3. Магнитные материалы.

По магнитным свойствам все вещества подразделяются на магнитные и немагнитные.

Магнитные: ферромагнетики (низкочастотные, μ>>1, μ=f(H), Fe, Ni, Co и их сплавы) и ферримагнетики/ферриты/ (высокочастотные, керамика из Fe₂O₃+MeO).

Немагнитные: диамагнетики (μ≈1, μ<1 и не зависит от напряжённости магнитного поля Н), парамагнетики (μ≈1,μ≥1 и не зависит от Н).

1. Характерные особенности магнитных материалов.

• наличие доменной структуры

• μ>>1, μ=f(H)

• малое магнитное сопротивление

• свойство намагничиваться

Домены – макрообласти, обладающие магнитным моментом , образованные некомпенсированными спинами.

Спин – вращение электрона вокруг своей оси.

– магнитные моменты доменов – при направлены хаотично, и результирующий магнитный момент вещества .

При H>0 происходит ориентация магнитных моментов в направлении Н – намагничивание.

Намагничивание – это процесс ориентации магнитных доменов в направлении внешнего магнитного поля.

Намагничивание характеризуется ориентацией:

• изменение размеров и границ доменов в слабых полях () увеличиваются размеры доменов, у которых магнитный момент совпадает с внешним магнитным полем, и уменьшаются, у которых магнитный момент противоположен с внешнему магнитному полю.

• поворот магнитного момента в направлении внешнего магнитного поля.

Магнитное насыщение – это полное намагничивание, т.е. все магнитные моменты сориентированы в направлении внешнего магнитного поля, в этом случае – индукция насыщения.

1. Области применения магнитных материалов.

1. Для изготовления магнитопроводов (сердечников в различных устройствах, трансформаторах, электродвигателях, генераторах и др.), в которых концентрируется магнитный поток Φ.

, где F – магнитодвижущая сила.

Уменьшаются потоки рассеивания – часть магнитного потока, созданного в первичной обмотке, не пересекающая площадь витков вторичной обмотки w₂ рассеивается.

2. Для увеличения X_L=ωL.

L=μμ₀w²S=μL₀, где S – площадь сечения сердечника, а w – число витков катушки.

При этом в √μ уменьшается число витков w₁ и w₂ (уменьшается расход меди).

3. Для изготовления постоянных магнитов (магнитотвёрдых магнитных материалов). Они являются источниками постоянного магнитного поля и применяются в магнито-электронных измерительных приборах, электронно-лучевых трубках, отклоняющих системах и т.д.

3. Характеристики магнитных материалов.

Основная зависимость .

– индукция вне магнитного материала (в воздухе).

μ₀=4π∙10^-7 Гн/м – абсолютная магнитная проницаемость вакуума – магнитная постоянная.

В соответствии с законом полного тока , с другой стороны – МДС на единицу длины.

; ; – индукция за счёт намагничивания.

1. Н

   Рисунок 3.1

   КН – начальная кривая намагничивания – это B=f(H), которая снимается в постоянном магнитном поле с предварительно размагниченного материала.

2. ОКН – основная кривая намагничивания – зависимость B=f(H), соединяющая вершины петель гистерезиса, полученных в постоянном магнитном поле при различных значениях Н.

2’. ДКН – динамическая кривая намагничивания – B_m=f(H) – соединяет вершины петель гистерезиса, полученных в переменном магнитном поле.

3. Предельная петля гистерезиса. Соответствует полному циклу намагничивания – насыщению.

B_S – индукция насыщения – наибольшее значение В, соответствующее полному намагничиванию.

B_r – остаточная индукция (при Н=0).

Н_С – коэрцитивная сила – напряжённость магнитного поля при B_r=0. необходимая для уменьшения B_r до нуля (задерживающая сила, препятствующая намагничиванию).

Потери на намагничивание пропорциональны площади петли гистерезиса (H_CB_r).

Абсолютная магнитная проницаемость μ_а=μμ₀(Гн/м).

О

Рисунок 3.16

тносительная магнитная проницаемость показывает во сколько раз μ_а больше μ₀ или во сколько раз индукция внутри магнитного материала больше индукции в воздухе(вакууме).

μ_max – наибольшее значение μ.

При насыщении μ_а→μ₀, μ→1, L_Lo, X_L_XLo.

, , , l – средняя длинна магнитной силовой линии.

Потери в магнитном материале – это энергия, теряемая в магнитном материале, находящимся в магнитном поле.

1. Потери на гистерезис (на намагничивание): P_r=k_rB_mⁿfV, где f – частота, V – объём магнитного материала, 2>n>1 для электротехнической стали (Fe+Si<5%) n=1.7.

2. Потери на вихревые токи: , где h – толщина пластинки, ρ – удельное электрическое сопротивление магнитного материала сердечника.

3. Потери на магнитное последействие (резонансные потери).

Способы уменьшения потерь в сердечнике.

1. Шихтовка – набор сердечника из тонких пластин толщиной h, которые покрыты лаком или другим диэлектриком (только на низких частотах).

2. у

   Рисунок 3.17

   величение ρ магнитного материала сердечника (на высокой частоте). Применяют высокочастотные магнитные материалы (магнитодиэлектрики): порошок магнитного материала в смеси с диэлектриком, ферриты (Fe₂O₃), Fe₂O₃+NiO+ZnO₂.

ρ_Fe2O3>10⁶ρ_Fe.