dH/dt)= (dH/dt)
где - магнитная восприимчивость
ES=-SSNS[1-4 ]dH/dt=ESo + (SSNSNPIo/lP)cos(wt)
Вычитая сигнал от пустой катушки, мы получим чистый сигнал от образца
E S=Aw
Для простых геометрий образца и катушек восприимчивость можно довольно легко связать с сопротивлением образца. Значение связано с протекающими по образцу экранирующими токами. При этом из-за наличия сопротивления возникают энергитические потери, токи как бы не успевают отслеживать изменение внешнего поля и магнитный поток создаваемый экранирующими токами не совпадает с потоком внешнего поля не только по величине, но и по фазе. Математически это удобнее записывать в комплексном виде. При этом принимаемый сигнал раскладывается на две составляющие одна из которых связана с моментом токов- ’, а другая с энергетическими потерями ”
ES=Aw(’ -i” )=E’ -iE”
Для регистрации изменения этих двух составляющих переменных сигналов используются синхронные детекторы. Они воспринамают сигнал как вектор в координатах (х,у), нужно только в начале измерения указать прибору начало отсчета нулевой фазы сигнала , т.е. скорелировать положение действительной оси прибора (задается подачей опорного сигнала с дополнительного выхода генератора “синхр” на вход “reference" синхронного детектора) и полезного сигнала имеющего только одну действительную составляющую. Эта операция называется "set", и выполняется путем измерения полезного сигнала от пустых катушек, когда никаких потерь нет и сигнал имеет только действительную составляющую.
Существует простой метод определения проводимости по зависимостяч E”(w) и E’ (w). Как уже говорилось при помещении металлического круглого длинного стержня в продольное переменное магнитное поле в нем по закону Фарадея наводятся экранирующие токи свободных электронов. Однако из-за рассеяния электронов возникает сопротивление и потери. Это приводит к тому, что проникая в глубь образца поле постепенно заухает
Глубина связана с рассеянием электронов и следовательно с сопротивлением образца. Прямая зависимость выглядит так
=503,3(/f)-0.5
где - удельное сопротивление (Ом мм /м), - магнитная проницаемость материала =1, f- частота (Гц). w=2f.
Видно, что при w<<1 глубина проникновения поля поля большая, магнитный поток пронизывает весь образец. Но и токи следовательно текут по всему сечению образца, их плотность мала и потери малы.При w>>1 <
Таким образом измеряя E’(w) и E” (w) можно по положению максимума на E“(w) определить сопротивление образца по wmax .
Принадлежности: генератор звуковой частоты,усилитель сигналов переменного тока, фазовый детектор, осцилограф, образцы в виде длинных цилиндров.
Схема установки.
Порядок выполнения работы.
1.Ознакомиться с работой приборов.
2.Собрать установку по схеме.
3.Провести последовательное измерение E’So E”So E’S E”S образцов.
4.Показания занести в таблицу.
5.По данным таблицы построить графики E’(w)/w, E” (w)/w в
зависимости от log(w).
6. По положению максимумов определить значения удельного
сопротивления образцов.
Таблица измерений для образца N
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
частотаw(гц)|50|75|100|150|200|250|300|400|500|600|700|800|900|1000|1500|2000|2500|
5000| 10000|
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Показание E’o | |
пустых |-------------------------------------------------------------------------------------
катушек E“o | |
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Показания E’S | |
катушек с |-------------------------------------------------------------------------------------
образцом E”S | |
---------------------------------------------------------------------------------------------------------
Контрольные вопросы.
1.Вчем основной принцип измерения сопротивления бесконтактными методами.
2.Природа сикн-эффекта.
3.Как работает фазовый детектор.
4.Как определить из зависимости E”(w).
5.Что произойдет с Е”(w) при охлаждении или нагреве образца.
6.Как изменится зависимость Е”(w) в образце просверлить по центру сквозное продольное отверстие.
7.Максимальное и минимавльное значения сопротивления которые можно определить на данной установке.
8.Какие ограничения по использованию данного метода вы видите и какие способы вы можете предложить для их преодоления.
Литература.
1.Роуз-Инс. Техника низкотемпературного эксперимента.
2.Фейман Р. Лекции по физике. т.6-7. Физика твердого тела.
3.Ландау Л.Д. Электродинамика.