Магнитные свойства твердых тел

I - ток через обмотку; 
l_cm - длина сердечника.

Указанные свойства ферромагнетика сохраняют в диапазоне  температур, ограниченном сверху точкой Кюри. Выше указанной t^° происходит разрушение доменов.

Зависимость от температуры оценивается коэффициентом  ТКm, 1/⁰K

В трансформаторе магнитное поле охватывает витки  разных обмоток. Индуктивность намагничивания трансформатора

 [мкГн]

где W₁ - число витков первичной обмотки.

В отличие от других (активных или пассивных) компонентов  электронных узлов магнитный  элемент, как правило, проектируется и изготовляется для использования в данном конкретном электронном узле.

Рассмотрим основные свойства и параметры магнитных  элементов и материалов.

При изменении  во времени магнитного потока Ф в отрезке провода наводится противо - э.д.с.

                                                                

При прохождении  по проводу переменного тока возникающее  переменное магнитное поле наводит  э.д.с., пропорциональную частоте

где L - индуктивность, Гн.

Индуктивность короткого провода

, мкГн

где l - длина, см; 
d - диаметр провода, см.

Для увеличения индуктивности провод скручивают в  спираль, при этом виток испытывает не только воздействие своего магнитного поля, но и поля соседних витков.

Каковы основные требования предъявляются к материалам сердечников?

Они должны иметь  большую величину m, что позволяет уменьшить габариты сердечников и число витков, что в свою очередь ведет к уменьшению потерь в обмотках и снижению паразитных параметров.

Они должны иметь  малые потери, т.е. реактивные элементы не должны потреблять заметных активных составляющих токов.

Потери  в обмотках

Активные потери в магнитных элементах складываются из потерь в обмотках (потери в меди) и потерь в сердечнике (потери в  стали).

Численно потери оцениваются величиной тангенса диэлектрических потерь

где R_{п м} - сопротивление потерь в обмотках; 
R_{п ст} - сопротивление потерь в сердечнике;

Q=1/tgd - добротность.

Потери в обмотках определяются в основном величиной

При работе магнитных  элементов необходимо учитывать  два эффекта, который проявляются при повышении частоты

Поверхностный эффект или эффект вытеснения тока

На расстоянии d_э от поверхности ток в e раз меньше, чем у поверхности. Теория поля дает

 

f - частота; 
Сопротивление  
d₀ - диаметр провода.

Эффект  близости

Проявляется при  расположении проводников в виде петли. Плотность тока возрастает на внутренней стороне петли (рис.159)

Совместное действие этих эффектов приводит к зависимости  R=f(d₀) (рис.160)

При проектировании диаметр обмоточного провода  стремятся выбирать близко к d_опт.

Потери  в сердечнике

Рассмотрим кривую намагничивания ферромагнтика, т.е. зависимость  индукции B от напряженности магнитного поля H (рис. 161).

В области очень  слабых полей 1 индукция B и магнитная проницаемость m малы, индукция растет линейно, m - постоянна. Эта область используется для создания линейных магнитных элементов.

В области средних  полей 2 индукция B растет быстро до максимума, а затем в области 3 B растет слабо, а m падает. В области сильных полей 4 индукция B имеет насыщение, m - мала.

При периодическом изменении напряженности  кривая намагничивания имеет вид  замкнутой петли ("петля гистерезиса"). На рис. 162 кривые намагниченности магнитных материалов :

• a - для электротехнической стали;
• б - кривая намагничивания железоникелевых сплавов;
• в - для ферритов.

Потери в сердечнике делятся на:

• потери на гистерезис;
• потери на вихревые токи;
• потери на магнитное последствие.

Циклическое перемагничивание характеризуется потерями энергии, которое называется потерями на гистерезис. Эти потери проявляются при средних и сильных полях. Потери на гистерезис характеризуются коэффициентом d_r, который является важной характеристикой магнитного материала. Сопротивление потерь на гистерезис равно

Величина R_п.г. зависит от площади петли гистерезиса, объема сердечника и частоты.

Потери на вихревые токи связаны с тем, что в листе  толщиной h магнитное поле Н₁ индуцирует вихревые токи I_в (рис. 163), которые создают поле Н₂.

В центре листа  Н₁ и Н₂ компенсируются, поэтому магнитный поток Н₁ концентрируется около поверхности, что приводит к уменьшению магнитной проницаемости сердечника m_с. Вихревые токи вызывают потери, которые характеризуются коэффициентом d_п и рассчитываются по формуле

Для снижения вихревых токов используются следующие методы:

• Применение магнитных материалов с высоким удельным сопротивление r-ферритов.
• Применение магнитных материалов в виде тонких слоев и лент, электрически изолированных друг от друга. Таким способом изготавливают сердечники из стали и железоникелевых сплавов.
• Использование порошкообразных материалов, состоящих из проводящих магнитных зерен, разделенных диэлектрическим наполнителем. Такими материалами являются магнитодиэлектрики.

Потери на вихревые токи пропорциональны f².

Потери  на магнитное последствие обусловлены микровихревыми токами, возникающими при росте доменов в области начального намагничивания. Они оцениваются коэффициентом d_п.

R_п.п. = wL_cd_п

Таким образом, суммарные потери в сердечнике

R_п.ст. = wL_c(d_rН + d_вf + d_п)

Или

tgd_ст. = d_rН + d_вf + d_п

Магнитные материалы

Подразделяются  на:

• магнитомягкие,
• магнитотвердые.

Магнитотвердые  материалы характеризуются высокой коэрцитивной силой (Н_с³4 кА/м) и применяются для изготовления постоянных магнитов. К магнитотвердым материалам относятся некоторые углеродистые стали, вольфрамовая, хромистая и кобальтовая стали, сплавы альни (алюминий + никель), альниси (Al+Ni+Si) (алюминий+никель+кремний), альнико (Al+Ni+Co) (алюминий+никель+кобальт) и магнико (Ма+Ni+Co) (магний+никель+кобальт), а также ферриты кобальта и бария.

Магнитомягкие материалы характеризуются высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой (Н_с < 4 кА/м) и малыми потерями на гистерезис. Их можно разделить на 3 группы:

1. металлические магнитные материалы (железо и его сплавы) применяются в основном в звуковом диапазоне частот. Наиболее высокочастотный металлический магнитный материал - пермаллой;
2. магнитодиэлектрики;
3. ферриты.

Итак, магнитомягкие  материалы имеют узкую петлю  гистерезиса (рис.164), они обладают малым запасом магнитной энергии и легко перемагничиваются, магнитная проницаемость в слабых и сильных полях велика.

Из магнитомягких  материалов изготавливают сердечники дросселей и трансформаторов электронных узлов.

Магнитотвердые  материалы имеют широкую петлю  гистерезиса (рис. 165) и большой запас магнитной энергии.

 

Их используют для изготовления постоянных магнитов. (Рассматривать не будем).

Рассмотрим, исходя из типа материала, следующие магнитные материалы:

• ферромагнитные (электротехнические стали, пермалои);
• магнитодиэлектрики;
• ферриты.

Электрические стали (сплав железа и кремния (до 4,8%)) имеют петлю гистерезиса с большим значением индукции и высокую магнитную проницаемость (до 100000 и >) на низких частотах. Трансформаторная электротехническая сталь легируется кремнием, который снижает потери на гистерезис, увеличивает m в слабых и средних полях, снижает магнитострикцию, т.е. изменение размеров сердечника под воздействием магнитного поля, увеличивает твердость, прочность на растяжение, однако придает стали хрупкость.

Стали выпускаются  в виде тонкого листа и лент толщиной от 0,05 до 1 мм.

Стали Э31 ¸ Э34

Э310 ¸ Э370 - холоднокатанные, с большим значением m.

Маркировка

На более высоких  частотах стали применять нельзя из-за потерь на вихревые токи. У сталей m = 6000 ¸ 8000 (может до 200000). Электротехнические стали очень чувствительны к механическим воздействиям. Поэтому после механической обработки (резки, штамповки) их подвергают отжигу.

Железоникелевые сплавы (пермалои) обладают большой индукцией и высокой магнитной проницаемостью в слабых полях, т.е. узкой и крутой петлей гистерезиса. Их используют в малогабаритных трансформаторах и испульсных устройствах. Подразделяют:

1. высоконикелевый пермалой (никеля до 80%) имеет большое значение m и r, поэтому имеет малые потери на вихревые токи. Тонкий пермалой марок 79НМ и 80НХС
2. низколегированный пермалой (никеля до 50%) имеет меньше m, но сопротивление еще выше. 
   Марки 45Н и 50 Н имеют большую максимальную индукцию 
   m_мах = 18000 и применяется для изготовления магнитопроводов малогабаритных трансформаторов, дросселей.