Лекция 12 Магнитные материалы

 

В этой лекции будут рассмотрены следующие вопросы:

12.1. Общие характеристики магнитных материалов. Определения. Кривая намагничивания, гистерезис, индукция насыщения, коэрцитивная сила. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Магнитные потери.

12.2. Виды магнитных материалов. Применение магнитных материалов в энергетике. Свойства наиболее применяемых материалов. Электротехнические стали. Ферриты. Магнитодиэлектрики.

 

12.1. Общие характеристики магнитных материалов.

         Магнитные свойства имеются у любых материалов. Они обусловлены реакцией материала на магнитное поле. Как уже рассматривалось в третьей лекции, магнитную индукцию в любом материале можно связать с напряженностью магнитного поля в нем

B = m₀×m×H (12.1)

Глобально, по отношению к магнитному полю, материалы можно разделить на три класса - диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. Последние можно еще поделить на собственно ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Диамагнетики имеют магнитную проницаемость чуть меньше 1. Отличаются тем, что выталкиваются из области магнитного поля.

           Парамагнетики имеют магнитную проницаемость чуть более 1. Подавляющее количество материалов являются диа- и пара- магнетиками.

           Ферромагнетики обладают исключительно большой магнитной проницаемостью, доходящей до миллиона.

Для ферромагнитных материалов выражение (12.1) справедливо с большими оговорками. Оно верно для слабых магнитных полей. По мере усиления поля проявляется явление гистерезиса, когда при увеличении напряженности и при последующем уменьшении напряженности значения В(Н) не совпадают друг с другом. При этом выражение (12.1) имеет смысл только для подъем напряженности в течение первого цикла намагничивания. В литературе различают несколько определений магнитной проницаемости.

Начальная магнитная проницаемость m_н - значение магнитной проницаемости при малой напряженности поля.

Максимальная магнитная проницаемость m_max - максимальное значение магнитной проницаемости, которое достигается обычно в средних магнитных полях.

Из других основных терминов, характеризующих магнитные материалы, отметим следующие.

Намагниченность насыщения - максимальная намагниченность, которая достигается в сильных полях, когда все магнитные моменты доменов ориентированы вдоль магнитного поля.

Петля гистерезиса - зависимость индукции от напряженности магнитного поля при изменении поля по циклу: подъем до определенного значения - уменьшение, переход через нуль, после достижения того же значения с обратным знаком - рост и т.п.

Максимальная петля гистерезиса - достигающая максимальной намагниченности насыщения.

Остаточная индукция B_ост - индукция магнитного поля на обратном ходе петли гистерезиса при нулевой напряженности магнитного поля.

Коэрцитивная сила Н_с - напряженность поля на обратном ходе петли гистерезиса при которой достигается нулевая индукция.

При каждом цикле перемагничивания часть магнитной энергии, запасаемой в материале (W = BH/2) теряется, т.е. переходит в тепло. Эти потери называются потерями на перемагничивание и они пропорциональны площади кривой гистерезиса. Для материалов, используемых в энергетике, в особенности для трансформаторов, потери энергии желательно уменьшить, т.е. уменьшить площадь кривой. Это может быть достигнуто, если коэрцитивная сила будет как можно меньше.

Материалы с малой коэрцитивной силой, меньше 40 А/м называются магнитомягкими материалами.

Мощность потерь на перемагничивание в таких материалах можно оценить по выражению

P_H = ×h Bⁿ_max×f×V (12.2)

где h - коэффициент, зависящий от материала, B_max- максимальная индукция за цикл, f- частота, V - объем тела, n, - показатель, меняющийся в диапазоне от 1.6 до 2..

Другая составляющая потерь связана с вихревыми токами, возникающими в переменных магнитных полях.

P_H=×x B²_max×f²×V (12.3)

На высоких частотах важны, в первую очередь, потери на вихревые токи, т.к. они пропорциональны второй степени частоты.

Иногда в справочниках приводят значения тангенса магнитных потерь. Физический смысл его такой же, как и у тангенса угла диэлектрических потерь, а именно

P= L×I²× w× tg d_m (12.4)

или для удельных потерь

P_уд= m₀×m×H² w× tg d_m (12.5)

Материалы с большой коэрцититивной силой (более 1000 А/м) называются магнитотвердыми материалами. Они используются в качестве постоянных магнитов.