Магнитные свойства материалов

.

Намагничивание постоянным полем.При циклическом измене­нии напряженности магнитного поля от 0 до +Н₁, от +Н₁ до —H₁ и снова до +H₁ кривая изменения индукции имеет форму замкнутой кривой—петли гистерезиса. Для слабых полей петля имеет вид эллипса (рис. 5.5). При увеличе­нии значения H₁ получим серию заключенных одна в другую пе­тель гистерезиса, пока не дойдем до предельной петли гистерезиса, являющейся важной техни­ческой характеристикой магнитного материала. Предельная петля гистерезиса характеризуется максимальным достигнутым значением индукции B_мах, называемым индукцией насыщения. Характерно, что при уменьшении напряженности магнитного поля от H₁ до 0 магнитная индукция не становится равной нулю, а сохраняет величину остаточной индукции В_r . Для доведения остаточной индукции до нуля необходимо приложить противоположно направленное размагничивающее поле определенной силы —Н_с, которое характеризует коэрцитивную силу материала.

 

Основная кривая намагничивания.

Если соединить между собой точки вершин петель гистерезиса, которые получены при последовательно возрастающих максимальных значениях напряженности магнитного поля, то кривая, представляющая собой геометрическое место этих точек, будет называться основной кривой на­магничивания материала. Эта кривая является важнейшей харак­теристикой магнитных материалов, она отвечает требованиям хо­рошей воспроизводимости и широко используется на практике (рис. 5.4.кривая В ).

 

Магнитная проницаемость.

Для характеристики поведения маг­нитных материалов в поле с напряженностью Н пользуются поня­тиями абсолютной магнитной проницаемости m₀, измеряемой в Гн/м, и отно­сительной магнитной проницаемости m:

; (5.3)

(5.4)

Относительная магнитная восприимчивость и относительная магнитная проницаемость связаны простым соотношением

m = 1+k_м (5.5)

Относительную магнитную проницаемость m материала полу­чают по основной кривой намагничивании как отношение индукции В к соответствующему значению напряженности поля m₀H (рис.5.6). В дальнейшем для простоты слово «относительный» будем опускать. Магнитную проницаемость при H » 0 называют началь­ной магнитной проницаемостью m_н, определяя ее значения при очень слабых полях—порядка 0,1 А/м. Максимум на кривой про­ницаемости, соответствующий второму участку кривой намагничи­вания на рис. 5.4, характеризуется значением m _max (максимальная магнитная проницаемость)_. При сильных полях в области насыще­ния магнитная проницаемость стремится к единице.

Используя известные геометрические представления (рис. 5.6), можно легко видеть, что

(5.6)

 

(5.7)

где К_в и К_н — масштабные коэффициенты по осям В и Н соответ­ственно; a —угол наклона к оси абсцисс секущей ОС.

Таким образом, наклон касательной на начальном участке кри­вой намагничивания характеризует начальную проницаемость, а наклон прямой, проведенной в точку верхнего перегиба кривой на­магничивания, соответствует максимальной проницаемости.

Величины начальной и максимальной проницаемостей материала наряду с величинами B_r, B_мах, H_с являются важнейшими его пара­метрами. Справочные данные этих величин для магнитных материалов приведены в табл.5.1-5.5

Намагничивание переменным полем. До сих пор речь шла о перемагничивании коммутируемым постоянным полем и все рассмот­ренные магнитные характеристики являлись статическими, т. е. влияние частоты перемагничивания на них не сказывалось.

При намагничивании материала переменным полем петля гис­терезиса расширяется, увеличивая свою площадь. Такую петлю называют динамической. Геометрическое место вершин динамиче­ских петель называют динамической кривой намагничивания и со­ответственно отношение индукции к напряженности поля по этой кривой называют динамической магнитной проницаемостью.

Аналогично приведенным ранее рассуждениям, можно выделить на­чальную и максимальную динамические проницаемости. С увели­чением частоты поля динамическая проницаемость уменьшается из-за инерционности магнитных процессов (рис.5.7).

При использовании магнитных материалов одновременно в по­стоянном H₀ и переменном Н~. магнитных полях проницаемость этих материалов характеризует величиной дифференциальной магнитной про­ницаемости m_диф

(5.8)

Этот вид проницаемости характеризуется тангенсом угла между осью абсцисс и касательной к кривой намагничивания в данной точке (см. рис.5.6). Обычно при оценке m_диф соблюдается условие Но>>Н~.

Магнитная проницаемость всех ферромагнитных материалов зависит от температуры и имеет максимальные значения при тем­пературах, близких к точке Кюри Т_к (рис. 5.8). При температурах более высоких, чем Т_к _ области спонтанного намагничивания (домены) нарушаются и материал перестает быть ферромагнетиком. Для чистого железа точка Кюри составляет 769⁰С, для никеля 385⁰С, для кобальта 1131⁰С.

Сильное влияние на магнитные характеристики материала и в пер­вую очередь на проницаемость и коэрцитивную силу оказывают также внутренние механические напряжения, возникающие в усло­виях холодной деформации при прокатке, ковке, протяжке метал­ла. При этом отдельные кристаллы дробятся, вытягиваются, вследствие чего и возникает сложная система внутренних напря­жений. Внутренние напряжения нередко связаны с наличием в ма­териале различных загрязнений, примесей, включений.

Для умень­шения внутренних напряжений и увеличения размеров зерен маг­нитные материалы подвергают отжигу, позволяющему повысить значение магнитной проницаемости материала. Поверхностные слои зерен вследствие искажения строения кри­сталлов, окисления и т. д. характеризуются повышенными значе­ниями коэрцитивной силы. При мелкозернистом строении материа­ла суммарная поверхность зерен в единице объема вещества боль­ше, чем при крупнокристаллическом строении. В результате отжига величина зерен возрастает, соответственно снижается величина коэрцитивной силы материала.

 

Потери энергии при перемагничивании.

 

Потери энергии, возникающие при перемагничивании магнитных материалов, выделяются в материале в виде тепла. Они складываются из потерь на гисте­резис и динамических потерь. Динамические потери вызываются, прежде всего, вихревыми токами и частично магнитной вязкостью (магнитным последействием). Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания для каж­дого материала, могут быть определены по площади статической петли гистерезиса. Из расчета на единицу объема материала эти потери (т.е. удельные потери на гистерезис) при частоте перемагничивания f можно определить по эм­пирической формуле

(5.9)

где Р_г—потери на гистерезис, Вт/кг; К—коэффициент, зависящий от свойств материала; В_шах - максимальное значение магнитной индукции, достигаемое в цикле перемагничивания; n— показатель степени, равный значению от 1,6 до 2; D — плотность материала.

В переменном магнитном поле внутри магнитного материала ин­дуцируются вихревые токи, которые также являются причиной рас­сеивания энергии.

Удельные потери на вихревые токи зависят не только от магнитных, но и от электрических свойств материала (его удельного электриче­ского сопротивления), а также от формы и конструкции магнитного сердечника. Для листового образца эти потери выражаются эмпирической формулой

(5.10)

где P _в—потери на вихревые токи, Вт/кг; h- толщина листа, м.

На высоких частотах в первую очередь учитывают потери на вихревые токи, поскольку величина P_в зависит от квадрата часто­ты. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы обычно собирают из магнитных материалов повышенного удельно­го сопротивления r, кроме того, используют тонкие пластины, изо­лированные друг от друга. Все это позволяет снизить влияние по­верхностного эффекта на сопротивление проводника на высоких частотах. Дополнительные потери Р_д, вызванные магнитной вязкостью (магнитным последействием), определяют обычно как разность между полными магнитными потерями Р и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи

(5.11)

Потери, связанные с магнитной вязкостью, необходимо учиты­вать при использовании ферромагнетиков в импульсных режимах работы. Наблюдаемое на практике при динамическом перемагни­чивании отставание по фазе кривой магнитной индукции от кривой напряженности поля объясняется действием вихревых токов, пре­пятствующих в соответствии с законом Ленца изменению магнит­ной индукции, а также гистерезисными явлениями и магнитной вязкостью

Магнитные потери, возникающие в магнитных материалах, часто оценивают величиной тангенса угла магнитных потерь потерь tgd_M. Действительно, катушку с ферромагнитным сердечником можно представить в виде эквивалентной схемы изображенной на рис.5.9 . (сопротивлением и емкостью обмотки пренебрегаем). Сопротивление R эквивалентно всем видам потерь мощности в магнитном материале. Из векторной диаграммы получим

(5.12)

Тангенс угла магнитных потерь в общем случае имеет составляющие потерь на гистерезис, на вихревые токи и на магнитную вязкость.