Классификация магнитных материалов по магнитным свойствам

В зависимости от магнитных свойств материалы разделяют на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Количественно магнитные свойства материалов принято оценивать по их магнитной восприимчивости λ = М/Н, где М — намагниченность вещества; Н — напряженность магнитного поля.

Это вещества, атомы, ионы или молекулы которых не имеют результирующего магнитного момента при отсутствии внешнего поля. Диамагнитный эффект является результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи и проявляется в том, что возникает магнитный момент, направленный в сторону, обратную внешнему полю. Таким образом, во внешнем магнитном поле диамагнетики намагничиваются противоположно приложенному полю, т. е. имеют отрицательную магнитную восприимчивость (λ < 0). Диамагнитные вещества выталкиваются из неравномерного магнитного поля, а в равномерном магнитном поле вектор намагниченности диамагнетика стремится расположиться перпендикулярно к направлению поля. Диамагнетизм присущ всем без исключения веществам в твердом, жидком и газообразном состояниях, но проявляется слабо и часто подавляется другими эффектами.

Это вещества, атомы, ионы или молекулы которых имеют результирующий магнитный момент при отсутствии внешнего магнитного поля. Во внешнем магнитном поле парамагнетики намагничиваются согласно с внешним полем, т. е. имеют положительную магнитную восприимчивость (λ > 0). Парамагнитный эффект присущ веществам с нескомпенсированным магнитным моментом атомов при отсутствии у них порядка в ориентации этих моментов. Поэтому, когда нет внешнего магнитного поля, атомные магнитные моменты располагаются хаотически и намагниченность парамагнитного вещества равна нулю. При воздействии внешнего магнитного поля атомные магнитные моменты получают преимущественную ориентацию в направлении этого поля, и у парамагнитного вещества проявляется намагниченность.

Это вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля. При воздействии внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов приобретают преимущественное ориентирование в направлении этого поля и ферромагнитное вещество намагничивается. Ферромагнитные вещества характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (>> 1), а также ее нелинейной зависимостью от напряженности магнитного поля и температуры, способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых магнитных полях, гистерезисом — зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния, точкой Кюри, т. е. температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства. К ферромагнитным веществам относятся железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия. Ферромагнитные свойства у вещества могут возникать лишь при достаточно большом значении обменного взаимодействия, что характерно для кристаллов железа, кобальта, никеля и др. Необходимое значение обменного взаимодействия ферромагнетики имеют лишь в твердом состоянии. Этим объясняется отсутствие в природе жидких и газообразных ферромагнетиков. Ферромагнетизм сплавов, целиком состоящих из «парамагнитных» компонентов, объясняется тем, что в этих сплавах, основой которых обычно является марганец или хром, введение в решетку основы атомов висмута, сурьмы, серы и теллура изменяет электронную структуру кристаллов, в результате чего создаются условия для возникновения ферромагнетизма.

Это вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов равны нулю. При воздействии внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов приобретают преимущественную ориентацию вдоль внешнего поля и антиферромагнитное вещество намагничивается. Антиферромагнитные вещества характеризуются кристаллическим строением, небольшим коэффициентом магнитной восприимчивости (λ = от 10

-3 до 10^-5), постоянством восприимчивости в слабых полях и сложной зависимостью от магнитного поля в сильных полях, специфической зависимостью от температуры, а также температурой точки Нееля, выше которой вещество переходит в парамагнитное состояние. К антиферромагнетикам относятся чистые металлы хром и марганец, редкоземельные металлы цериевой подгруппы: церий, неодим, празеодим самарий и европий. Редкоземельные металлы диспрозий, гольмий и эрбий в зависимости от температуры могут быть антиферромагнетиками или ферромагнетиками. При воздействии на эти металлы, находящиеся в антиферромагнитном состоянии внешнего магнитного поля, превышающего критическое значение, происходит переход антиферромагнитного порядка в ферромагнитный, сопровождающийся скачкообразным появлением намагниченности (М~ 1600 кА/м). Аналогичные превращения можно наблюдать у тулия и тербия.

Это кристаллические вещества, магнитную структуру которых можно представить в виде двух или более подрешеток; магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля.
Магнитные материалы первой группы применяются в электронных элементах, для которых нет особых требований к температурной и временной нестабильности. Определяющими параметрами данной группы материалов являются начальная магнитная проницаемость и тангенс угла магнитных потерь.
Материалы второй группы имеют малые значения относительного температурного коэффициента магнитной проницаемости в рабочем интервале температур и достаточно высокую временную стабильность начальной магнитной проницаемости. Значение магнитной индукции при поле Н = 800 А/м при нормальной (комнатной) температуре составляет 0,25-0,38 Тл.

К третьей группе относятся материалы с высоким значением начальной магнитной проницаемости на низких частотах. При этом повышенные требования к температурному коэффициенту проницаемости не предъявляются.
Для ферритовых материалов четвертой группы характерны малые значения магнитных потерь в сильных электромагнитных полях и высокое значение магнитной индукции при повышенной температуре (до 100-120°С) и подмагничивании.
Пятая группа ферритов характеризуется повышенными значениями импульсной магнитной проницаемости и температурной стабильностью магнитной проницаемости.
К шестой группе относятся ферритовые материалы, которые характеризуются начальной магнитной проницаемостью, коэффициентом амплитудной нестабильности магнитной проницаемости, коэффициентом перестройки по частоте, тангенсом угла магнитных потерь при различных индукциях, низкой начальной проницаемостью.
Особое место занимают ферритовые материалы седьмой группы. Они характеризуются повышенной добротностью как в слабых, так и в сильных электромагнитных полях, малыми линейными искажениями, низкой начальной проницаемостью.

 

Магнитные свойства ферромагнитных материалов.

Ферромагнит­ные материалы благодаря их способности намагничиваться широко применяют при изготовлении электрических машин, аппаратов и других электротехнических установок.

Ферромагнитные материалы, помещенные в магнитное поле, намагничиваются – т.е. сами становятся источниками магнитного поля.

График перемагничивания имеет вид петли, которая называется петлей Гистерезиса(рис.2.8). Явление магнитного гистерезиса заключается в том, что при изменении напряжённости намагничивающего поля Н происходит отставание в изменении магнитной индукции В.

Гистерезис – переводится как запаздывание. Объясняется тем, что молекулярные магнитики недостаточно эластичны: однажды ориентированные внешним магнитным полем, они не возвращаются в первоначальное положение после удаления магнитного поля.

Поместим стержень внутрь катушки и начнём его намагничивать, пропуская через катушку ток. С увеличением тока магнитная индукция сердечника будет возрастать (кривая о-а). При некотором значении тока (I_макс) наступит магнитное насыщение (точка а).

Начнём теперь уменьшать ток до нуля. Магнитная индукция тоже будет изменяться, но не по кривой а-о, а по кривой а-б.

При токе, равном нулю (Н также равна 0), магнитная индукция сохранит некоторое значение о-б (остаточный магнетизм), т.е. произойдёт запаздывание в изменении магнитной индукции по сравнению с изменением напряжённости намагничивающего поля.

Рисунок 2.8. Петля Гистерезиса

Изменим направление тока в катушке. Тогда магнитная индукция, уменьшаясь, станет равной нулю при значении тока (

– I₁) (минус означает, что ток проходит в другом направлении). При значении тока (— I_макс) опять наступит магнитное насыщение, но полюсы у сердечника изменятся. В случае изменения тока от (+ I_макс) до (- I_макс) и опять до (+ I_макс) получится кривая изменения магнитной индукции.

На участке А-Б— с увеличением Н возрастает В.

Чтобы размагнитить магнит, необходимо свести к нулю остаточную индукцию. Проще всего это сделать при помощи переменного поля, постепенно удаляя стальной сердечник из него (или удалением поля от сердечника). Петля Гистерезиса при этом будет становиться всё меньше и меньше и затем при слабом поле петля исчезнет, т.е. остаточная индукция станет равна нулю. Для размагничивания обычно используют переменный ток.

 

Контрольные вопросы

1. Как подразделяются вещества в зависимости от магнитных свойств?

2. Какие вещества называются ферромагнитными?

3. Какие вещества называются парамагнитными?

4. Какие вещества называются диамагнитными?

5. В чём суть петли Гистерезиса?

 

2.4. Магнитная цепь. Электромагнитные силы

 

Магнитная цепь –устройство, содержащее сердечники из ферромагнитных материалов, через которые замыкается магнитный поток.

Магнитные цепи являются составными частями электротехнических установок: двигателей, генераторов, трансформаторов, реле и других устройств.

Источником намагничивающей силы является обычно обмотка (катушка) с током или постоянный магнит.

Магнитопроводы предназначены для усиления магнитного потока и придания магнитному полю определенной конфигурации. Иногда магнитопровод может включать воздушные промежутки. В качестве материала для магнитопроводов применяются ферромагнитные материалы.

 

 

Ферромагнитные материалы применяют для того, чтобы сосредоточить магнитное поле в определенной части аппарата. Элементы из ферромагнитных материалов с разделяющими их воздушными зазорами составляет магнитопровод (магнитную цепь).

Например:

Магнитная цепь электромагнитного реле (рис.2.9, а) состоит из трёх участков: сердечника 2, якоря 4и двух воздушных зазоров 6. По замкнутому контуру, образованному

 

Рисунок 2.9. Магнитная цепь

 

а) электромагнитного реле: 1 – катушка; 2 – сердечник; 3 – магнитный поток;

4 – якорь; 5 – магнитный поток рассеяния; 6 – воздушный зазор;

б) машины постоянного тока: 7 – катушка; 8 – полюса; 9 – якорь; 10 – остов; 11 – воздушный зазор

этими участками, проходит магнитный поток 3, создаваемый током катушки 1. При переходе через воздушные зазоры, разделяющие сердечник и якорь, часть магнитного потока замыкается по воздуху, т.е. не проходит через якорь, — возникает поток рассеяния 5.

Магнитное поле в магнитной цепи электрической машины постоянного тока создаётся током катушек 7 (рис.2.9, б), расположенных на полюсах 8. Эти катушки называют обмотками возбуждения. Создаваемый ими магнитный поток проходит через сердечники

полюсов, вращающуюся часть машины якорь9, воздушные зазоры 11 между полюсами и якорем и замыкается через остов 10.

Способность тока возбуждать магнитное поле оценивается магнитодвижущей силой (м.д.с.). Измеряется в амперах.

Магнитодвижущая сила F проводника с током равна силе этого токаI: F=I.

В общем случае, когда замкнутый контур охватывает несколько токов, то суммарная магнитодвижущая сила равна их алгебраической сумме F=ΣI (Закон полного тока). М.д.с. катушкиFравна произведению тока Iна число её витков w,т.к.замкнутый контур магнитной цепи, сцеплённый с катушкой, охватывает ток Iне один раз, а wраз, т.е.: F=wI.

Закон Ома для магнитной цепи:

«Магнитный поток, проходящий по магнитной цепи, равен магнитодвижущей силе, деленной на магнитное сопротивление цепи».

Ф=F/R_м; R_м=l/µ_аS

Магнитный поток, создаваемый катушкой, зависит от длины магнитной цепиℓ, числа витков w,поперечного сечения S и магнитной проницаемости µ_а: Ф=Iw/ℓ/µ_аS

Чем больше магнитодвижущая сила F,создаваемая катушкой электромагнита, тем больший магнитный поток проходит по его магнитной цепи.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение магнитной цепи.

2. Что является источником намагничивающей силы?

3. Объясните назначение магнитопровода.

4. Почему применяются ферромагнитные материалы для магнитопровода?

5. Принцип работы электромагнитного реле.

6. Принцип работы электрической машины постоянного тока.

7. Сформулируйте закон Ома для магнитной цепи.

 

2.5. Электромагнитная индукция.

Самоиндукция. Взаимоиндукция

«При всяком изменении магнитного потока в цепи индуцируется э.д.с.»(закон электромагнитной индукции Фарадея). Должно выполняться одно из двух условий:

· проводник должен перемещаться в магнитном поле или

· магнитное поле должно перемещаться вокруг проводника.

 

1. Как движение электрона создаёт магнитное поле, так и магнитное поле пересекая проводник, вызывает направленное движение свободных электронов в проводнике, т.е. ток.

Ни один вид энергии не может быть получен без затраты какого-либо другого вида энергии. Так, если магнит лежит около проводника, то в проводнике никакого тока не будет. Он возникает только при перемещении магнита около проводника или проводника около магнита. В этом случае механическая энергия превращается в электрическую.

Индуцированная э.д.с. прямо пропорциональна индукции магнитного поля В, длине проводника ℓ, скорости его перемещения V в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля.е = В∙ℓ∙V.

Если проводник движется под углом αк направлению поля, тое = В∙ℓ∙V∙sinα.

Возникновение э.д.с. объясняется действием сил магнитного поля на находящиеся в проводниках свободные электроны, которые начинают двигаться вдоль проводника. В результате этого движения на одной стороне проводника накопятся свободные электроны и возникнет отрицательный электрический заряд. На другом конце ввиду недостатка электронов появится положительный заряд. Разность потенциалов на концах проводника численно равна индуцированной в проводнике э.д.с.

Индуцирование э.д.с. в проводнике происходит независимо от того, включён он в электрическую цепь или нет. Если присоединить концы этого проводника к приёмнику электрической энергии, то под влиянием разности потенциалов на концах проводника по замкнутой цепи потечёт электрический ток.

Если проводник перемещается вдоль силовых линий, т.е. как бы скользит по ним, то э.д.с. в нём не возникает.

Направление индуцированной э.д.с. определяется по правилу правой руки(рис.2.11):

«Если ладонь правой руки расположить так, чтобы силовые линии поля входили в ладонь, большой отогнутый палец совместить с направлением движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуцированной э.д.с.».

 

 

Рисунок 2.10. Рисунок 2.11.

Проводник в постоянном Правило правой руки

магнитном поле

 

2. Если каким-либо образом изменять магнитный поток, пронизывающий неподвижный виток, или перемещать само поле, то индуцированная э.д.с. e = ΔΦ/Δt

Направление э.д.с. в неподвижном замкнутом контуре определяется по закону Максвелла:

Э.д.с., индуцированная в замкнутом контуре, равна скорости изменения магнитного потока ΔΦ, пронизывающего этот контур.Δt –промежуток времени, в течение которого происходит изменение потока.

Иными словами, чем быстрее изменяется магнитный поток, пронизывающий замкнутый контур, тем больше индуцированная э.д.с.

Правило Ленца:

«Направление индуктированного тока всегда таково, что он противодействует причине, вызвавшей его»(например, движению проводника).

Индукционные токи возникают не только в изолированных проводниках и обмотках, но и в сплошных металлических массах, которые подвергаются действию изменяющихся магнитных полей. Эти токи называются вихревыми и вызывают дополнительные потери на нагревание. Для ослабления вихревых токов сердечники электрических машин собирают из отдельных изолированных пластин.

 

Рисунок 2.12. Способы индуцирования э.д.с. в электрических машинах

 

На принципе явления электромагнитной индукции основано устройство электрических генераторов, двигателей и трансформаторов. Для индуцирования э.д.с. в них применяется три способа:

· изменение тока в катушке 1 (рис.2.12.а), в магнитном поле которой расположена вторая катушка 2. При этом непрерывно изменяется магнитный поток, охватываемый второй катушкой, и в ней, а также и в первой катушке, будут индуцироваться электродвижущие силы е₂ и е₁. Этот способ используют в трансформаторах.

· вращение магнитного поля, созданного постоянными магнитами или электромагнитами 3, относительно неподвижных катушек 4 (рис.2.12.б). При этом непрерывно изменяется магнитный поток, пронизывающий каждую катушку, и в них индуцируется э.д.с. е. Такой способ используют в основном в машинах переменного тока.

· вращение витков 6 или катушек в постоянном магнитном поле, созданном неподвижными постоянными магнитами 5 или электромагнитами (рис. 2.12.в). При этом непрерывно изменяется магнитный поток, охватываемый каждым витком или катушкой, вследствие чего в них индуцируется э.д.с. Этот способ используют в машинах постоянного тока.

Э.д.с. самоиндукции.

Если по витку протекает ток, изменяющийся по величине или направлению, то в нем наводится э.д.с., которая называется э.д.с. самоиндукции.

Направление э.д.с. самоиндукции препятствует изменению вызвавшего ее тока».

При постоянном токе этот процесс наблюдается в момент замыкания и размыкания цепи.

В момент замыкания магнитный поток, создаваемый протекающим по цепи током, увеличивается, а появляющаяся э.д.с. препятствует увеличению тока. В момент размыкания ток уменьшается, а э.д.с. самоиндукции препятствует уменьшению тока. Т.о. при замыкании и размыкании цепей ток нарастает и падает постепенно.

Если замкнутый проводник состоит из одного витка, то магнитный поток, пронизывающий контур этого проводника при постоянной магнитной проницаемости пропорционален току, протекающему по проводнику.

Обозначим коэффициент пропорциональности L, получим Ф=LI, L=Ф/I (Гн),где L — индуктивность данного проводника.

Если имеется обмотка из w витков, то L= wФ/I=Ψ/I, где: Ψ(пси) —потокосцепление.

Если в цепи, обладающей индуктивностью L, ток за время Δt изменяется на величину ΔI, то в такой цепи наводится э.д.с. самоиндукции. e= LΔI/Δt.

Э.д.с. самоиндукции пропорциональна скорости изменения тока.

Особенно сильно проявляет себя э.д.с. самоиндукции при размыкании цепей, содержащих катушки с большим числом витков w и стальными сердечниками (обмотки электродвигателей). В этом случае э.д.с. самоиндукции может во много раз превышать напряжение источника и, суммируясь с ним, служить причиной возникновения перенапряжений и искрения или дуги. Поэтому в таких устройствах предусматривают дугогасительные устройства.

Э.д.с. взаимоиндукции.

Взаимоиндукцией называется явление индуцирования э.д.с. в проводнике или катушке при изменении магнитного потока создаваемого другим проводником или катушкой. Индуцируемая таким образом э.д.с. называется э.д.с взаимоиндукции. Э.д.с. взаимоиндукции, как и самоиндукции, пропорциональна скорости изменения тока, создающего этого поле, кроме того зависит от числа витков обеих катушек и их взаимного расположения.

Направление э.д.с. определяется по правилу Ленца.

 

Рисунок 2.13. Явление взаимоиндукции

 

Контрольные вопросы

1. Какой способ применяют для индуцирования э.д.с. в машинах переменного тока?

2. Что такое э.д.с. самоиндукции?

3. Что представляют собой вихревые токи?

4. Какие существуют способы уменьшения вредного действия вихревых токов?

5. Какой способ применяют для индуцирования э.д.с. в машинах постоянного тока?

6. Дайте определение явления электромагнитной индукции.

7. Объясните причины возникновения э.д.с.

8. Сформулируйте правило правой руки.

9. Сформулируйте правило Ленца.

10. Перечислите способы индуцирования э.д.с. в генераторах, двигателях и трансформа торах.

11. Что такое э.д.с. взаимоиндукции?

12. Как определяется направление индуцированной э.д.с.?

 

Тема 3. Переменный ток. Электрические цепи

переменного тока

 

3.1. Получение переменного тока и его основные характеристики

 

---

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

7.3. Основные характеристики ферромагнитных материалов

Особо важное значение в практической электротехнике имеют ферро­магнитные материалы, в которых μ_{a >>} μ₀. Магнитная проницаемость некоторых современных магнитных материалов, например пермаллоя (сплава железа и никеля с различными присадками), может превышать в сотни тысяч раз магнитную проницаемость μ₀. В настоящее время все большую роль стали играть ферромагнитные полупроводники, на­зываемые ферритами.

Ферромагнетики обладают особым свойством — способностью на­магничиваться в магнитном поле. Стержень из ферромагнитного мате­риала, например, помещенный в магнитное поле катушки, через которую протекает ток, намагничиваясь, начинает проявлять сильные магнитные свойства. Сущность происходящего процесса связана с электрическими токами в веществе (преимущественно с вращением электронов вокруг своей оси, получившей название спина электрона). У ферромагнетиков магнитные свойства обусловлены собственными (спиновыми) магнит­ными моментами электронов. При определенных условиях в кристаллах могут возникать обменные силы, в результате которых магнитные моменты электронов ориентируются параллельно друг другу, и возни­кают области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, назы­ваемые доменами. В пределах каждого из доменов ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и имеет определенный магнитный момент. Направления магнитных моментов отдельных доменов (облас­тей) различны, вследствие чего в отсутствие внешнего поля суммарный момент ферромагнетика равен нулю. Под действием внешнего поля намагниченные области ориентируются в направлении поля и тем самым во много раз усиливают внешнее поле. Когда все области спонтанного намагничивания сориентируются вдоль внешнего поля, наступает насы­щение ферромагнетика. Поэтому значение магнитной проницаемости для ферромагнитных материалов значительно больше, чем для неферро­магнитных. А следовательно, в ферромагнитных материалах при одной и той же напряженности магнитного поля магнитная индукция также во много раз больше, чем в неферромагнитных материалах. Большая магнитная проницаемость ферромагнетиков используется для того, чтобы усиливать магнитные поля в электрических машинах и аппаратах.

Если вектор магнитной индукции поля, созданного током катушки в неферромагнитной среде, B₁ = μ₀Н, то в намагниченном ферро­магнетике имеется добавочное поле, которое характеризуется магнитной индукцией Bj. Это добавочное поле усиливает поле, создаваемое током катушки. Вектор намагниченности J намагниченного ферромагнетика и вектор Bj совпадают по направлению и связаны между собой зависимостью В_J= μ₀J.

Вектор магнитной индукции результирующего поля намагниченного ферромагнетика В в этом случае равен геометрической сумме векторов В₁ и В_J:

(7.6)

Следует отметить, что намагниченность J характеризует состояние ферромагнетика при намагничивании, магнитная же индукция В — сило­вое воздействие магнитного поля на ток или свойство переменного магнитного поля возбуждать электрическое поле. Отношение магнитной индукции В к напряженности поля H, т. е. магнитная проницаемость μ_а, для ферромагнетиков имеет большое значение и непостоянна, что существенно затрудняет расчеты. Так как зависимость В(Н) для ферро­магнетиков нельзя точно описать аналитически, то для каждого ферромагнитного материала эту зависимость устанавливают опытным путем, строя кривую намагничивания В(Н). Впервые закономерности намагни­чивания ферромагнетиков были исследованы русским физиком А. Г. Столетовым в 1871 г. Эти исследования послужили . основой расчета магнитных цепей электрических машин и аппаратов, сыграли важную роль в развитии электротехники.

Если поместить ферромагнетик, не подвергавшийся воздействию магнитного поля, т. е. магнитный момент которого первоначально был равен нулю, в магнитное поле, то линия 0-1 на рис. 7.4 будет соот­ветствовать кривой первоначального намагничивания В(Н). Если намагни­тить ферромагнетик до насыщения (1 на рис. 7.4), а затем начать размагничивать его, т. е. уменьшать напряженность поля от Hs до 0, получим кривую, которая не совпадает с кривой первоначального намагничивания (1-2 на рис. 7.4), причем в отсутствие внешнего поля (Н = 0) намагничивание ферромагнетика не исчезает и характеризуется некоторым значением В_r, получившим название остаточной индукции. Для полного размагничивания (3 на рис, 7.4) необходимо к ферро­магнетику приложить поле с напряженностью –Н_c имеющее направ­ление, противоположное намагничивающему полю. Значение напряжен­ности магнитного поля обратного знака, необходимое для полного размагничивания ферромагнетика, называется коэрцитивной силой H_c. Способность ферромагнетиков обладать остаточной индукцией дает возможность изготовлять постоянные магниты, свойства которых тем лучше, чем больше коэрцитивная сила ферромагнетика, из которого он выполнен.

Если периодически намагничивать ферромагнетик в прямом и обратном направлении (например, изменяя плавно значение и направ­ление тока в обмотке кольцевого сердечника, изготовленного из ферромагнетика), то зависимость В(Н) имеет вид петли гистерезиса (рис. 7.4, кривая 1-2-3-4-5-1). Явление отставания изменений магнитной индукции В от изменения напряженности поля Н называется маг­нитным гистерезисом. Если при периодическом намагничивании макси­мальные значения напряженности поля H_max„ достигают насыщения H_s, то получается так называемая максимальная, или предельная, петля гистерезиса (сплошная петля на рис. 7.4). Если же при H_max насыщение не достигается, т. е. H_max < Н_s, то получаются петли, называемые частными гистерезисными цикла­ми (пунктирные линии на рис. 7.4). Частных циклов может быть сколь угодно много, и все они будут находиться внутри предельной петли гистерезиса. Соединив вершины частных гистерезисных циклов, по­лучают основную кривую намагни­чивания, которая практически сов­падает с кривой первоначального намагничивания (кривая 0-1 на рис. 7.4). Следует отметить, что кривая первоначального намагничивания может быть разбита на три участка: участокОа, на котором магнитная индукция возрастает пропорционально напря­женности поля [В (Н) имеет прямолинейный характер], так как ферромагнитный материал не насыщен; участок ab, называемый коленом кривой намагничивания, который характеризуется все большим насыще­нием ферромагнитного материала, вследствие чего темп роста магнитной индукции уменьшается, а также уменьшается значение магнитной проницаемости μ_a, и участок b1, где зависимость В(Н) становится почти прямолинейной, имеющей небольшой угол наклона к оси абсцисс, — этот участок соответствует значительному насыщению ферромагнитного материала; следовательно, в этом случае увеличение напряженности поля приводит лишь к незначительным приращениям магнитной индукции.

Если магнитную индукцию выражать в Тл = Вб/м² = В*с/м², а напряженность поля — в А/м, то площадь петли гистерезиса будет вы­ражаться в В*А*с/м³ = Дж/м³. Следовательно, площадь петли гистерезиса численно равна энергии, затрачиваемой за один цикл перемагничивания единицы объема ферромагнетика. Величины В_r Н_с и μ_max являются основными характеристиками ферромагнитных материалов, в частности максимальная проницаемость μ_max характеризует ферромагнетик с точки зрения возможности его использования для усиления поля. Значения остаточной индукции В_r и коэрцитивной силы Н_c, характеризующие важнейшие свойства ферромагнетика, определяются по предельной петле гистерезиса.

В зависимости от назначения к ферромагнитным материалам предъ­являются различные требования. Необходимо, чтобы ферромагнитные материалы, работающие в переменном магнитном поле, имели малую коэрцитивную силу (и соответственно узкую петлю гистерезиса). Такие материалы называются магнитомягкими. Для магнитомягких материа­лов Н_с < 200 А/м. Основными материалами этой группы являются электротехническая сталь, содержащая кремний, сплавы железо — никель типа пермаллоя и др. Магнитомягкие материалы применяют в качестве магнитопроводов в электрических машинах, трансформаторах и приборах, т. е. в качестве магнитных цепей, в которых создается магнитный поток. Использование магнитомягких материалов для электрических машин переменного тока и трансформаторов уменьшает потери мощности в ферромагнитных сердечниках, а применение магнито­мягких материалов с малой В_r в электрических машинах постоянного тока позволяет в широких пределах изменять магнитный поток.

Магнитомягкие материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, получаемой за счет специальной технологии обработки, обладают малым значением Н_с и большой В_r, близкой к В_s. Эти материалы широко применяют в вычислительной технике и устройствах автоматики.

Для изготовления постоянных магнитов и подвижных систем в магнитных компасах требуется большая остаточная индукция и большая коэрцитивная сила (и соответственно широкая петля гистерезиса), кото­рая затрудняет размагничивание. Такие материалы называются магнито-твердыми. У магнитотвердых материалов значения остаточной индук­ции и коэрцитивной силы лежат в пределах В_r = 0,5 — 1,3 Вб/м², Н_с = 4000 — 65000 А/м. К магнитотвердым материалам относятся сплавы железа с алюминием, хромом и вольфрамом, содержащие различные присадки.

Деление ферромагнитных материалов на магнитотвердые и магнито-мягкие условно, так как имеются материалы с характеристиками, отличными от указанных. Следует отметить, что с возрастанием температуры магнитная проницаемость ферромагнитных материалов уменьшается, причем для каждого материала существует критическая температура, при которой он теряет ферромагнитные свойства, превра­щаясь в парамагнетик. Критическая температура Т_с (точка Кюри) для железа равна 768 °С, для никеля 365 °С, кобальта 1131 °С. Ферромагнит­ные материалы при намагничивании изменяют размеры, вследствие чего они деформируются. Это явление называется магнитострикцией. Однако наряду со свойством изменять размеры при намагничивании фер­ромагнетики обладают также свойством намагничиваться при растя­жении и сжатии. Следовательно, магнитострикционный эффект обратим.

Пример 7.1. Эскиз магнитной цепи приведен на рисунке а). Магнитопровод изготовлен из электротехнической стали марки 11895, для которой В₅₀₀ =1,32 Тл, В₁₀₀₀ = 1,45 Тл, В₂₅₀₀ =1,54 Тл (цифры индекса определяют напряженность магнитного поля в А/м при данной индукции). Кривая намагничивания построена на рисунке б). Размеры магнитопровода указаны на рисунке, число витков катушки w = 1000. Определить ток, при котором в воздушном зазоре индукция В = 1,5 Тл.

Рисунок к примеру 7.1. а)

Решение. Площадь поперечного сечения стали S=c²=(40 ^. 10^-3 )² м² всюду одинакова, поэтому магнитную цепь можно разбить на два участка, участок из стали и воздушный промежуток. Длина участка из стали по средней линии

По закону полного тока

По кривой намагничивания при В=1,5 Тл напряженность Н =1800 А/м (см. рис.б). Определим напряженность магнитного поля в воздушном зазope по формуле

Рисунок к примеру 7.1.б)

Ток в катушке

Ферромагнитные материалы и их магнитные свойства

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ

По магнитным свойствам все материалы разделяют на две группы: ферромагнитные (железо, кобальт, никель и их сплавы и др.) и нефер­ромагнитные материалы (все материалы, за исключением ферромагнитных).

Особенностью неферромагнитных материалов является то, что зависи­мость между магнитной индукцией В и напряженностью магнитного поля Н в них является линейной. Их абсолютная магнитная проницаемость есть величина постоянная и практически равна магнитной постоянной

. (7.1)

Материалы, магнитная проницаемость которых достигает больших значений и зависит от внешнего магнитного поля и предшествующего состояния, называют ферромагнитными. Свойства ферромагнитных материалов принято характеризо­вать зависимостью магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н. Если перемагничивать образец в периодическом магнитном поле, то кривая имеет вид петли, называемой петлей гистерезиса (рис. 7.1). Участок 0а является кривой намагничивания, поскольку поле возникает при нулевом значении индукции. Точки б и д соответствуют остаточной индукции , а напряженность в точках в и е называют задерживающей, или коэрцитивной, силой .

Рис. 7.1

В зависимости от магнитной проницаемости ферромагнитные материалы разделяют на две группы:

1) магнитомягкие с большой магнитной проницаемостью и с малой коэрци­тивной силой . К ним относят электротехнические стали, пермаллой и ферриты;

2) магнитотвердые с малой магнитной проницаемостью, большой коэрци­тивной силой и большой остаточной индукцией Тл.

Магнитотвердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов. К ним относятся углеродистые, вольфрамовые, хромистые и кобаль­товые сплавы.

Ферромагнитные материалы играют важную роль в электротехнике, так как дают возможность при относительно небольших напряженностях получать сильные магнитные поля и конструировать электромагнитные устройства, об­ладающие заданными характеристиками.

Ферромагнитные магнитопроводы используют во всех электрических маши­нах, трансформаторах, электромагнитах, реле и др.

---

Дата добавления: 2017-01-16; просмотров: 10504;

---

Похожие статьи:

4.1. Общие сведения о магнитных свойствах материалов

91

4. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ МАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. Намагничивание вещества характеризуют: магнитная индукция В (Тл), напряженность магнитного поля Н (А/м), намагниченность J(А/м), магнитная восприимчивостьk_m, магнитная проницаемость μ, магнитный поток Ф (Вб).

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля соотношением:

Магнитная индукция в веществе определяется суммой индукции внешнего и собственного магнитных полей:

где μ₀= 4π·10⁷– магнитная постоянная, Гн/м.

Объединив выражения, получим:

где μ_r= 1 +k_mили μ_r= В/(μ₀Н) – относительная магнитная проницаемость.

В соответствии с магнитными свойствами все материалы делятся на диамагнитные (диамагнетики), парамагнитные (парамагнетики), ферромагнитные (ферромагнетики), антиферромагнитные (антиферромагнетики), ферримагнитные (ферримагнетики).

Диамагнетики— вещества, которые намагничиваются противоположно приложенному полю и ослабляют его, т.е. имеютk_м0 (от 10^-4до 10^-7). Диамагнетизм присущ всем веществам, но выражен слабо, к диамагнетикам относятся все инертные газы, переходные металлы (бериллий, цинк, свинец, серебро), полупроводники (германий, кремний), диэлектрики (полимеры, стекла), сверхпроводники.

Парамагнетики— вещества, которые имеютk_м0 (от 10^-2до 10^-5) и слабо намагничиваются внешним магнитным полем. К парамагнетикам относятся металлы, атомы которых имеют нечетное число валентных электронов (калий, натрий, алюминий), переходные металлы (молибден, вольфрам, титан, платина) с недостроенными электронными оболочками атомов.

Ферромагнетики — вещества между атомами которых возникаетобменное взаимодействие. В результате такого взаимодействия энергетически выгодным в зависимости от расстояния становится параллельная ориентация магнитных моментов соседних атомов (ферромагнетизм) или антипараллельная (антиферромагнетизм). Пол действием обменных сил параллельная ориентация магнитных моментов атомов ферромагнитного вещества происходит в определенных областях, называемыхдоменами. В пределах домена материал в отсутствии внешнего поля намагничен до насыщения благодаря обменному взаимодействию отдельных атомов. Это взаимодействие длится только до определенной температуры, которая называетсятемпературой точки Кюри. Выше этой температуры домены разрушаются, и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Ферромагнитные материалы легко намагничиваются в слабых магнитных полях, характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (до 10⁶), а также ее нелинейной зависимостью от напряженности поля и температуры. Железо, никель, кобальт и редкоземельный металл гадолиний относятся к ферромагнитным металлам.

Антиферромагнетиками называют материалы, в которых во время обменного взаимодействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация их магнитных моментов. Так как магнитные моменты соседних атомов взаимно компенсируются, антиферромагнетики не обладают магнитным моментом, а характеризуются магнитной восприимчивостью, которая близка к восприимчивости парамагнетоков. При температуре выше некоторой критической, которая получила названиетемпературы Нееля (аналогична температуре Кюри), магнитоупорядоченное состояние антиферромагнетика разрушается, и он переходит в парамагнитное состояние.

К ферримагнетикам относят вещества, в которых обменное взаимодействие осуществляется не непосредственно между магнитоактивными атомами, как в случае ферромагнетизма, а через немагнитный ион кислорода. Такое взаимодействие называюткосвенным обменнымилисверхобменным.Это взаимодействие в большинстве случаев приводит к антипараллельной ориентации магнитных моментов соседних ионов (т.е. к антиферромагнитному упорядочению). Однако магнитные моменты ионов не полностью компенсируются, и ферримагнитные вещества обладают магнитным моментом и имеют доменную структуру. Ферримагнетики наряду с ферромагнетиками относятся к сильномагнитным материалам.

3.5. Зависимость магнитных свойств ферромагнетика от дефектов структуры

Анализ процессов намагничивания и перемагничивания позволил в ряде случаев установить связь таких магнитных свойств, как коэрцитивная сила и начальная магнитная проницаемостьс величиной и распределением немагнитных включений в ферромагнитных материалах, а также величиной и распределением в них напряжений.

Явление гистерезиса (т.е. наличие остаточной индукции, коэрцитивной силы) обусловлено необратимым намагничиванием. Необратимое намагничивание соответствует крутому подъему кривой намагничивания или крутой части гистерезисной петли в области коэрцитивной силы. Оно обусловлено смещением междоменных границ, если тело состоит из крупных ферромагнитных кристаллов, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Если же магнетик состоит из мелких однодоменных ферромагнитных частиц, изолированных одна от другой слабомагнитным веществом так, что их взаимодействие пренебрежимо мало, то необратимое намагничивание будет обусловлено вращением вектора каждого изолированного домена.

Рассмотрим процесс смещения границы. Коэрцитивная сила приблизительно равна критическому полю , в котором происходит смещение границы, если она пришла в движение под влиянием более сильного поля, называемого полем старта.

Теория коэрцитивной силы при наличии неферромагнитных включений (Е.И.Кондорский) основана на допущении, что . Это означает, что на процесс намагничивания преимущественное влияние оказывает кристаллическая анизотропия.

Рис. 1.37. Схема смещения границы при образовании структуры «шлейфа»

Из теории следует и экспериментально подтверждается, что при возникновении полей рассеяния возле включений образуется доменная субструктура, так называемая структура «шлейфа» (рис. 1.37). Магнитный поток как бы обходит включение и внутри домена возле включения (на рис. 1.37а – заштрихованный квадрат) образуются малые домены «треугольной» формы. Длинными сторонами треугольника на рис. 1.37а изображены дополнительно возникшие междоменные границы.

При росте домена 1 за счет домена 2 , т.е. при переходе границы АВ (рис. 1.37б) через включение размером , происходит увеличение поверхностной энергии на величину, где— смещение границы.

Согласно теории Е.И. Кондорского, для гетерогенных материалов

, (1.98)

где — объемное содержание включений. Принято, что. Макроскопические поры действуют так же, как и неферромагнитные включения. Выражение (1.98) справедливо для.

В более точной модели зависимость от— не монотонная, а проходит через максимум при= 1, а по величине<, так как в реальных сплавахимеет порядок 0,01 – 0,1.

В теории напряжений (Е.И. Кондорский), наоборот, принято, что влияют преимущественно внутренние напряжения (). В таком случае изменение энергии границы, где. Эта энергия приравнивается энергии намагничивания в объеме(— площадь междоменной границы) и

, (1.99)

а так как , то

. (1.100)

Видно, что основное значение имеет градиент напряжений. При линейно напряженном состоянии (рис. 1.38)

, (1.101)

где принято, что . На рис. 3.18 показано, что этот градиент тем больше, чем больше амплитудаи чем меньше период.

Рис. 1.38. Распределение внутренних напряжений

для линейно-напряженного состояния

В зависимости от соотношения толщины границы и периода напряжений (и) уточненная теория дает следующие значения коэрцитивной силы:

при <<следует,

при >>следует. (1.102)

При получается максимально возможная коэрцитивная сила

. (1.103)

Как уже говорилось, смещение границы задерживается не только напряжениями, но и включениями. При наличии включений смещение границы сопровождается и изменением плотности поверхностной энергии, и изменением площади граничной поверхности, и изменением , обусловленным возникновением магнитных полей рассеяния вокруг включений.

Хотя в разных теориях учитываются различные материальные константы вещества – в теории напряжений учитывается магнитострикция, а в теории включений константа кристаллической анизотропии, по-видимому, последняя может влиять на величину и в отсутствие включений, если микронапряжения очень велики и сосредоточены в малых объемах. В этих сильно напряженных участках магнитная восприимчивость будет очень малой и резко отличающейся от восприимчивости основного ферромагнетика. Эти участки будут влиять как включения.

При очень малых коэрцитивных силах в так называемых магнитомягких материалах необратимое намагничивание осуществляется смещением границ между доменами. Для магнитотвердых материалов коэрцитивная сила может достигать сотен и тысяч ампер на метр также при смещении границ, если велика константа анизотропии. В однодоменных частицах перемагничивание осуществляется вращением вектора .

Согласно Е.И. Кондорскому, абсолютно изолированная однодоменная частица может иметь коэрцитивную силу

, (1.104)

где и— размагничивающие факторы поперек и вдоль частицы.

Фактически в гетерогенных материалах, в которых мелкие ферромагнитные частицы разделены немагнитной фазой, магнитным взаимодействием частиц полностью пренебречь нельзя и коэрцитивная сила всегда меньше рассчитанного по формуле (1.104) значения.

Процесс вращения вектора в однодоменной частице определяется как размагничивающим фактором частицы, так и анизотропией, куда входят как кристаллическая, так и магнитоупругая энергия.

Ниже приведены эмпирические формулы для [А/м] железа и никеля, а также значения их кристаллической анизотропии и магнитострикции:

Fe: ,, Дж/м³ , ;

Ni: ,,.

Здесь — по-прежнему концентрация включений, а— часть объема сильно искаженной решетки. Видно, что для железа из-за большой кристаллической анизотропии основную роль в повышениииграют включения (). В никеле, наоборот, эта роль принадлежит напряжениям из-за большой величины.

Для оценки величин коэрцитивной силы и начальной магнитной восприимчивости также используют следующие обобщенные выражения:

, (1.105)

, (1.106)

где — суммарная сила, препятствующая смещению доменной границы;— её максимальное значение;— намагниченность насыщения;— поперечный размер домена;— площадь доменной границы. Сравнивая выражения (1.105) и (1.106) и учитывая, что при различных воздействиях на ферромагнетик (тепловых, деформационных) увеличение градиента силы, как правило, сопровождается увеличением ее максимального значения, можно отметить, что между величинами коэрцитивной силы и начальной магнитной восприимчивости должна существовать корреляция вида. Такая зависимость часто наблюдается в действительности.

Таблица 1.3.

Исследование ферромагнитных свойств феррита.

Изучение ферромагнитных свойств феррита.

В качестве исследуемого образца используется феррита М2000НМ К20х12х6.

Произведите калибровку входа (Y) осциллографа. В начале установите регулятор чувствительности осциллографа в положение0,02 в/дл, а затем от калибруйте его, по приведенной выше методике.

Запишите значение чувствительности осциллографа по входам (Х) и (Y) в таблицу.

После калибровки осциллографа, установите тумблер в положение 0, на лабораторной установке.

Подключите соответствующие выходы генератора частот к входу лабораторной установки, т.е. к входным клеммам. При этом на генераторе частот должны быть установлены следующие параметры:

• Частота генератора синусоидального сигнала должна быть равной 20 кГц;

• Показание выходного напряжения равно 15 В;

• Нагрузочное сопротивление R_наг= 50 Ω;

Включите генератор частот и установите тумблер в положение I, на лабораторной установке.

При этом на экране осциллографа Вы должны получить экспериментальную зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля (петля гистерезиса).

Постарайтесь добиться, того чтобы полученная петля занимала большую часть экрана осциллографа и имела участки насыщения. Для этого поворотом ручки регулятора частот, на генераторе частот, добейтесь наиболее подходящего положения.

Зарисуйте полученную петлю и расставьте на ней соответствующие точки (H_max , B_max , H_c , B_r).

Определите для этих точек значение напряжения, исходя из известной чувствительности осциллографа.

Запишите полученные данные в таблицу.