Mágneses momentum mérése vibrációs magnetométerrel

Hasonló dokumentumok
-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

= Φ B(t = t) Φ B (t = 0) t

Fizika A2E, 5. feladatsor

MÁGNESES TÉR, INDUKCIÓ

A feladatsorok összeállításánál felhasználtuk a Nemzeti Tankönyvkiadó RT. Gyakorló és érettségire felkészítő feladatgyűjtemény I III. példatárát.

Pótlap nem használható!

Elektrotechnika. Ballagi Áron

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

Mágneses mező jellemzése

Az elektromágneses tér energiája

Az elektromágneses indukció jelensége

Időben állandó mágneses mező jellemzése

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Projektív ábrázoló geometria, centrálaxonometria

2.2. A z-transzformált

Mágneses erőtér. Ahol az áramtól átjárt vezetőre (vagy mágnestűre) erő hat. A villamos forgógépek mutatós műszerek működésének alapja

Héj / lemez hajlítási elméletek, felületi feszültségek / élerők és élnyomatékok

A táblázatkezelő mérnöki alkalmazásai. Számítógépek alkalmazása előadás nov. 24.

A flóderes rajzolatról

FIZIKA. Váltóáramú hálózatok, elektromágneses hullámok

Fizika II. feladatsor főiskolai szintű villamosmérnök szak hallgatóinak. Levelező tagozat

ANYAGJELLEMZŐK MEGHATÁROZÁSA ERŐ- ÉS NYÚLÁSMÉRÉSSEL. Oktatási segédlet

Az önindukciós és kölcsönös indukciós tényező meghatározása Az Elektrotechnika tárgy 7. sz. laboratóriumi gyakorlatához Mérésvezetői segédlet

A kísérlet, mérés megnevezése célkitűzései: Váltakozó áramú körök vizsgálata, induktív ellenállás mérése, induktivitás értelmezése.

Mesterséges Intelligencia 1

Fizika II minimumkérdések. A zárójelben lévő értékeket nem kötelező memorizálni, azok csak tájékoztató jellegűek.

Feladatok Oktatási segédanyag

Az összetett hajlítás képleteiről

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika 2. ZH, december 05. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

A mágneses tulajdonságú magnetit ásvány, a görög Magnészia városról kapta nevét.

Gyakorlat 34A-25. kapcsolunk. Mekkora a fűtőtest teljesítménye? I o = U o R = 156 V = 1, 56 A (3.1) ezekkel a pillanatnyi értékek:

A szilárdságtan 2D feladatainak az feladatok értelmezése

1 kérdés. Személyes kezdőlap Villamos Gelencsér Géza Simonyi teszt május 13. szombat Teszt feladatok 2017 Előzetes megtekintés

Maradó feszültség meghatározása

A ferde hajlítás alapképleteiről

Vezetők elektrosztatikus térben

FIZIKA II. Az áram és a mágneses tér kapcsolata

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Mágneses mező jellemzése

Számítási feladatok megoldással a 6. fejezethez

Kirchhoff 2. törvénye (huroktörvény) szerint az áramkörben levő elektromotoros erők. E i = U j (3.1)

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

7. Mágneses szuszceptibilitás mérése

Fizika 1 Elektrodinamika belépő kérdések

Fizika 2 - Gyakorló feladatok

Mikrohullámú oszcillátorok 1 31 és AM zajának mérése a kettős TE m. módon működő diszkriminátor segítségével. fí 1 (T) (4) = AfK2 D

EHA kód: f. As,

Kifejtendő kérdések június 13. Gyakorló feladatok

Mágneses indukcióvektor begyakorló házi feladatok

7. Mágneses szuszceptibilitás mérése jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

3.1. ábra ábra

1. fejezet. Gyakorlat C-41

Jegyzőkönyv. mágneses szuszceptibilitás méréséről (7)

A II. kategória Fizika OKTV mérési feladatainak megoldása

MÁGNESESSÉG. Türmer Kata

Modern Fizika Labor. 5. ESR (Elektronspin rezonancia) Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 25. A mérés száma és címe: Értékelés:

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Nanokristályos lágymágneses vasmagok minősitése

7. L = 100 mh és r s = 50 Ω tekercset 12 V-os egyenfeszültségű áramkörre kapcsolunk. Mennyi idő alatt éri el az áram az állandósult értékének 63 %-át?

Mágneses mező tesztek. d) Egy mágnesrúd északi pólusához egy másik mágnesrúd déli pólusát közelítjük.

HÁZI FELADAT megoldási segédlet PONTSZERŐ TEST MOZGÁSA FORGÓ TÁRCSA HORNYÁBAN 2. Anyagi pont dinamikája neminerciarendszerben

15. Többváltozós függvények differenciálszámítása

EGYFÁZISÚ VÁLTAKOZÓ ÁRAM

22. ÖSSZETETT SZŰRŐKÖRÖK VIZSGÁLATA

VILLANYSZERELŐ KÉPZÉS MÁGNESES TÉR ÖSSZEÁLLÍTOTTA NAGY LÁSZLÓ MÉRNÖKTANÁR

x = 1 egyenletnek megoldása. Komplex számok Komplex számok bevezetése

Zárt mágneskörű induktív átalakítók

Négypólusok helyettesítő kapcsolásai

1. Milyen módszerrel ábrázolhatók a váltakozó mennyiségek, és melyiknek mi az előnye?

Mechanika. Kinematika

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

VILLAMOS FORGÓGÉPEK. Forgó mozgás létesítése

Tekercsek. Induktivitás Tekercs: induktivitást megvalósító áramköri elem. Az induktivitás definíciója: Innen:

Abszorpciós spektroszkópia

Elektromágneses hullámok

a) Valódi tekercs b) Kondenzátor c) Ohmos ellenállás d) RLC vegyes kapcsolása

3. Szerkezeti elemek méretezése

Mágneses szuszceptibilitás mérése

FIZIKA II. Az áram és a mágneses tér kapcsolata

Atomfizika előadás Szeptember 29. 5vös 5km szeptember óra

Elektromágnesség tesztek

2. Koordináta-transzformációk

Máté: Orvosi képalkotás

MÁGNESES INDUKCIÓ VÁLTÓÁRAM VÁLTÓÁRAMÚ HÁLÓZATOK

a térerősség mindig az üreg falára merőleges, ezért a tér ott nem gömbszimmetrikus.

ALAPFOGALMIKÉRDÉSEK VILLAMOSSÁGTANBÓL 1. EGYENÁRAM

Polarizált fény, polarizáció. Polarizáció fogalma. A polarizált fény. Síkban polarizált fény. A polarizátor

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

Áramköri elemek mérése ipari módszerekkel

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

2. Ideális esetben az árammérő belső ellenállása a.) nagyobb, mint 1kΩ b.) megegyezik a mért áramkör eredő ellenállásával

Matematika M1 Gyakorlat

N I. 02 B. Mágneses anyagvizsgálat G ép A mérés dátuma: A mérés eszközei: A mérés menetének leírása:

6.8. Gyorsan forgó tengelyek, csőtengelyek

DINAMIKA ALAPJAI. Tömeg és az erő

Átírás:

Beveetés Mágneses momentum mérése vibrációs magnetométerrel A mérés célja megismerkedni egy makroskopikus minta mágneses dipólmomentumának mérésével, valamint megvisgálni egy lágymágneses anyag momentumának váltoását a külső mágneseő tér függvényében. A külső mágneses teret egyenáramú gerjestő tekerccsel houk létre, amely a különböő mintákban eltérő mágneses dipólmomentumot kelt. A mágneses térerősség mértéke a gerjestő tekercs áramával sabályoható. A ily módon felmágneseett minta köelébe helyeett másik tekercsben (mérőtekercs) a dipólmomentum tere mágneses fluxust ho létre. Ha a mintát a mérőtekercshe képest mogatjuk, a tekercsben fluxusváltoás lép föl, ami fesültséget indukál. A indukált fesültség értékéből a minta mágneses momentuma meghatároható. A mérési össeállítás akkor optimális, ha a elemek paramétereinek megválastása révén (tekercsek alakja, minta helye stb.) a mért fesültség arányos a mágneses momentummal, valamint értéke a lehető legnagyobb. Elméleti alapok Egy H mágneses térerősségvektorral jellemett térben lévő köegben kialakuló B mágneses indukció a követkeő össefüggéssel írható le: B = µ (H + M), (1) ahol M a mágneses dipólmomentum sűrűség vektor vagy mágneseettségi vektor. Egy makroskópikus méretű, V térfogatú test mágneses momentuma (m) a követkeő térfogati integrálással kapható meg: m M dv () V A mérés során a m(h) függvényt seretnénk meghatároni. A mérés a mágneses indukció jelenségén alapul, vagyis mindenekelőtt meg kell határonunk a beveetőben említett mérőtekercsben indukált U fesültség és a m mágneses momentum köötti kapcsolatot. A alábbiakban kivonatosan bemutatjuk a keresett össefüggés leveetését. Kiindulásul a Maxwell-egyenleteket alkalmauk kváistacionárius köelítésben, aa a időben váltoó terek okota sugárást elhanyagoljuk. A leveetés kulcsgondolata serint elősör össehasonlítjuk egy I áramjárta tekercs mágneses terébe helyeett m mágneses dipólus energiáját aal a energiával, amit ugyane a dipólus tárol ugyanebben a tekercsben a általa létrehoott Φ fluxus által. Így megkapjuk a Φ(m) össefüggést. Mivel a fluxusnál a indukált fesültség sokkal egyserűbben mérhető, mogatni fogjuk a mintát, és meghatárouk a keresett U(m) össefüggést. A mérés elve Elősör egy külső H mágneses térben lévő m dipólus energiáját (W 1 ) írjuk föl skalársorat formájában: W 1 = m. H, (3) amelynek alakja abból adódik, hogy a mágneses tér a momentumra forgatónyomatékot gyakorolhat. Tegyük fel, hogy a mágneses teret egy g görbével jellemehető hurokban folyó I áram határoa meg. Egy vákuumban lévő (B = µ H) hurok által keltett tér a Biot- Savart-törvény serint: dr r r e H( r) I I H, (4) 3 r r g 6 / 1

ahol H e -vel jelöltük a egységnyi áram által keltett mágneses térerősséget, amely csupán a geometriától függ. Et behelyettesítve (3)-ba a követkeőt kapjuk: W 1 = m. H e. I, (5) Másodsor at néük meg, hogy mekkora a energiája a m mágneses momentum keltette B mágneses indukciójú térben található A felületű veető huroknak, melyben I áram folyik: ahol a hurokban fellépő mágneses indukciófluxus: W = I. /, (6) B da. (7) A 1. ábra. A mágneses momentum és a mérőhurok. Amennyiben a I árammal H térerősséget létrehoó, valamint a Φ fluxust tartalmaó hurok és a mágneses momentum egy és ugyana mind a két esetben, a előbbi energiakifejeéseknek egyenlőnek kell lenniük: W 1 = W m. H e. I = I. /, (8) ahol I-vel egyserűsíthetünk, így a mágneses fluxus a hurokban: = m. H e (9) Most at a esetet visgáljuk meg, amikor a mágneses dipólust mogatjuk a mérőhurokho képest. Ekkor a geometria váltoása fluxusváltoást eredménye, amely a mérőtekercsben indukált fesültséget (U) ho létre: dφ d dr t grad t t d e r U( ) m H. (1) d dr d d t A fenti össefüggésben a idő (t) serinti deriválást a láncsabály alapján mindjárt átalakítottuk hely serinti deriválásra, ahol r a dipólus helyvektorát jelenti. A m a végső mérendő mennyiség, értékét a gerjestő tekercs árama határoa meg, ami egy mérési pontban időben állandó. Ha a dipólus mogástartománya kicsi a gerjestő tekercs jellemő méreteihe képest, m értéke a mogás során helyfüggetlen is, mivel kis helyváltotatás során a gerjestő tekercs mágneses tere állandó. A mágneses momentum épp eért kiemelhető a gradiensből, ahol így csak H e marad. Ha a mérési elrendeés geometriája olyan, hogy H e -nek, m-nek és a helyvektor dr megváltoásának csak aonos irányú komponense van, és a koordináta rendserünket úgy vessük fel, hogy a -tengelye ebbe a irányba mutat, akkor a fenti mennyiségek helyettesíthetők H e, m ill. d komponenseikkel. Ekkor a fenti kifejeés a követkeőre egyserűsödik: e H d U( t) m. (11) dt 6 /

A dipólus mogatása során fellépő indukált fesültség tehát akkor mérhető könnyen, ha időben vagy állandó, vagy harmonikusan váltoik. A előbbihe a dipólus egyenes vonalú egyenletes mogását kellene bitosítani a helytől lineárisan függő H e esetén, ami neheen kivitelehető. Kéenfekvő tehát a dipólus amplitudójú, ω körfrekvenciájú sinusos regetése. Ekkor a fenti össefüggés a követkeő alakot ölti: e H ( t) m ω cos(ω t) (1) U Látható, hogy a legnagyobb indukált fesültséget akkor kapjuk, ha a minta mogása gyors, valamint ha a egységnyi áram keltett indukált mágneses tér gyorsan váltoik a hellyel. Ebben a esetben akkor les a indukált fesültség arányos m-el, ha H e hely serinti váltoása a mogás tartományában első rendben állandó, aa H e / = const. A feladat tehát egy ilyen mérőhurok geometriát találni. A vibrációs magnetométer. ábra. A mérőhurok geometriája a magnetométerben. A Biot-Savart törvény itt nem résleteett alkalmaásával meg lehet győődni róla, hogy a. ábrán látható kettős mérőhurok elrendeés alkalmas a H e / = const. feltételnek megfelelő mágneses tér előállítására, és ne felejtsük el, hogy így a induktivitás kölcsönössége, aa a ekvivalenciánk alapján ideális mérőhuroknak/-tekercsnek is. A leveetésben csak a két ellentétes körüljárású áramhurok terének komponensét kell meghatároni a tengely mentén, majd annak megfelelő deriváltját képeni. E a = köéppontban és annak << d kis környeetében a ábra jelöléseit felhasnálva a alábbi alakot ölti: H 3R d (R d ) amely valóban állandó (-től független). Maximális értékét megfelelő R/d arány mellett vesi fel, melyet a R = áll. feltételes sélsőérték keresésével határohatunk meg. Ennek eredménye: e H 5 R d 5 R d 3 d R d (14) d vagyis a R sugarú hurkokat úgy kell elhelyeni, hogy éppen R távolságra legyenek egymástól. Ha a hurkok helyett N menetes tekercseket alkalmaunk, a indukált fesültség (1)-ben megadott értékének is N-seresét kapjuk: 5/ (13) 1 ( t) N m ω cos(ω t) (15) 5 5 d U 6 / 3

3. ábra. A mérési elrendeés válatraja. 4. ábra. A mérőkésülék a valóságban. Nem esett még só a minta felmágneseéséről, melyhe egy megfelelő erősségű homogén mágneses térre van sükség. Erre a célra alkalmas a 3. ábrán és a 4. fényképen is látható lágyvas maggal/járommal ellátott elektromágnes, melyet egyik oldalán egyenárammal (I g ) táplált n menetű tekercselés ves körül. A másik oldalon a résben köelítőleg homogén tér alakul ki, amely a rés köepén, ahová a mintát is helyeük még inkább megfelel ennek a feltételnek. A 3. ábrán a is látható, hogy sintén a rés két oldalára került a két mérőtekercselés. Végeredményben egyfajta transformátort kaptunk, melyben nem a primer 6 / 4

köri áram váltakoik a idővel, hanem a tekercsek köti induktív csatolást erősítő kétréses vasmag (nagy lágyvas tömb és a kisméretű minta). A résben keltett mágneses tér köelítő meghatároásáho a gerjestési törvényt alkalmauk. A ábra jelöléseit hasnálva: Hdr I H l H (l d) H d n I (16) Fe 1 A rés és vasmag határán (iotróp permeabilitású vasmagot feltételeve, ahol B és H párhuamos) a tér jó köelítéssel a határfelületre merőleges irányú, tehát a B indukció megy át folytonosan: B/ = H rés valamint B/ Fe = H Fe. Behelyettesítve (16)-ba adódik: Fe Fe rés n Ig/ B (17) l1 l d d/μ μ Itt a neveőben a első tag a µ Fe nagyon nagy értéke miatt elhanyagolható a második tag mellett, így: valamint a térerősség a légrésben μ n Ig B, (18) d H rés n Ig (19) d A mérőkésülék további rései: a mágneseő tekercs táplálását egy fesültséggenerátor bitosítja, a mintát pedig egy pieoelektromos mogató regeti, melyet egy jelgenerátor sinusos jelével hajtunk meg. A indukált fesültség mérésére annak kis értéke és a ajok kiküsöbölése érdekében egy fáisérékeny lock-in erősítőt hasnálunk (ld. fáisérékeny detektálás), mely a 5. fényképen látható. Ennek működési elve a Kis fényintenitások mérése ajos környeetben c. hallgatói mérésben megtalálható, aonban ismerete jelen mérésnél nem sükséges. Jelenleg annyit elég tudnunk, hogy a műser a mérendő sinusos jel effektív értékét határoa meg és jeli ki, aa (15) alapján: 1 N m ω () 5 5 d Ueff g 5. ábra. A fáisérékeny (lock-in) erősítő. 6 / 5

Mérési feladatok, a mérés menete A feladat két különböő anyagú minta visgálata, és mágneses momentumaik arányának meghatároása. Ehhe a mágneseő áram függvényében a indukált fesültséget mérjük különböő értékeknél. Mivel a gerjestő áram (I g ) a mágneseő térrel (H rés ) arányos, a mért indukált fesültség (U eff ) pedig a tér által okoott mágneseettséggel/mágneses momentummal (m ), a felvett U eff -I g görbék mágneseési görbének is tekinthetők. 1. feladat Helyee a 1-es sámmal jelett mintát a mágnespofák köé! Ehhe a késüléken lévő fehér gombot le kell nyomni és elforgatni, hogy úgy maradjon (retes). A mintát a tartójával úgy kell elhelyeni, hogy a minta a pofák köött pontosan köépen legyen. A mintatartót ütkötesse a gomb alsó sáráho majd rögítse at! Eután felengedheti a gombot. A pieoelektromos mogatót meghajtó sinusos jel amplitúdója legyen 1V pp (csúcstól csúcsig). Et a oscilloskópon ellenőriheti. Csatlakotassa a mérőtekercs kimenetét a lock-in erősítő jelbemenetéhe (Signal A), valamint a jelgenerátor kettéostott jelét a pieo mogatóho és a lock-in erősítő referencia bemenetéhe (Reference input). Kapcsolja be a erősítőt, és helyee a legéréketlenebb állásba (Sensitivity 1 mv)! Állítsa a referencia kijelőt Freq-re, valamint a időállandót (Time constant) 1 ms állásba. A fesültség kijelő rés legyen Signal in állásban. Állítsa be a jelgenerátor frekvenciáját 15±5 H-re. Et a értéket a lock-in erősítőn tudja pontosan ellenőrini. A egyenáramú tápegységen a bal oldali áramérték kijelő alapján állítson be 1 A gerjestő tekercs áramot a fesültségváltotató potméterekkel! Nyomja meg a lock-in erősítő AUTO gombját, és várjon, amíg a felette lévő LED kialsik! Ekkor a erősítő a mért és a referencia jelet aonos fáisba hota. Ha a beállás során megváltoott a időállandó, állítsa vissa a eredeti értékekre. Ha sükséges, manuálisan keresse meg at a érékenységet (Sensitivity), amelybe a mért jel még éppen belefér, majd a áramot csökkentse A-re, és nyomja meg a erősítőn a AUTO ZERO gombot (ha sükséges, többsör is)! Ekkor a elrendeés késen áll a mérésre. Vegye fel a minta U eff -I g görbéjét,1 A-es lépésekben a követkeők serint: elősör -tól 1 A-ig, majd vissa 1 A-ig (-nál pólusváltás sükséges a banándugókkal), végül vissa A-ig.. feladat Ismételje meg a első feladat lépéseit a -es sámú mintával. Kiértékelés, jegyőkönyv Ábráolja a kapott eredményeket U eff -I g diagramon! Értelmee a látottakat! Ábráolja a aonos áramértékekhe tartoó fesültségeket U eff,1 -U eff, diagramon. A megfelelő sakasra történő egyenes-illestéssel határoa meg a mágneses momentumok arányát! Mekkora a mágneseő tér legnagyobb értéke? 6 / 6