Ответы с Ириными дополнениями, страница 12

II участок — область слабых магнитных полей — характеризуется крутым подъемом В и μ при увеличении Н. В конце этого участка магнитная проницаемость проходит через максимум и представляет собой максимальную магнитную проницаемость μ_м. Величина μ_м явля­ется удобной характеристикой материала сердечников реле, дроссе­лей, трансформаторов и др., работающих в полях повышенной напряженности (конец II— начало III участка). На этом участке гра­ницы доменов перемещаются на большие расстояния, а сам процесс перемещения границ доменов необратим, т. е. после снятия внешне­го магнитного поля доменная структура не возвращается в исходное состояние, и образец сохраняет какую-то техническую намагничен­ность. Поэтому процесс намагничивания на этом участке называют процессом необратимого смещения границ доменов. Переориентация спиновых магнитных моментов внутри доменов происходит не постепенно, а скачкообразно. К концу этого участка границы доменов исчезают, и образец превращается в однодоменный, вектор намагни­ченности которого совпадает с направлением легкого намагничива­ния и составляет наименьший угол с направлением внешнего маг­нитного поля.

Рис. 14.7. Основная кривая намаг­ничивания (зависимость В от Н) и зависимость магнитной проницае­мости μ от напряженности магнит­ного поля Н

III участок — область средних полей — характеризуется неболь­шим увеличением В и значительным уменьшением μ. Процесс на­магничивания на этом участке заключается в постепенном повороте вектора намагниченности образца до полного совпадения с направ­лением внешнего магнитного поля Н, поэтому его называют процес­сом вращения вектора намагниченности. В конце этого участка при Н = Hs намагниченность М материала достигает значения намагни­ченности технического насыщения Ms (M → Ms или, можно сказать, что магнитная индукция В материала достигает значения индукции технического насыщения Bs(B → Вs). Магнитная проницаемость μ на этом участке значительно снижается, так как напряженность поля Н увеличивается, а магнитная индукция В изменяется незначительно [μ = B/( μ_oH); см. формулы (14.4) и (14.5)].

IVучасток — область сильных магнитных полей — характеризу­ется незначительным возрастанием индукции В с увеличением на­пряженности магнитного поля Н и приближением значения магнит­ной проницаемости μ к единице. Незначительное увеличение магнитной индукции В на этом участке происходит в результате парапроцесса, который заключается в гашении сильным полем дезори­ентирующего действия теплового поля. Абсолютно строгую ориента­цию всех спиновых магнитных моментов атомов внутри домена можно получить только при температуре абсолютного нуля, когда отсутствует дезориентирующее действие теплового движения. По мере повышения температуры, дезориентация спиновых магнитных моментов атомов возрастает. Дезориентирующее действие теплового движения компенсируется ориентирующим действием внешнего магнитного поля. В этом и заключается парапроцесс. Парапроцесс имеет место и в слабых полях, но здесь он перекрывается процесса­ми смещения и вращения. В сильных полях, когда индукция В дос­тигла значения индукции технического насыщения Bs (В = Bs), парапроцесс проявляется более отчетливо.

В реальных ферро- и ферримагнетиках различные виды процес­сов намагничивания накладываются друг на друга. На процесс на­магничивания, кроме того, влияют магнитострикция, механические напряжения, дефекты структуры и ряд других причин.

Магнитный гистерезис. Если предварительно размагниченный об­разец подвергнуть намагничиванию до состояния технического на­сыщения, то с увеличением напряженности магнитного поля Н маг­нитная индукция В будет изменяться в соответствии с кривой ОАБ рис. 14.8 и в точке А при Н = Hs достигнет значения индукции техни­ческого насыщения, или индукции насыщения Bs (см. рис. 14.7). Отре­зок АБ является безгистерезисной частью зависимости В(Н). При уменьшении напряженности поля Н намагниченность образца уменьшается по кривой БАВr , и при Н = 0 индукция В не будет равна нулю. Эта индукция называется остаточной и обозначается Вr; с ней связано существование постоянных магнитов.

Остаточная индукция (остаточная намагниченность) обусловлена тем, что при размагничивании, когда H = 0, магнитные моменты доменов оказываются ориентиро­ванными вдоль оси легкого намагничивания, направление которой близко к направ­лению внешнего поля.

Для достижения полного размагничивания образца к нему не­обходимо приложить поле определенной напряженности и проти­воположное по знаку. Напряженность такого поля называют коэр­цитивной силой Нс. При дальнейшем возрастании отрицательного поля индукция тоже становится отрицательной и в точке А' при B = — Bs, достигает значения индукции технического насыщения (В = — Bs). После уменьшения отрицательного поля, а затем увели­чения положительного поля кривая перемагничивания опишет пет­лю, называемую предельной петлей магнитного гистерезиса, которая является важной технической характеристикой магнитных мате­риалов.

Таким образом, предельная петля магнитного гистерезиса — это кривая изменения магнитной индукции при изменении внешнего магнитного поля от +Hs до —Hs, и обратно. Пользуясь предельной петлей магнитного гистерезиса, можно определить основные пара­метры материала: коэрцитивную силу Hс, индукцию насыщения Bs остаточную индукцию Вг и др. Площадь этой петли пропорциональ­на работе, затрачиваемой на перемагничивание образца за один цикл; она пропорциональна потерям на гистерезис (см. гл. 14.2.7.). Из рис. 14.8 видно, что в координатах В(Н) при H< Hs (или В < Вs) проявляется целое семейство петель магнитного гистерезиса, заклю­ченных одна в другую.

Рис.14.8.Предельная петля магнитного магнитного Рис. 14.9. Зависимость коэрцитивной

гистерезиса силы Hс трансформаторной стали от

толщины h листа

Поскольку ферримагнетики также обладают доменной структу­рой, поэтому рассмотренные процессы намагничивания и размаг­ничивания (см. рис. 14.7 и 14.8) происходят в них аналогичным об­разом.

Коэрцитивная сила Нс является важной технической характери­стикой магнитных материалов и как магнитная проницаемость μ зависит от суммарной удельной поверхности зерен, магнитной ани­зотропии, магнитострикции, механических напряжений, наличия примеси и других дефектов. Чем больше значения этих величин и меньше однородность структуры, тем больше Hс и меньше μ. Объ­ясняется это тем, что поверхность зерен более дефектна, имеет бо­лее высокие внутренние напряжения кристаллической решетки, чем само зерно. Внутренние напряжения и дефекты при намагни­чивании препятствуют росту доменов и ориентации их магнитных моментов в направлении поля. В результате Hс возрастает, а μ сни­жается. С уменьшением размера зерен их суммарная удельная по­верхность возрастает. Величину суммарной удельной поверхности зерен можно изменять механической и термической обработкой материалов. Материал, подвергнутый закалке или холодной дефор­мации (прокатке, волочению и т.п.), образует мелкозернистую структуру, которая обладает большой суммарной удельной поверх­ностью зерен и соответственно большой Hс и малой μ. Материал, подвергнутый отжигу, наоборот, образует крупнозернистую струк­туру с небольшой суммарной удельной поверхностью зерен и соот­ветственно с небольшой Hс и с высокой μ. Коэрцитивная сила листового ферромагнетика также увеличивается при уменьшении его толщины h (рис. 14.9), так как при уменьшении толщины h из­мельчается зерно и увеличивается суммарная удельная поверхность зерен.

Таким образом, если точка Кюри и индукция насыщения зависят только от химического состава магнитных материалов, то такие ха­рактеристики, как коэрцитивная сила Hс, магнитная проницаемость μ и площадь петли гистерезиса, являются структурночувствительными. Поэтому чем больше размер зерна (меньше суммарная удельная поверхность зерен) и более совершенна структура кристаллической решетки (меньше дислокаций, внутренних напряжений, примесей и других дефектов), тем меньше Hс и больше μ, а материал соответст­венно легче намагничивается и перемагничивается.

25. Магнитные потери. Потери на вихревые токи. Потери в катушках индуктивности.

Процесс перемагничивания магнитных материалов в перемен­ном поле связан с потерями части мощности магнитного поля. Эту мощность, поглощаемую единицей массы магнитного материала и рассеиваемую в виде тепла, называют удельными магнитными потеря­ми Р, которые, в свою очередь, складываются из потерь на гистере­зис и динамические потери. Динамические потери вызываются преж­де всего вихревыми токами и частично магнитным последействием (магнитной вязкостью).

Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением доменных границ. Для каждого ма­териала они пропорциональны площади петли гистерезиса и часто­те переменного магнитного поля. Мощность потерь Рг, Вт/кг, рас­ходуемая на гистерезис единицей массы материала, определяется формулой

Рг = η ƒ (B_м )ⁿ, (14.14)

где η— коэффициент, зависящий от природы материала; Вм — мак­симальная магнитная индукция в течение цикла; n — показатель сте­пени, имеющий значение в зависимости от В в пределах от 1,6 до 2; ƒ— частота.

Чтобы уменьшить потери на гистерезис, используют магнитные материалы с возможно малой коэрцитивной силой (узкой петлей гистерезиса). Для этого путем отжига снимают внутренние напряже­ния, уменьшают число дислокаций и других дефектов и укрупняют зерно.

Потери на вихревые токи обусловлены электрическими токами, которые индуцируют в материале магнитный поток. Эти потери за­висят от электрического сопротивления магнитного материала и формы сердечника. Чем больше удельное электрическое сопротивле­ние магнитного материала, тем меньше потери на вихревые токи. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты, по­этому на высоких частотах магнитные материалы с низким электри­ческим сопротивлением не применяют. Мощность потерь Рвт, Вт/кг, расходуемая на вихревые токи единицей массы, в общем виде опре­деляется формулой

Рвт= ξ ƒ ² (B_м ) ², (14.15)

где ξ — коэффициент, зависящий от природы магнитного материала (в частности, от его удельного сопротивления ), а также его формы.

Для листовых образцов магнитного материала Рвт равна, кг/Вт:

Рвт = 1,64 h² ƒ ² (B_м ) ²/ dρ (14.16)

где Вм — максимальная магнитная индукция в течение цикла, Тл;ƒ— частота переменного тока, Гц; h — толщина листа, м; ρ — удельное электрическое сопротивление, Ом•м; d — плотность материала, кг/м³.

Поскольку величина Рвт зависит от квадрата частоты, на высоких частотах в первую очередь необходимо учитывать потери на вихре­вые токи. Для борьбы с вихревыми токами увеличивают электриче­ское сопротивление сердечников (магнитопроводов). Для этого их собирают из отдельных, электроизолированных друг от друга листов ферромагнетика с относительно высоким удельным сопротивлением или прессуют магнитный материал, находящийся в порошкообраз­ном виде, с диэлектриком так, чтобы отдельные частицы ферромаг­нетика были разделены друг от друга прослойкой из диэлектрика (магнитодиэлектрики), или используют ферриты — ферримагнитную керамику, имеющую высокое удельное сопротивление — сопро­тивление того же порядка, что у полупроводников и диэлектриков. Ферриты представляют собой твердые растворы окисла железа с окислами некоторых двухвалентных металлов с общей формулой MeO•Fe₂О₃.

При уменьшении толщины листового металлического магнитно­го материала потери на вихревые токи снижаются, однако возраста­ют потери на гистерезис, так как при уменьшении толщины листа измельчается зерно и, следовательно, увеличивается коэрцитивная сила. С увеличением частоты потери на вихревые токи возрастают более интенсивно, чем потери на гистерезис (сравните формулы (14.14) и (14.15)), и при какой-то частоте начнут преобладать над по­терями, вызванными гистерезисом.