Национальный горный университет — соответствие Времени
Назад к §4 Электротехника и электроника Далее к главе 3



§ 5. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

О магнитных свойствах материалов судят по известным из физики величинам: магнитному потоку Ф, магнитной индукции В, магнитной проницаемости  и напряженности магнитного поля Н.

►   Магнитный поток Ф графически характеризуется совокупностью (количеством) силовых линий магнитного поля, а магнитная индукция В — их плотностью.

Эти величины взаимосвязаны:

►   Магнитная проницаемость  характеризует среду, в которой существует магнитное поле.

На практике чаще используют понятие относительной магнитной проницаемости , которая показывает, во сколько раз магнитная индукция В при распространении магнитного поля в данном материале больше или меньше, чем магнитная индукция в вакууме: В0: =(=4·10-7 Гн/м).

►   Напряженность магнитного поля Н в данной точке поля не зависит от среды его распространения. Она зависит от параметров источника, создающего поле, и от места расположения точки по отношению к этому источнику.

Напряженность связана с индукцией зависимостью

Намагничивание — процесс направленного ориентирования под действием внешнего магнитного поля элементарных магнитных диполей и групп одинаково ориентированных диполей (доменов) в направлении поля.

В зависимости от значения  материалы подразделяют на диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные.

Для диамагнитных веществ <1, парамагнитных >1. Однако в обоих случаях значения  близки к единице. Для ферромагнитных материалов значения  — переменные, значительно большие единицы.

Магнитные свойства диамагнитных и парамагнитных веществ практически не отличаются от магнитных свойств вакуума, т. е. они обладают слабо выраженными магнитными свойствами. К таким веществам относятся, например, марганец Mn, алюминий Al, золото Au, серебро Ag, медь Cu и др.

Магнитные свойства ферромагнитных материалов существенно отличаются от магнитных свойств вакуума.

Рис. 11. Формирование петли гистерезиса в процессе перемагничивания материала

Такими материалами являются, например, железо Fe, никель Ni, кобальт Co, их сплавы, ферриты (смесь оксидов железа, никеля, марганца и других веществ) и др.

►   В качестве электротехнических магнитных материалов используют только ферромагнитные. Они способны сильно намагничиваться.

О поведении ферромагнитных материалов в магнитном поле судят по зависимости В от Н, характеризующей процесс намагничивания и размагничивания материала под воздействием внешнего магнитного поля (рис. 11). Кривая Оа показывает изменение индукции В с увеличением напряженности Н, если материал не был предварительно намагниченным (в нем отсутствует остаточное намагничивание). Она называется кривой первоначального намагничивания. После точки а происходит насыщение. Это означает, что все домены сориентированы по направлению магнитного поля, поэтому возрастание Н не приводит к увеличению В. Если затем начать уменьшать Н, то снижается и В, но изменение уже идет по кривой а. При Н = 0 индукция В0. Эту индукцию называют остаточной, а само явление — остаточным намагничиванием. Оно результат того, что часть доменов не возвращается в первоначальное положение, сохраняя приобретенную ориентацию. Чтобы устранить остаточную индукцию, необходимо приложить отрицательное поле.

Значение Н, при котором В становится равным нулю (точка с), называют коэрцитивной силой.


Таблица 4
Характеристика магнитных материалов
 
Магнитомягкие материалы Область применения Магнитожесткие материалы Область применения
Технически чистое железо Изготовление сердечников постоянного тока, полюсов и полюсных наконечников в машинах постоянного тока Литые сплавы на основе железа Постоянные магниты
Листовая углеродистая сталь
Листовая сталь с добавлением кремния Сердечники электрических машин, аппаратов, трансформаторов, дросселей и др. Металлокерамики и ферриты Постоянные магниты небольших размеров и сложной формы
Пермаллой Сердечники устройств измерительной. техники, автоматики и телемеханики Сплавы благородных металлов Точные измерительные приборы с небольшими подвижными электромагнитами
Металлокерамика и ферриты Сердечники в высокочастотной технике (трансформаторы, обмотки, антенны и др.) Материалы для магнитной записи информации Магнитные ленты, электронно-вычислительные и кибернетические устройства

С увеличением Н отрицательного поля В меняет знак и уменьшается по кривой cd. В точке d снова наступает насыщение. При обратном изменении поля получаем кривую defa. В результате имеем замкнутый контур abcdefa, называемый петлей гистерезисаа, а весь цикл намагничивания — магнитным гистерезисом.

►   Гистерезисный цикл сопровождается также потерей энергии, которая выделяется в материале в виде теплоты. Значение потерь пропорционально площади, ограниченной петлей гистерезиса, и частоте переменного магнитного поля.

Рис. 12. Вид петли гистерезиса магнитомягкого (а) и магнитожесткого (б) материалов

Потери, приводящие к нагреву магнитных материалов, обусловлены так называемыми вихревыми токами, или токами Фуко. Эти токи возникают под действием переменного магнитного поля и циркулируют в замкнутых контурах внутри материала. Их значение зависит от частоты переменного поля и удельного сопротивления материала. Для снижения потерь магнитопроводы трансформаторов выполняют из тонкостенных листов, изолированных друг от друга.

Ферромагнитные материалы бывают магнитомягкими и магнитожесткими (табл. 4).

►   Для магнитомягких материалов характерны небольшие потери на гистерезис — малая площадь гистерезисной петли (рис. 12, а).

Такие материалы используют для изготовления магнитопроводов переменных магнитных полей.

►   Для магнитожестких материалов характерны большие потери на гистерезис (рис. 12, б).

Из них изготовляют постоянные магниты.

Виды магнитных материалов и их применение. Самые используемые магнитные материалы — железо и его сплавы. Это связано с их низкой стоимостью и недефицитностью.

По предназначению магнитные материалы подразделяют на:

создающие магнитное поле — постоянные магниты. Помимо железа и его сплавов постоянные магниты изготовляют также из пылевидных веществ, представляющих собой порошок магнитожестких материалов на основе кобальта и бария, методом металлокерамики (прессование и спекание) или с применением связывающих веществ (материал нагревают до температуры полимеризации связывающего вещества). Постоянные магниты размагничиваются при воздействии на них резких температурных колебаний и механических воздействий (нарушается односторонняя направленность доменов) ;

концентрирующие и проводящие магнитное поле, используемые в качестве магнитопроводов и электромагнитов. Электромагнит состоит из магнитопровода и обмотки. Магнитное поле создаёт в обмотке ток, а магнитопровод концентрирует его и направляет в нужную сторону. В зависимости от вида тока, проходящего через обмотку, магнитное поле бывает постоянным или переменным. При постоянных магнитных полях используют сердечники из технически чистого железа. Для передачи переменных магнитных потоков применяют магнитопроводы из листовой стали с добавкой кремния (1 — 4 масс %), увеличивающего удельное сопротивление стали. Поверхность листовой стали (жести) покрывают лаком или оксидами.

Другой часто применяемый на практике для работы в переменных магнитных полях материал — сплав железа и никеля (пермаллой).

При высоких частотах используют также магнитомягкие ферриты, недостатком которых является уменьшение их магнитной проницаемости с течением времени (старение).

 

 

 

1. По каким признакам классифицируют электротехнические материалы?

2. Чем отличается электрический ток в металлических проводниках от электрического тока в жидкостях и газах?

3. Какие проводники чаще всего используют? Почему?

4. Каковы основные свойства изоляционных материалов?

5. Чем вызваны диэлектрические потери и от чего зависит их значение?

6. Где применяют изоляционные материалы?

7. Что такое гистерезис? О чем можно судить, рассматривая петлю гистерезиса?

8. В чем разница между магнитомягкими и магнитожесткими материалами? Каково их применение?

 

1. Определить сопротивление R проводников, изготовленных из разных материалов и имеющих длину l = 100 м и сечение S = 100 мм2 (удельное сопротивление приведено в табл. 2). Сравните значение R для проводников из материала с большой удельной проводимостью и большим удельным сопротивлением.

2. По рис. 10 определите области применения электроизоляционных материалов в технике. Какие из материалов можно использовать одновременно и для изоляции, и для гашения дуги?

3. По кривой рис. 11 определите, как изменится индуктивность В при изменении напряженности Н от нуля в положительном направлении, если материал был предварительно намагничен: а) в положительном направлении; б) в отрицательном направлении.

 

 

 




Назад к §4 Электротехника и электроника Далее к главе 3


© 2006-2017 НГУ Інформація про сайт