Основные характеристики магнитных материалов
Для характеристики намагничивания вещества вводят величины: В – магнитная индукция (Тл), Н– напряжённость магнитного поля (А/м), М– намагниченность (А/м), χ – магнитная восприимчивость, μ – магнитная проницаемость (Гн/м), Ф – магнитный поток (Вб). Магнитная индукция В – векторная величина, которая характеризует интенсивность магнитного поля и определяет силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Численное значение магнитной индукции может быть определено из выражения , (5.2) где F –сила, действующая на проводник с током, находящимся в магнитном поле, Н; I - сила тока, А; l - длина проводника, м; α – угол между проводником и направлением магнитных силовых линий поля . (5.3) При перпендикулярном расположении проводника к магнитным линиям равномерного магнитного поля sinα = l. Следовательно, если на проводник с током 1 А, длиной 1 м, расположенный в равномерном магнитном поле перпендикулярно к магнитным линиям, действует сила в 1 Н, то магнитная индукция такого поля равна 1 Тл. Значение магнитной индукции зависит от строения и состояния вещества, от свойств среды, в которой возникло магнитное поле. Электрический ток в проводе и его магнитное поле представляют собой неотделимые друг от друга стороны единого электромагнитного процесса, однако принято говорить, что электрический ток обладает свойством возбуждать магнитное поле. Это свойство тока характеризуют намагничивающей силой или, что то же самое, магнитодвижущей силой (МДС), которую обозначают F м . Если ток проходит по контуру или по катушке с числом витков ω, то магнитодвижущая сила равна произведению силы тока и числа витков, т.е. F м = I ω. Величина F м измеряется в ампер-витках (А·в). Магнитодвижущая сила в симметричных полях равномерно распределяется вдоль магнитной линии. Доля МДС, приходящаяся на единицу длины магнитной линии, называется напряжённостью магнитного поля Н и является одним из параметров поля. Напряжённость магнитного поля в заданной точке зависит от силы тока, формы проводника и в однородной среде не зависит от свойств среды (вещества). Напряжённость поля является векторной величиной. Направление вектора напряженности в изотропных средах, т. е. в средах с одинаковыми во всех направлениях магнитными свойствами, совпадает с направлением магнитной линии в данной точке. Напряженность магнитного поля определяется формулой (5.4)
где l – средняя длина магнитной линии (средняя длина магнитопровода), м. Намагниченностьвеществасвязана с напряженностью магнитного поля соотношением М = χ H, (5.5) где χ – магнитная восприимчивость – величина, характеризующая свойства вещества намагничиваться в магнитном поле. Из формулы (5.5) следует, что . (5.6) Намагниченность, как и напряжённость магнитного поля, является векторной величиной, характеризующей магнитное состояние вещества. Отношение магнитной индукции к напряженности магнитного поля называется абсолютноймагнитной проницаемостьюμa . (5.7) Сравнивая магнитное поле в данной среде и в вакууме, установили, что в зависимости от свойств среды (материала) поле получается более интенсивным (парамагнитные материалы), чем в вакууме, или, наоборот, менее интенсивными (диамагнитные материалы). Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной μ 0. В системе СИ μ0 = 4π 10-7 Гн/м. Абсолютную магнитную проницаемость различных материалов (сред) сравнивают с магнитной постоянной. Отношение абсолютной магнитной проницаемости какого-либо материала к магнитной постоянной называется магнитной проницаемостью μ (или относительной магнитной проницаемостью)
. (5.8)
Относительная магнитная проницаемость – отвлечённое число. Для диамагнитных материалов и сред μ < 1. Для парамагнитных веществ μ ≥ 1(например, для воздуха μ=1). В технических расчётах магнитная проницаемость диамагнитных и парамагнитных материалов и сред принимается равной единице. У ферромагнитных материалов, играющих исключительно важную роль в электротехнике, магнитная проницаемость достигает десятков тысяч и зависит от вида материала, температуры, индукции и напряжённости магнитного поля. Магнитный потокФ можно представить (если условиться изображать его графически) общим числом магнитных линий, проходящих через всю рассматриваемую поверхность. В частности, под магнитным потоком Ф, проходящим через площадь S , перпендикулярную к магнитным линиям, понимают произведение магнитной индукции В на площадь, которая пронизывается этим потоком Ф = BS. (5.9) Подставив в эту формулу значение магнитной индукции в теслах и значение площади в квадратных метрах, получим магнитный поток в веберах. Важным показателем свойств является точка (температура)Кюри, при нагреве до которой магнитные материалы переходят в парамагнитное состояние. Магнитное насыщение характеризуется индукциейнасыщения В S. Часто она определяется как значение магнитной индукции, после которой при увеличении напряжённости поля в два раза прирост индукции не более 5 %. ОстаточнаяиндукцияBr– это магнитная индукция при нулевой напряжённости магнитного поля после предшествующего намагничивания до индукции насыщения. Коэрцитивная сила по магнитной индукции Н C– это напряжённость магнитного поля, которая необходима, чтобы после предшествующего намагничивания до насыщения магнитная индукция упала до нуля. Остаточная индукция и коэрцитивная сила определяются по предельной петле гистерезиса. Эти показатели свойств указываются как для магнитомягких, так и для магнитотвёрдых материалов. Кроме них для определённых групп материалов приводят другие показатели свойств, которые характеризуют возможности их использования в определённом рабочем режиме. Кроме того, разумеется, важны и такие показатели свойств, как плотность, температура плавления и т. п. У магнитных материалов специального назначения к основным показателям свойств могут быть отнесены и некоторые специальные показатели, например коэффициент магнитострикции – у магнитострикционных материалов, или коэффициент прямоугольности петли гистерезиса – у материалов для магнитных запоминающих устройств. У материалов, предназначенных для постоянных магнитов, главным показателем свойств является произведение (ВН) max, т.е. максимальное значение произведения магнитной индукции и напряжённости магнитного поля на кривой размагничивания образца материала. Это произведение равно удвоенному значению максимальной удельной магнитной энергии материала. От этого показателя зависит объём магнита, необходимого для создания магнитного поля в заданном воздушном зазоре. Чем больше это произведение, тем меньше объём, а следовательно, и масса магнита. Если ферромагнетик поместить в магнитное поле, то при увеличении напряжённости внешнего поля H можно наблюдать возрастание магнитной индукции В(рисунок 5.3), которое обусловлено двумя основными процессами: смещением доменных границ и поворотом магнитных моментов доменов.
Рисунок 5.3 – Возрастание магнитной индукции с ростом напряжённости магнитного поля
В качестве исходного примем размагниченное состояние ферромагнетика. Этому состоянию соответствует ориентация cпинов в доменах, показанная на рисунке 5.4, апри увеличении напряжённости поля увеличивается объём тех доменов, магнитные моменты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля (рисунок 5.4,б),при этом магнитная восприимчивость не изменяется, а магнитная индукция возрастает пропорционально напряжённости поля (участок 1 на рисунке 5.3). После снятия поля доменные границы возвращаются в исходное положение. В области более сильных полей смещение доменных границ носит необратимый характер (рисунок 5.4, в). На участке необратимого смещения границ кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну (участок 2 на рисунке 5.3).
Рисунок 5.4 – Разные случаи ориентации спинов в домéнах
По мере дальнейшего увеличения напряжённости поля начинает работать второй механизм намагничивания – происходит поворот магнитных моментов доменов в направлении поля (участок 3 на рисунке 5.3). Когда все магнитные моменты доменов оказываются сориентированными вдоль поля (рисунок 5.4, г), наступает техническое насыщение намагниченности (участок 4 на рисунке 5.3). Некоторое увеличение индукции на участке насыщения вызвано произведением в уравнении (5.12) и увеличением намагниченности самого домена. Если после намагничивания ферромагнетика до насыщения уменьшать напряжённость внешнего поля Н, то индукция уменьшится, однако она будет больше, чем при начальном намагничивании. На рисунке 5.5 представлены зависимости B = f ( H ) при увеличении и уменьшении напряжённости поля; они не тождественны вследствие явления гистерезиса. При уменьшении Ндо нуля в образце остаётся остаточная индукция В r. Для того чтобы уменьшить индукцию до нуля, необходимо изменить направление поля на противоположное, после чего увеличивать напряжённость поля до величины H с , называемой коэрцитивной (задерживающей) силой. Если после этого продолжать увеличивать напряжённость поля, то ферромагнетик намагнитится до насыщения BS. Изменяя циклически напряжённость поля H, можно получить петлю гистерезиса. Экспериментально установлено, что в монокристаллах ферромагнетиков существуют направления лёгкого и трудного намагничивания. Это явление называется магнитной анизотропией. Так, например, у железа, имеющего структуру объёмноцентрированного куба, направления легкого намагничивания совпадают с рёбрами куба. Направления трудного намагничивания совпадают с диагоналями куба. Направления среднего намагничивания совпадают с диагоналями граней куба. У никеля, имеющего структуру гранецентрированного куба, наоборот, ось легкого намагничивания совпадает с диагональю куба, а ось трудного намагничивания – с ребром куба.
Рисунок 5.5 – Петля гистерезиса при намагничивании и размагничивании ферромагнетика При намагничивании ферромагнетиков наблюдается изменение их размеров и формы. Такое явление называется магнитострикцией. Магнитострикцию оценивают значением относительной деформации материала в направлении магнитного поля (5.14) Численное значение коэффициента магнитострикции зависит от типа структуры, кристаллографического направления, напряженности магнитного поля и температуры. При этом магнитострикция может быть как положительной, так и отрицательной, то есть размеры образца в направлении поля при намагничивании могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Так, например, для монокристалла железа, намагниченного в направлении ребра куба, линейные размеры в этом направлении уменьшаются, при намагничивании вдоль диагонали куба – увеличиваются. Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с потерями энергии, вызывающими нагрев материала. Эти потери обусловлены необратимым смещением границ доменов; они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного магнитного поля. Мощность потерь, расходуемых на гистерезис, определяется , (5.15) где η – коэффициент, зависящий от свойств материала; Bmax – максимальная индукция в течение цикла перемагничивания; п = 1,6–2,0 – показатель степени, зависящий от Bmax; f – частота; V –объём образца. Помимо потерь на гистерезис перемагничивание магнитного материала сопровождается динамическими потерями, обусловленными вихревыми токами, которые магнитный поток индуцирует в магнитном материале. Эти токи возникают в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Мощность потерь на вихревые токи определяется формулой , (5.16) где ξ – коэффициент, зависящий от удельной проводимости, формы и размеров поперечного сечения материала. Для работы в переменных магнитных полях используют материалы с узкой петлёй гистерезиса, т. е. с очень малой коэрцитивной силой. Например, коэрцитивная сила высоконикелевых легированных пермаллоев лежит в пределах 1–5 А/м. Для уменьшения потерь, кроме того, применяют специальные меры. Так, для уменьшения потерь на вихревые токи стараются повысить удельное электрическое сопротивление магнитных материалов. В электротехнических сталях повышение электрического сопротивления достигается легированием кремнием. Применение в магнитопроводах тонких листов ферромагнитных материалов, изолированных друг от друга лаком или окалиной, уменьшает потери на вихревые токи. В порошковых магнитных материалах частицы самого магнитного материала покрыты электроизоляционной связкой. Применяющиеся в электротехнике магнитные материалы обычно разделяют на магнитомягкие, магнитотвёрдые и материалы с особыми свойствами.
Популярное: Как распознать напряжение: Говоря о мышечном напряжении, мы в первую очередь имеем в виду мускулы, прикрепленные к костям ... Как выбрать специалиста по управлению гостиницей: Понятно, что управление гостиницей невозможно без специальных знаний. Соответственно, важна квалификация... Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (343)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |