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Verfahren zur Messung der inneren Feldstärke in magnetischen Werkstoffen.
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Die Eigenschaften magnetischer Werkstoffe werden durch ihre Hysterese-Kurve
B (H) und J <H) dargestellt, wobei J = B - /uO x H ist, mit H = innere magnetische
Feldstärke im Werkstoff, /uO = magnetische Induktionskonstante, J = magnetische
Polarisation und B = magneische Flußdichte.
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Während der Messung der Flußdichte B mit einer die Werkstoff-Probe
umfassenden Meßspule, die an ein Fluxmeter angeschlossen ist einfach ist, bereitet
die Messung der inneren Feldstärke H in der Werkstoffprobe bei hohen Flußdichten
B Schwierigkeiten.
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Dies ist besonders der Fall bei hochkoerzitiven Werkstoffen, zu deren
Sättigung hohe Feldstärken erforderlich sind, z.B. bei Werkstoffen der Art SmCo5.
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Die bekannte Messung der inneren Feldstärke H in einem zwischen den
Polen einesMeßjoches eingespannten Magneten mit einem neben dem Magneten angeordneten
Feldmeßorgan (Hallsonde, magnetischer Spannungsmesser, rotierende oder vibrierende
Spule) versagt, wenn die Pole des Meßjoches nicht eine sehr hohe magnetische Leitfähigkeit
haben, also bei Flußdichten von mehr als etwa 1 Tesla. Dann sind die Polflächen
des Meßjoches keine Aequipotentialflächen mehr und die Feldstärke neben dem Magneten
ist nicht mehr gleich demjenigen im Meßjoch, sondern höher als diese.
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Zur Messung der wirklichen inneren Feldstärke in magnetischen Werkstoffproben
zwischen den Polen eines Magnetjoches wurde in der deutschen Patentanmeldung P 23
28 690.0 vorgeschlagen, die magnetische Feldstärke mit einer an ein Fluxmeter angeschlossenen
C-förmigen Potentialspule zu messen, welche die Weicheisenpole des Meßjoches durchläuft
und mit beiden Enden die Stirnseiten der zu messenden Probe berührt Bei der Messung
hochkoerzitiver Werkstoffe können zwischen den Eisenpolen eines Meßjoches aber nur
Feldstärken von ca. 30 kA/cm oder wenig mehr erreicht werden, die für die. Sättigung
dieser Werkstoffe nicht ausreichen.
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Die Erfindung besteht darin, die innere Feldstärke magnetischer Werkstoffe
mit einer C-förmigen Potentialspule zu messen, die mit beiden Enden die Stirnseite
der zu messenden Probe berührt und die Potentialspule und die Probe in einem offenen
Magnetfeld anzuordnen. Als "offenes Magnetfeld" wird z.B. das Innere einer eisenfreien
Spule mit einstellbarer Feldstärke bezeichnet.
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Solche Spulen erlauben die Herstellung von Feldern von 100 kA/cm und
mehr, wenn ihre Wicklung aus einem Supraleiter besteht.
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Ein Beispiel der Erfindung ist in Figur 1 dargestellt. Darin bedeuten:
1 die zu messende Probe eines magnetischen Werkstoffes; 2 eine Feldspule, in deren
Inneren die Probe 1 angeordnet ist; 3 die regelbare Stromversorgung der Feldspule,
die aus dem Wechselspannungsnetz 4 gespeist wird; 5 eine die zu messende Probe eng
umschließende Meßspule für die Flußdichte B, die an einen elektronischen Integrator
oder Flußmesser 6 angeschlossen ist; 7 die erfindungsgemäße C-förmige Potentialspule
für die innere Feldstärke H, die beide Enden der zu messenden Probe berührt und
die mit dem elektronischen Integrator oder Fluxmesser 8 verbunden ist; 9 ein mit
dem Regler 9a einstellbarer Rechenverstärker zur Berücksichtigung des von der Spule
5 umfassten Probequerschnitt; 10 ein mit dem Regler 11 einstellbarer Rechenverstärker
zur Berücksichtigung der Windungsflächendichte (Windungsfläche x Windungszahl/Spulenlänge)
der C-förmigen Potentialspule; 12 ein mit dem Regler 13 einstellbarer Rechenverstärker
zur Berücksichtigung der Probenlänge; 14 ein mit dem Regler 15 einstellbarer Rechenverstärker
zur Bildung der Differen B = zur x H = 16 ein'Schalter zur Einleitung des Wertes
/uO x H in den Rechenverstärker 14j 17 ein Schreiber mit den Anschlüssen X für die
Feldstärke H und Y für die Feldstärke B bzw. J " B - /uO x H Durch Einstellen der
Feldstärke in der Feldspule 2 mit der Stromversorgung 3 wird die zu messende Probe
1 einem ansteigenden und wieder abfallenden Magnetfeld + H , dann einem ebenso ansteigena
den und wieder abfallenden Magnetfeld - Ha ausgesetzt.
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Die dabei auftretenden inneren Feldstärken H in der Probe sind kleiner
als die äußeren Feldstärken H, nämlich H = Ha - N x J, worin J = B - /uO x H und
N der Entmagnetisierungsfaktor sind.
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Letzterer ist nicht konstant für alle Werte von J, sodass eine einfache
Ermittlung der inneren Feldstärke H aus Ha im allgemienen nicht möglich ist. Erfindungsgemäß
wird die innere Feldstärke H mit der C-förmigen-Potentialspule 7 und dem Flußmesser
8 gemessen, welche der jeweiligen magnetischen Potentialunterschied zwischen den
Enden der zu messenden Probe angeben.
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Teilung des gemessenen Potentialunterschiedes H x Lm durch die Probenlänge
Lm ergibt die innere Feldstärke H; die Probenlänge wird mit dem Regler 13 des Rechenverstärkers
12 eingestellt.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann auch zwischen den Eisenpolen
eines einstellbaren Elektro- oder Dauermagneten durchgeführt werden, wenn die Pole
soweit auseinander stehen, daß Probe und C-förmige Potentialspule zwischen ihnen
Platz finden (Fig. 2).
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Die Potentialspule nach der Erfindung ist ein- oder mehrlagig auf
einen geraden, unmagnetischen Stab mit konstanter Windungsflächendichte ( = Windungsfläche
x Windungszahl / Spulenlänge) gewickelt, der nach dem Bewickeln zu einem C gebogen
worden ist.
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Erfindungsgemäß kann die Potentialspule zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens aus mehreren Teilspulen zusammengesetzt sein; in Figur 3 besteht sie
aus zwei geraden Teilen 18 und 19, die je ein Ende der zu messenden Probe 20 berühren
und aus einem gebogenen Teil 21, der sich an die freien Enden der beiden anderen
Teilspulen anschmiegt; die drei Teilspulen haben gleiche Windungsflächendichte und
sind in Serie geschaltet, sodass sie zusammen den Potentialunterschied zwischen
den Enden der Probe erfassen.
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In Figur 4 ist eine andere erfindungsgemäße Ausführung der C-förmigen
Potentialspule dargestellt. An den beiden Enden der zu messenden Probe 22 sind die
Teilspulen 23 und 24 angeordnet, parallel zu ihnen die dritte Teilspule 25. Sie
ist länger als die Länge der beiden Teilspulen 23 und 24 mit der zwischen ihnen
befindlichen Probe 23 und mit diesen in Serie geschaltet, wobei die Wicklungsrichtung
durch die Pfeile angedeutet ist. Die längere Teilspule 25 besitt minen Parallelwiderstand
26, mit dem ihre
Meßkonstante soweit herabgesetzt wird, daß sie
wie eine Spule der Länge Lm + L1 + L2 wirkt. Diese Ausführung der Potentialspule
besitzt den Vorteil, daß Proben mit verschiedenen Längen Lm eingespannt werden können
wobei der Längenunterschied der Spule 24 zu der Summe der Längen L1 + L2 + Lm durch
den Widerstand 25 ausgeglichen werden kann. Bedingung hierfür ist, daß die äußeren
Enden der Teilspulen soweit von der zu messenden magnetischen Probe entfernt sind,
daß sie sich in einem homogenen Magnetfeld befinden. Sie können auch so lang sein,
daß sie aus der Feldspule 2 bis in den feldfreien Raum herausragen.
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Die beschriebenen Potentialspulen zur Durchführung des erfindungsgemässen
Verfahrens können auch so ausgebildet sein, daß sie sich von einem Ende der zu messenden
Probe bis zur zentralen Zone in der Mitte der Probe erstrecken, also nur ein halbes
C bilden. In diesem Falle wird die gemessene Potentialdifferenz H x 2 wird wird
dem durch die halbe Probenlänge L2m,um dieinnere Feldstärke H zu erhalten.
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Verwendung findet dieses erfindungsgemäße Verfahren mit dem beschriebenen
Potentialspulen bei der Messung der Hysteresenkurven B (H) und J (H) der Sättigungsmagnetisierung
oder der Koerzitivfeldstärke von magnetischen Werkstoffen und Magneten(Js und ja.c
in Fig. 5).