Лекція 16,17

Магнітне поле у феромагнітному середовищі

1. Магнітні властивості феромагнітних матеріалів.

2. Крива первинного намагнічення. Гістерезис. Циклічне перемагнічування.

3. Магнітне поле на межі двох середовищ.

4. Феромагнітні матеріали.

Дом. завд. [1] стор. 162-164 зад. 8.22, 8.26, 8.25

[1] стор. 197-200; [1] стор. 178-181 зад. 9.13

1. Якщо в магнітному полі розташувати феромагнітний матеріал, то магнітна індукція в ньому значно підвищується, а матеріал намагнічується.

Феромагнітне тіло поділяється на маленькі самовільно намагнічені ділянки, об'єм яких складає близько 10^-8 см³. Ці намагнічені ділянки можливо зобразити у вигляді елементарних двохполюсних магнітів (диполів), які утворюють власні магнітні поля, зв'язані між собою силами зчеплення. Магнітні сили цих ділянок обумовлюються елементарними електричними струмами, які виникають внаслідок обертання електронів навколо власних осей. При відсутності зовнішнього магнітного поля у феромагнітному тілі магнітні сили компенсують одна одну, сумарне магнітне поле дорівнює нулю. Під дією зовнішнього магнітного поля елементарні магніти орієнтуються по полю, таким чином тіло стає поляризованим і утворює власне магнітне поле. Зі збільшенням зовнішнього поля кількість орієнтованих елементарних магнітів стає більшою, що спричиняє до збільшення внутрішнього поля.

Результуюче поле у речовині складається з двох полів: поля зовнішніх струмів та поля внутрішніх елементарних струмів.

Для рівномірного магнітного поля котушки при наявності усередині її будь-якого осердя мож­ливо скласти рівняння:

Вl=μ₀ IN+ μ₀ Ів (*)

де Iв- повний елементарний струм, зчеплений з контуром а-б-в-г, таким чином магнітна

індукція у феромагнітній речовині більша ніж у вакуумі, завдяки намагнічуванню речовини.

Ступінь намагнічування речовини оцінюється вектором намагніченості . Для однорідної по усім напрямам речовини величина вектора намагніченості дорівнює геометричній сумі магнітних моментів елементарних струмів у одиниці об'єму речовини:

M=∑m/v.

Ураховуючи, що при однаковій орієнтації струми з контуром а-б-в-г зчеплені тільки на ділянці а-г довжиною 1:

∑m=∑i_B S= S∑i_B =S*I_B,

де Iв—елементарний струм, зчеплений з контуром а-б-в-г;

S — площина, обмежена контуром елементарного струму.

М= Ів*S/V=І_B*S/S*1=Ів/1,

звідки Ів=М * 1 — підставляємо у рівняння (*)

В*1= μ₀ IN+ μ₀ Ml

Але згідно з законом повного струму Нl = ІН

В*1= μ₀ Hl+ μ₀ Ml

-79-

В=μ₀Н+μ₀ М= μ₀ (Н+М) (**)

Напрям вектора намагніченості збігається з напрямом вектора зовнішнього поля, підсилюючи останнього. Загальна інтенсивність визначається сумою Н+М.

Намагніченість тіла не може збільшуватися безмежно. Якщо напрям поля основного намагнічення у всіх точках збігається з напрямом зовнішнього магнітного поля, то намагніченість тіла досягає своєї межі. Мнас, яка має назву намагніченості насичення.

Підставимо в формулу (* *) вираз В = μ_А Н; μ_А Н = μ₀ (Н + М); μ_А = μ₀(1 + М/ Н)

Величина Х (капа) Х=М/Н має назву магнітної сприятливості.

μ_А = μ₀(1+Х) μ_r=1+Х

Крива зміни намагніченості тіла М у залежності від зміни напруженості зовнішнього поля.

Сумуючі ординати функції μ₀Н та μ₀ М, отримаємо нову функцію, яка має назву кривої намагнічування.

Кожен феромагнітний матеріал має свою криву намагнічування. Нелінійний характер кривої намагнічування свідчить про те, що магнітна проникність феромагнітних матеріалів непостійна і залежить від напруженості поля.

2. Якщо узяти феромагнітне тіло, яке ще не підпадало під дію магнітного поля, і намагнічувати його, збільшуючи струм в котушці до моменту, коли індукція досягне максимального значення, то отримаємо криву В(Н), яка має назву кривої первинного намагнічування.

 

Якщо зменшити струм у колі котушки, таким чином зменшуючи напруженість зовнішнього поля, то крива буде розміщуватися трохи вище кривої намагнічування. Процес розмагнічуван­ня відстає від процесу намагнічування. Це явище має назву магнітного гістерезису.

При розмагнічуванні, коли напруженість поля дорівнює нулю, магнітна індукція тіла зберігає деяку величину Во, яка має назву залишкової магнітної індукції.

Для одного і того ж значення напруженості Н значення магнітної індукції В при намагнічуванні та розмагнічуванні різні. Таким чином магнітна індукція залежить не тільки від напруженості поля, але також від первинного намагнічування тіла.

Для того, щоб довести магнітну індукцію до 0, необхідно змінити напрям поля (напрям струму в котушці). Величину напруженості поля, необхідну для усунення залишкової магнітної індукції, називають коерцитивною чи затримуючою силою Нс.

Якщо збільшувати напруженість поля на вели­чину більшу, ніж Нс, то магнітна індукція починає збільшуватись, але з іншою полярністю.

-80-

При певній напруженості поля магнітна індук­ція досягне найбільшого значення (Вmах) при якому відбувається магнітне насичення тіла. Криву циклічного перемагнічування називають петлею магнітного гістерезису.

При різних максимальних значеннях напруженості магнітного поля криві циклічного перемагнічування будуть як би вкладеними одна в одну.

Геометричне місце вершин окремих кривих гістерезису (точки А, В, С) — це крива, яку називають основною кривою намагнічування. Вона майже збігається з кривою первинного намагнічення.

Абсолютна магнітна проникність феромагніт­ної речовини визначається в кожній точці ос­новної кривої намагнічування відношенням

μ_A= В/Н = (m_B /m_H) * tg а,

де m_B та m_H—масштаби по осям координат Магнітна проникність визначаєма цим відно­шенням має назву статичної.

Диференційна магнітна проникність μ_{A диф} пропорційна тангенсу кута нахилу дотичної до основної кривої намагнічування в кожній точці:

μ_{A диф} = dB/dH = (m_B /m_H) * tg β

3. Графік заломлення векторів магнітної індукції при переході і на межі двох середовищ.

Нехай S(аb)—площа на поверхні розподілу двох середовищ з абсолютними магнітними проникностями μ_A1 та μ_A2. Магнітний потік

спрямований з першого середовища в друге. Внаслідок неперервності магнітних силових ліній, які входять в площину S, дорівнює кіль­кості ліній, які виходять з цієї площини:

Ф₁==Ф₂=Ф= const

Але Ф=ВS соsα, тобто

Ф₁==В₁Sсоsα1; Ф₂=В2Sсosα₂

В₁ соsα₁=В₂ соsα2; Вn₁=Вn₂ (*)

При переході магнітного поля з одного середовища в інше паралельні складові векторів індукції в обох середовищах рівні між собою.

Магнітні силові лінії при переході з одного середовища в інше заломлюються, і вектор індукції поля одного середовища ні по величині, ні по напрямку не дорівнює вектору індукції поля в другому середовищі В1=В2 (У якому випадку вектори магнітних індукцій у різних середовищах збігаються за напрямом?).

Графік заломлення векторів напруженості магнітного поля при переході і на межі двох середовищ.,

Якщо навкруги межі розподілу провести замк­нений контур нескінченно малої висоти, то на підставі закону повного струму можливо записати

∑І=∑Ht Δl, але ∑І=0, тобто 0= H_t1l- H_t2l

-81-

(вектора напруженості вздовж лінії контура спрямовані зустрічно), звідки H_t1= H_t2, або Н1sinα₁= Н2sinα₂ (* *)

Потенційні складові векторів напруженості полів по обидва боки межі розподілу двох середовищ мають однакові значення.

Вектор напруженості магнітного поля одного середовища не дорівнює вектору напруженості поля іншого середовища: Н1Н2;.

Для установлення зв'язку між кутами заломлення розділимо вираз (**) на (*)

, але В= μ_а Н, тобто або (***)

При переході магнітного поля з одного середовища в інше відношення тангенсів кутів заломлення дорівнює відношенню абсолютних або відносних магнітних проникностей цих середовищ.

На практиці виникає необхідність визначити кут заломлення вектора індукції поля при переході з феромагнітного середовища у неферомагнітне. На підставі

(***) tgα₂ = tgα₁ (μ_r2 /μ_r1), оскільки μ_r1 >>μ_r2, то значення tg α₂,дуже мале, відповідно і кут α₂

дуже малий. Таким чином, при переході магнітного поля з феромагнітного середовища у неферомагнітне вектор індукції поля у немагнітному середовищі завжди спрямований перпендикулярно межі двох цих середовищ.

4. Феромагнітні матеріали поділяються на дві групи: магніто-м'які та магніто-тверді.

а) Магніто-м'які матеріали використовують у якості магнітопроводів (осердь) у пристроях та приладах, де магнітний потік постійний (полюсні башмаки та осердя вимірювальних механізмів) або змінний (магнітопровод трансформатора). Вони мають низьке значення коерцитивної сили (Нс<400 А/м), високу магнітну проникність та невеликі втрати на гістерезис. До цієї групи матеріалів відносяться:

технічне залізо та низьковуглецеві сталі, залізонікелеві сплави з високою проникністю (пермалої) та оксидні феромагнетики-ферити та оксифери.

Технічне залізо (вміст вуглецю до 0,04%); вуглецеві сталі та чавун використовують для магнітопроводів, які працюють в умовах магнітних полів. Технічне залізо має високу індукцію насичення (до 2,2 Тл), високу магнітну проникність та низьку коерцитивну силу.

Електротехнічні сталі - це сплави заліза з кремнієм (1-4 %). Шляхом зміни змісту кремнію та використовування різних технологічних заходів отримують сталі з великими межами магнітних властивостей. Кремній поліпшує властивості технічного заліза: збільшуються початкова та максимальна магнітні проникності, зменшується коерцитивна сила, зменшуються втрати енергії на гістерезис, збільшується питомий опір, що важливо для зменшення вихрових струмів, які викликають при циклічному змінюванні магнітного поля, вони нагрівають магнітогіровід.

Сталі з низьким вмістом кремнію мають малу магнітну проникність; велику індукцію насичення та великі питомі втрати; вони використовуються для роботи на низьких частотах.

Сталі з високим вмістом кремнію мають велику магнітну проникність у слабких та середніх полях та невеликі втрати від гістерезису та вихрових струмів. Вони використовуються для роботи на підвищеній частоті.

Пермалої—це сплави різного відсоткового змісту заліза та нікелю, а декотрі з додаванням молібдену, хрому, кремнію, алюмінія. Пермалої мають високу магнітну

-82-

прямокутною петлею гістерезису ступінь прямокутності петлі характеризується відношенням залишкової індукції Вг до максимальної індукції Вmах, під якою розуміють індукцію при напруженості поля, яка у 5-10 разів перевищує коерцитивну силу. Це відношення досягає 0,85-0,99.

Феритами називають феромагнітні матеріали, які отримують з суміші оксидів заліза, цинка та інших елементів. При виготовленні магнітопроводів суміші розмелюють, пресують та віджигають при температурі близько 1200°С, отримуючи магнітопроводи потрібної форми. Ферити мають дуже великий питомий опір, внаслідок його втрати на вихрові струми дуже малі, тому їх використовують на високих частотах. Ферити мають значну початкову магнітну проникність, малу індукцію насичення та коерцитивну силу.

Магнітодіелектрики — матеріали, які отримують з суміші мілкозернистого феромагнітного порошку з діелектриком. Суміш формують, пресують та запікають від чого найдрібніші частинки феромагнетика виявляються розділеними електроізолюючою плівкою з немагнітного матеріалу.

Ферити та магнітодіелектрики широко використовують як осереддя в апаратурі провідного та радіозв'язку, у магнітних підсилювачах, обчислювальних машинах.

б) Магніто-тверді матеріали призначені для виготовлення постійних магнітів різного призначення. Вони характеризуються великою коерцитивною силою та залишковою індукцією.

До них відносяться і вуглецеві, хромові, вольфрамові і кобальтові сталі. Вони добре куються, механічно обробляються. Найліпшими магнітними властивостями володіють сплави: альні, альнісі, альніко, альсифер та інші.

Дата добавления: 2014-10-22