Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
Nr.1014
Prof. Dr. phil. Heinrich Lange
Dr.-Ing. Ernst Müller
Institut für theoretische Physik der Universität Köln
Abteilung für Metallphysik
Verfahren zur Bestimmung der Gleich- und Wechselfeld
magnetisierung kleiner Proben.
Untersuchungen im System der Nickel-Zink-Ferrite
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG / KOLN UND OPLADEN
1961
ISBN 978-3-663-03868-9 ISBN 978-3-663-05057-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-05057-5
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Seite
Einführung • • 5
1. Entwicklung des Meßverfahrens • 6
1. Aufgabenstellung ••••. 6
2. Aufbau und Wirkungsweise des Magnetisierungsgerätes 7
3. Meßmethoden . . 14
a) Spulensysteme zur Feld- und Induktionsmessung 14
. . . . .
b) Aufnahme der statischen Hystereseschleife 17
. . . .
c) Aufnahme der dynamischen Hystereseschleife 18
4. Prüfung des Magnetisierungsgerätes ohne Probe 18
5. Prüfung des Magnetisierungsgerätes mit Probe • • 19
a) Einfluß der Spulenabmessungen auf die Meßergebnisse
bei Messung hochpermeabler Proben ••..••• 20
b) Messungen an Proben mit geringer Sättigungsmagneti-
sierung • 24
6. Prüfung der Integrationsverstärker • • • • • 26
7. Rückschlüsse auf die Weiterentwicklung solcher Geräte 31
11. Untersuchungen von Proben mit geringem Eisengehalt 32
1. Probenherstellung 32
2. Analytische Bestimmung des Eis@ngehaltes 33
3. Versuchsergebnisse •. 35
111. Untersuchungen im System der Ni-Zn-Ferrite mit und
ohne CoO-Zusatz • 39
1. Probenauswahl 40
2. Probenherstellung und Einfluß der Sinterzeit auf ihre
Formhaltigkeit •.•• 42
3. Magnetische Ausmessung der Ferritkerne • 43
4. Auswertung der Meßergebnisse • . • 44
a) Einfluß der Mischungsanteile 44
b) Einfluß des Kobaltoxydes 48
c) Einfluß der Ausmahlzeit •. 51
IV. Schlußbetrachtung 54
Literaturverzeichnis 56
Tafeln • 59
Bildteil Anhang 65
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Einführung
Im Rahmen stoffkundlicher Arbeiten spielen magnetische Meßverfahren
eine zunehmend wichtige Rolle. Einer allgemeinen Einführung solcher
Verfahren stehen jedoch manche, vor allem meßtechnisch bedingte Schwie
rigkeiten im Wege. Die Bedienung und Wartung der Meßgeräte stellt be
trächtliche Anforderungen an die Meßtechniker und deren Ausbildung. Die
Durchführung der Messungen selbst ist häufig recht umständlich und zeit
raubend, sie bedarf zudem oft langdauernder Vorbereitungen; auch ist
die Stromversorgung der Laboratorien, die nicht von Anbeginn an für
magnetische Messungen eingerichtet wurden, meist recht unzureichend.
Die Aufgabenstellung der Arbeit schließt eng an die Entwicklungsarbeiten
der metallphysikalischen Abteilung des Institutes für theoretische
Physik der Universität Köln an, in welchen Wert auf solche magnetischen
Meageräte gelegt wird, die eine Vereinfachung der Meßmethoden ohne we
sentlichen Verzicht auf Meßgenauigkeit erwarten Unter diesen
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hat sich neben den von H. LANGE, R. KOHLHAAS [1, 2] und S. MÜLLER [3]
entwickelten magnetischen Waagen auch ein neuartiges Magnetometer nach
H. LANGE und K. MELLENTIN [4] besonders bewährt, dessen Genauigkeit
und Schnelligkeit bei der Bestimmung von Hystereseschleifen wohl von
keinem der bisher bekannten Meßgeräte erreicht wird, und das insbeson
dere auch für Messungen an magnetischen Blechen eingerichtet ist.
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I. Entwicklung des Meßverfahrens
1. AufgabensteIlung
Auf Anregung von H. LANGE sollte in der vorliegenden Arbeit der Versuch
unternommen werden, auf neuartiger Weise eine Vereinfachung der Aufnahme
von HYstereseschleifen an kleinen Proben, insbesondere an Ferriten, zu
erreichen. Es schien möglich, auf dem im Folgenden beschriebenen Wege,
an diesen Werkstoffen zuverlässige Messungen ohne Einbuße an Meßgenau
igkeit auch an kleinsten Proben zu erzielen. Hierbei stand zu erwarten,
daß mit dem neuen Gerät eine leicht bedienbare und gegen Störungen
nicht anfällige Vorrichtung zur Aufnahme von Magnetisierungsschleifen
geschaffen werden kann, die vor allem auch unabhängig von allen Anfor
derungen an die Stromversorgung stets einsatzfähig bleibt.
Im folgenden wird der Aufbau dieses Gerätes beschrieben, das eine Mes
sung sowohl der Gleich- als auch der Wechselfeldmagnetisierung an klei
nen zylindrischen Proben ermöglicht, universal verwendbar erscheint und
außerdem eine große Zahl der Mißstände vermeidet, die bei magnetischen
Messungen oft störend empfunden werden, ohne zugleich eine Einbuße an
Meßgenauigkeit in Kauf nehmen zu müssen.
Von den vielen Schwierigkeiten, die bei magnetischen Messungen immer
wieder auftreten, sollten bei der Wirkungsweise und dem Aufbau des Ge
rätes vor allem die folgenden vermieden werden:
1. Jede umständliche Vorbereitung und Vorbehandlung der Proben, sei es
die Herstellung von Ellipsoiden oder Kegelstäben, sei es die oft schwie
rige Herstellung langer dünner Stäbe mit genau gleichbleibendem Quer
schnitt, oder auch die bei Wechselfeldmessungen oft notwendige Herrich
tung und Bewioklung Proben.
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2. Die häufig beträohtliohe Wärmeentwioklung der Felderzeuger, seien
es offene Spulen oder Joohanordnungen, duroh die bei vielen Geräten
nioht nur die Aussteuerung zu höheren Feldstärken verhindert wird, son
dern auch die Meßwerte selbst erheblich gefälscht werden können.
3. Die hohen Anforderungen, die bei genaueren Messungen an die Strom
versorgung gestellt werden müssen, und die neben einer hohen Spannungs
konstanz bei beträchtlichen Änderungen der Stromstärke auch eine hohe
Präzision der Stromregelvorrichtungen, der Widerstände und Schalter be-
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dingen, wie sie bei vielen Geräten nur unzureichend erfüllt werden.
Die guten Ergebnisse, die durch die Verwendung von Dauermagneten als
Felderzeuger einer magnetischen Waage erzielt wurden [5], legten den
Versuch nahe, zur Erfüllung der obigen Forderungen auch bei der Auf
nahme der Magnetisierungsschleifen ferromagnetischer Werkstoffe Dauer
magnete als Felderzeuger zu verwenden. Es stand zu erwarten, daß es
dank der guten Eigenschaften der heutigen Dauermagnetwerkstoffe ge
lingen könnte, allen berechtigten Anforderungen Genüge zu leisten,
die an einen solchen Felderzeuger gestellt werden müssen. Hieraus
ergaben sicn dann folgende Richtlinien für einen ersten Entwurf des
Gerätes:
Um die notwendige, kontinuierliche Feldänderung zu ermöglichen, sollte
der Felderzeuger ein magnetisches Drehfeld liefern, dessen Kraftlinien
durch ruhende Polschuhe so auf die zwischen diesen liegende Probe um
gelenkt werden, daß diese bei gleichförmigem Drehfeld einer reinen
Wechselfeldmagnetisierung ausgesetzt ist. Zur Erzeugung des Drehfeldes
könnte dabei ein Dauermagnet dienen, der entweder von Hand zwischen
genau einstellbaren Winkellagen gedreht, oder auch durch einen Syn
chronmotor in Umdrehung gesetzt werden kann. Um auch die Maximalfeld
stärke variabel zu gestalten, müßten die Polschuhe nebst Probe mehr
oder weniger tief in den Feldraum des Felderzeugers eingeschoben werden
können.
Ein solches Gerät sollte es möglich machen, einmal durch manuelle Dre
hung des Felderzeugers Feldstärkenänderungen zwischen beliebig wähl
baren Anfangs- und Endwerten zu erzeugen und damit die Probe auf bal
listischem Wege auszumessen, und zum anderen durch Drehung des Feld
erzeugers mit gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit unter Verwendung
integrierender Meßverfahren auch eine unmittelbare Aufzeichnung ihrer
Wechselfeldmagnetisierung zu erhalten.
2. Aufbau und Wirkungsweise des Magnetisierungsgerätes
Als Felderzeuger wurde ein Dauermagnet gewählt, dessen Form im wesent
lichen einem vergrößerten Galvanometermagneten entspricht. Sein Aufbau
und seine Abmessungen sind in Abbildung 1 wiedergegeben. Zwischen zwei
als Ringsegment ausgebildeten Al-Ni-Co-Magneten liegen zwei Polschuhe
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aus Weicheisen. Die Magnete und die Polschuhe werden durch einen 5 mm
starken Aluminiumring starr zusammengehalten. Das System wurde in auf
magnetisiertem und stabilisiertem Zustand von der Magnetfabrik Aplerbeck
der Deutschen Edelstahlwerke geliefert.
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Dauermagnetsystem
Maßstab 1:2
Die Wirkungsweise des Gerätes erfordert eine einseitige Lagerung des
Felderzeugers und damit eine topfartige Fassung des Magnetsystems. Zur
Erzeugung eines Wechselfeldes von 50 Perioden je Sekunde muß der Feld
erzeuger mit 3000 Umdrehungen je Minute umlaufen. Um der hierdurch be
dingten Fliehkraftbeanspruchung des Magnetsystems zu begegnen, wurde
die Fassung, die einen Außendurchmesser von j70 mm besitzt, aus auste
nitischem Stahl (V2A) aus dem Vollen gedreht. Zur Befestigung wurde die
Fassung auf das Magnetsystem aufgeschrumpft. Da die Bruchfestigkeit des
2
Magnetwerkstoffes nur 30 bis 50 kg/mm beträgt, mußte, um unzulässige
Spannungen bei der Einschrumpfung des Systems zu vermeiden, das Unter
maß der Fassung mathematisch bestimmt werden. Zur Erzielung eines
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erschütterungsfreien Laufes wurde das fertige System dynamisch ausge
wuchtet. Diese Arbeit war mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden,
weil bei den üblichen Wuchtmaschinen die Unwucht mittels Induktions
änderungen von Spulen registriert wird und das Streufeld des Magneten
darum die Wuchtmessung erheblich störte.
Die Bohrung der Fassung des Felderzeugers zur Aufnahme der Antriebs
welle besitzt Haftsitz, das Drehmoment wird durch eine Einlegefeder
übertragen. Zur Sicherung des Magnetsystems gegen ein Abziehen von der
Welle ist eine Verschraubung mit Linksgewinde vorgesehen. Von den bei
den Lagern der Welle befindet sich, wie Abbildung 2 zeigt, das Loslager
an der Magnetseite und das Festlager an der Seite der Kupplung. Als
solche wurde eine normale elastische Kupplung mit Gummipuffern verwen
det. Die lagerseitige Kupplungshälfte ist durch eine Verschraubung mit
der Welle verbunden, die zugleich die Fixierung des Festlager bedingt.
Die tuschierte Fußplatte des Lagerblocks ist auf eine tuschierte Grund
platte aus V2A aufgesetzt, sie wird durch zwei Kegelstifte fixiert und
von vier Schrauben gehalten. Auf der gleichen Grundplatte ist lager
seitig der Synchronmotor befestigt, der gegen ein Gerät zur Drehwinkel
einstellung bei manueller Drehung ausgewechselt werden kann, sowie an
der Seite des Felderzeugers ein Reitstock mit Spindel trieb , der zur
Halterung und Verstellung des Probengehäuses dient.
Als Synchronmotor wird ein Reluktanzmotor mit 3000 U/min verwendet.
Diese Motoren laufen als Asynchronmotoren an und fallen von selbst in
Synchronismus. Sie können darum direkt geschaltet werden. Die Motor
leistung wurde so hoch gewählt, daß ein Außertritt-Fallen in den asyn
chronen Lauf nicht vorkommt.
Zur Einstellung des Drehbereiches bei manueller Drehung des Felderzeu
gers dient eine Teilscheibe mit eingefräßten Rasten im Abstand von drei
Winkelgraden, sie ist in Abbildung 3 wiedergegeben. In die Teilscheibe
rasten zwei Zeiger ein, die als Anschlag des magnetseitigen Kupplungs
bolzens dienen. Durch Verstellung des äußeren Zeigers wird der Dreh
bereich des Magneten verändert und somit die Erzeugung der gewünschten
Feldstärkenänderung zwischen den Anfangs- und Endwerten ermöglicht.
Der zweite Kupplungsbolzen, sowie die motorseitige Kupplungshälfte
wird, wie Abbildung 4 zeigt, bei dieser Messung entfernt. Die Scheibe
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