Проницаемость (электромагнетизм)
Статьи о |
Электромагнетизм |
---|
В электромагнетизме возникающего проницаемость является мерой намагничивания, в материале в ответ на приложенное магнитное поле . Проницаемость обычно обозначается греческой буквой μ (выделенной курсивом) . Это отношение магнитной индукции к намагничивающему полю как функция поля в материале. Этот термин был придуман Уильямом Томсоном, 1-м бароном Кельвином в 1872 году. [1] и использовался наряду с диэлектрической проницаемостью Оливером Хевисайдом в 1885 году. Обратной величиной проницаемости является магнитное сопротивление .
В единицах СИ проницаемость измеряется в генри на метр (Г/м) или, что эквивалентно, в ньютонах на ампер в квадрате (Н/Д 2 ). Константа проницаемости µ 0 , также известная как магнитная постоянная или проницаемость свободного пространства, представляет собой пропорциональность между магнитной индукцией и силой намагничивания при формировании магнитного поля в классическом вакууме .
Тесно связанным свойством материалов является магнитная восприимчивость , которая представляет собой безразмерный коэффициент пропорциональности, указывающий степень намагничивания материала в ответ на приложенное магнитное поле.
Объяснение
[ редактировать ]В макроскопической формулировке электромагнетизма появляются два различных вида магнитного поля :
- намагничивающее поле H , которое генерируется вокруг электрических токов и токов смещения , а также исходит от полюсов магнитов . Единицы измерения H в системе СИ — ампер /метр.
- плотность магнитного потока B , которая действует обратно на электрический домен, искривляя движение зарядов и вызывая электромагнитную индукцию . Единицы измерения B в системе СИ — вольт -секунды на квадратный метр ( теслы ).
Понятие проницаемости возникает, поскольку во многих материалах (и в вакууме) существует простая связь между H и B в любом месте и в любое время, поскольку два поля точно пропорциональны друг другу: [2]
- ,
где коэффициент пропорциональности ц — проницаемость, зависящая от материала. Проницаемость вакуума (также известная как проницаемость свободного пространства) представляет собой физическую константу, обозначаемую μ 0 . Единицы СИ для μ — это вольт-секунды/амперметр, что эквивалентно генри /метр. Обычно ц является скаляром, но для анизотропного материала ц второго ранга может быть тензором .
материалов (таких как железо или постоянные магниты ) обычно нет простой взаимосвязи между H и B. Однако внутри сильных магнитных Тогда концепция проницаемости бессмысленна или, по крайней мере, применима только к особым случаям, таким как ненасыщенные магнитные сердечники . Эти материалы не только обладают нелинейным магнитным поведением, но часто имеют значительный магнитный гистерезис нет даже однозначной функциональной зависимости , поэтому между B и H . Однако, начиная с заданных значений B и H и слегка изменяя поля, все же можно определить дополнительную проницаемость как: [2]
- .
предполагая, что B и H параллельны.
В микроскопической формулировке электромагнетизма , где нет понятия поля H , проницаемость вакуума µ 0 появляется непосредственно (в уравнениях С.И. Максвелла) как фактор, связывающий полные электрические токи и изменяющиеся во времени электрические поля с полем B , которое они генерировать. Чтобы представить магнитный отклик линейного материала с проницаемостью μ , он вместо этого выглядит как намагниченность M , возникающая в ответ на поле B : . Намагниченность, в свою очередь, является вкладом в общий электрический ток — ток намагничивания .
Относительная проницаемость и магнитная восприимчивость
[ редактировать ]Относительная проницаемость, обозначается символом , – отношение проницаемости конкретной среды к проницаемости свободного пространства µ 0 :
где 4 10 х −7 H/m — магнитная проницаемость свободного пространства . [3] с точки зрения относительной проницаемости Магнитная восприимчивость равна
Число χ m — безразмерная величина , иногда называемая объемной или объемной восприимчивостью, чтобы отличить ее от χ p ( магнитная масса или удельная восприимчивость) и χ M ( молярная или молярная массовая восприимчивость).
Диамагнетизм
[ редактировать ]Диамагнетизм — это свойство объекта, которое заставляет его создавать магнитное поле, противоположное внешнему магнитному полю, вызывая тем самым эффект отталкивания. В частности, внешнее магнитное поле изменяет орбитальную скорость электронов вокруг ядер их атомов, изменяя тем самым магнитный дипольный момент в направлении, противоположном внешнему полю. Диамагнетиками называют материалы с магнитной проницаемостью менее µ 0 (относительная проницаемость менее 1).
Следовательно, диамагнетизм — это форма магнетизма , которую вещество проявляет только в присутствии внешнего магнитного поля. Обычно это довольно слабый эффект для большинства материалов, хотя сверхпроводники проявляют сильный эффект.
Парамагнетизм
[ редактировать ]Парамагнетизм — это форма магнетизма , которая возникает только в присутствии внешнего магнитного поля. Парамагнетики притягиваются к магнитным полям и, следовательно, имеют относительную магнитную проницаемость больше единицы (или, что то же самое, положительную магнитную восприимчивость ).
Магнитный момент, индуцированный приложенным полем , линейен по напряженности поля и довольно слаб . Обычно для обнаружения эффекта требуются чувствительные аналитические весы. В отличие от ферромагнетиков , парамагнетики не сохраняют никакой намагниченности в отсутствие внешнего магнитного поля, поскольку тепловое движение заставляет спины ориентироваться случайным образом без него . Таким образом, общая намагниченность упадет до нуля, когда приложенное поле будет удалено. Даже в присутствии поля существует лишь небольшая индуцированная намагниченность, поскольку только небольшая часть спинов будет ориентирована полем. Эта доля пропорциональна напряженности поля и этим объясняется линейная зависимость. Притяжение, испытываемое ферромагнетиками, нелинейно и гораздо сильнее, поэтому его легко наблюдать, например, в магнитах на холодильнике.
Гиромагнетизм
[ редактировать ]Для гиромагнитных сред (см. Фарадеевское вращение ) реакция магнитной проницаемости на переменное электромагнитное поле в микроволновой области частот рассматривается как недиагональный тензор, выражаемый формулой: [4]
Значения для некоторых распространенных материалов
[ редактировать ]Приведенную ниже таблицу следует использовать с осторожностью, поскольку проницаемость ферромагнитных материалов сильно зависит от напряженности поля, конкретного состава и изготовления. Например, электротехническая сталь с содержанием 4% имеет начальную относительную проницаемость (при 0 Т или около нее) 2000 и максимум 38 000 при Т = 1. [5] [6] и разный диапазон значений при разном проценте кремния и процессе изготовления, и, действительно, относительная проницаемость любого материала при достаточно высокой напряженности поля стремится к 1 (при магнитном насыщении).
Середина | Восприимчивость, объемный, СИ, χ м |
Относительная проницаемость, макс. , м / м 0 |
Проницаемость, м (H/м) |
Магнитный поле |
Частота, макс. |
---|---|---|---|---|---|
Вакуум | 0 | 1, точно [7] | 1.256 637 061 × 10 −6 | ||
Метглас 2714А (отожженный) | 1 000 000 [8] | 1.26 × 10 0 | При 0,5 Тл | 100 кГц | |
Железо (Fe 99,95% чистоты, отожженное в H) | 200 000 [9] | 2.5 × 10 −1 | |||
Пермаллой | 100 000 [10] | 1.25 × 10 −1 | При 0,002 Тл | ||
НАНОПЕРМ® | 80 000 [11] | 1.0 × 10 −1 | При 0,5 Тл | 10 кГц | |
Мю-метал | 50 000 [12] | 6.3 × 10 −2 | |||
Мю-метал | 20 000 [13] | 2.5 × 10 −2 | При 0,002 Тл | ||
Кобальт-железо (ленточный материал с высокой проницаемостью) |
18 000 [14] | 2.3 × 10 −2 | |||
Железо (чистота 99,8%) | 5000 [9] | 6.3 × 10 −3 | |||
Электротехническая сталь | 2000 - 38000 [5] [15] [16] | 5.0 × 10 −3 | При 0,002 Т, 1 Т | ||
Ферритная нержавеющая сталь (отожженная) | 1000 – 1800 [17] | 1.26 × 10 −3 – 2.26 × 10 −3 | |||
Мартенситная нержавеющая сталь (отожженная) | 750 – 950 [17] | 9.42 × 10 −4 – 1.19 × 10 −3 | |||
Феррит (марганец-цинк) | 350 – 20 000 [18] | 4.4 × 10 −4 – 2.51 × 10 −2 | При 0,25 мТл | ок. 100 Гц – 4 МГц | |
Феррит (никель-цинк) | 10 – 2300 [19] | 1.26 × 10 −5 – 2.89 × 10 −3 | При ≤ 0,25 мТл | ок. 1 кГц – 400 МГц [ нужна ссылка ] | |
Феррит (магний, марганец, цинк) | 350 – 500 [20] | 4.4 × 10 −4 – 6.28 × 10 −4 | При 0,25 мТл | ||
Феррит (кобальт, никель, цинк) | 40 – 125 [21] | 5.03 × 10 −5 – 1.57 × 10 −4 | При 0,001 Тл | ок. 2 МГц – 150 МГц | |
Порошковая смесь Mo-Fe-Ni (порошок молипермаллоя, МПП) |
14 – 550 [22] | 1.76 × 10 −5 – 6.91 × 10 −4 | ок. 50 Гц – 3 МГц | ||
Порошковая смесь никеля и железа | 14 – 160 [23] | 1.76 × 10 −5 – 2.01 × 10 −4 | При 0,001 Тл | ок. 50 Гц – 2 МГц | |
Порошковая смесь Al-Si-Fe (Сендуст) | 14 – 160 [24] | 1.76 × 10 −5 – 2.01 × 10 −4 | ок. 50 Гц – 5 МГц [25] | ||
Состав железного порошка | 14 – 100 [26] | 1.76 × 10 −5 – 1.26 × 10 −4 | При 0,001 Тл | ок. 50 Гц – 220 МГц | |
Соединение порошка кремниевого железа | 19 – 90 [27] [28] | 2.39 × 10 −5 – 1.13 × 10 −4 | ок. 50 Гц – 40 МГц | ||
Порошковое соединение карбонильного железа | 4 – 35 [29] | 5.03 × 10 −6 – 4.4 × 10 −5 | При 0,001 Тл | ок. 20 кГц – 500 МГц | |
Углеродистая сталь | 100 [13] | 1.26 × 10 −4 | При 0,002 Тл | ||
Никель | 100 [13] – 600 | 1.26 × 10 −4 – 7.54 × 10 −4 | При 0,002 Тл | ||
Мартенситная нержавеющая сталь (закаленная) | 40 – 95 [17] | 5.0 × 10 −5 – 1.2 × 10 −4 | |||
Аустенитная нержавеющая сталь | 1.003 – 1.05 [17] [30] [а] | 1.260 × 10 −6 – 8.8 × 10 −6 | |||
Неодимовый магнит | 1.05 [31] | 1.32 × 10 −6 | |||
Платина | 1.000 265 | 1.256 970 × 10 −6 | |||
Алюминий | 2.22 × 10 −5 [32] | 1.000 022 | 1.256 665 × 10 −6 | ||
Древесина | 1.000 000 43 [32] | 1.256 637 60 × 10 −6 | |||
Воздух | 1.000 000 37 [33] | 1.256 637 53 × 10 −6 | |||
Бетон (сухой) | 1 [34] | ||||
Водород | −2.2 × 10 −9 [32] | 1.000 0000 | 1.256 6371 × 10 −6 | ||
Тефлон | 1.0000 | 1.2567 × 10 −6 [13] | |||
Сапфир | −2.1 × 10 −7 | 0.999 999 76 | 1.256 6368 × 10 −6 | ||
Медь | −6.4 × 10 −6 или −9.2 × 10 −6 [32] |
0.999 994 | 1.256 629 × 10 −6 | ||
Вода | −8.0 × 10 −6 | 0.999 992 | 1.256 627 × 10 −6 | ||
Висмут | −1.66 × 10 −4 | 0.999 834 | 1.256 43 × 10 −6 | ||
Пиролитический углерод | 0.9996 | 1.256 × 10 −6 | |||
Сверхпроводники | −1 | 0 | 0 |
Хороший материал магнитного сердечника должен иметь высокую проницаемость. [35]
Для пассивной магнитной левитации необходима относительная проницаемость ниже 1 (что соответствует отрицательной восприимчивости).
Проницаемость меняется в зависимости от магнитного поля. Значения, указанные выше, являются приблизительными и действительны только для указанных магнитных полей. Они даны для нулевой частоты; на практике проницаемость обычно является функцией частоты. Когда учитывается частота, проницаемость может быть комплексной , соответствующей синфазной и противофазной характеристике.
Комплексная проницаемость
[ редактировать ]Полезным инструментом для борьбы с высокочастотными магнитными эффектами является комплексная проницаемость. В то время как на низких частотах в линейном материале магнитное поле и вспомогательное магнитное поле просто пропорциональны друг другу благодаря некоторой скалярной проницаемости, на высоких частотах эти величины будут реагировать друг на друга с некоторой задержкой. [36] Эти поля можно записать в виде векторов , так что
где фазовая задержка от .
Понимая проницаемость как отношение плотности магнитного потока к магнитному полю, отношение векторов можно записать и упростить как
так что проницаемость становится комплексным числом.
По формуле Эйлера комплексную проницаемость можно перевести из полярной в прямоугольную форму:
Отношение мнимой и действительной части комплексной проницаемости называется тангенсом потерь ,
который обеспечивает измерение того, сколько энергии теряется в материале по сравнению с тем, сколько сохраняется.
См. также
[ редактировать ]- Антиферромагнетизм
- Диамагнетизм
- Электромагнит
- Ферромагнетизм
- Магнитное сопротивление
- Парамагнетизм
- Диэлектрическая проницаемость
- Единицы электромагнетизма СИ
Примечания
[ редактировать ]- ^ Проницаемость аустенитной нержавеющей стали сильно зависит от истории приложенных к ней механических напряжений, например, при холодной обработке.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Магнитная проницаемость и аналоги в электростатической индукции, проводимости тепла и движении жидкости , март 1872 г.
- ^ Перейти обратно: а б Джексон, Джон Дэвид (1998). Классическая электродинамика (3-е изд.). Нью-Йорк: Уайли. п. 193. ИСБН 978-0-471-30932-1 .
- ^ Международная система единиц , стр. 132, Ампер. БИПМ .
- ^ Калес, МЛ (1953). «Режимы в волноводах, содержащих ферриты». Журнал прикладной физики . 24 (5): 604–608. Бибкод : 1953JAP....24..604K . дои : 10.1063/1.1721335 .
- ^ Перейти обратно: а б GWC Kaye и TH Laby, Таблица физических и химических констант, 14-е изд., Лонгман, «Si Steel»
- ^ https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000066142/4047647 для 38 000 рисунков 5.2.
- ^ по определению
- ^ « Метглас Магнитный Сплав 2714А», Метглас » . Metglas.com. Архивировано из оригинала 6 февраля 2012 г. Проверено 8 ноября 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б « Магнитные свойства ферромагнитных материалов, железа » . Государственный университет ЧР Нейв Джорджия . Проверено 1 декабря 2013 г.
- ^ Джайлс, Дэвид (1998). Введение в магнетизм и магнитные материалы . ЦРК Пресс. п. 354. ИСБН 978-0-412-79860-3 .
- ^ « Типичные свойства материала НАНОПЕРМ», Magnetec » (PDF) . Проверено 8 ноября 2011 г.
- ^ «Никелевые сплавы – нержавеющие стали, никель-медные сплавы, никель-хромовые сплавы, сплавы с низким расширением» . Nickel-alloys.net . Проверено 8 ноября 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д « Относительная проницаемость», Гиперфизика » . HyperPhysics.phy-astr.gsu.edu . Проверено 8 ноября 2011 г.
- ^ « «Мягкие магнитные сплавы кобальта и железа», Vacuumschmeltze » (PDF) . www.vacuumschmeltze.com. Архивировано из оригинала (PDF) 23 мая 2016 г. Проверено 3 августа 2013 г.
- ^ « Проницаемость некоторых распространенных материалов » . Проверено 9 декабря 2022 г.
- ^ https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000066142/4047647 за 38000 на 1 Т, рисунок 5.2.
- ^ Перейти обратно: а б с д Карпентер Технолоджи Корпорейшн (2013). «Магнитные свойства нержавеющих сталей» . Карпентер Технолоджи Корпорейшн.
- ^ Согласно данным Ferroxcube (ранее Philips) Soft Ferrites. https://www.ferroxcube.com/zh-CN/download/download/21
- ^ По данным Siemens Matsushita SIFERRIT. https://www.thierry-lequeu.fr/data/SIFERRIT.pdf
- ^ По данным PRAMET Šumperk fonox. https://www.doe.cz/wp-content/uploads/fonox.pdf
- ^ По данным Ferronics Incorporated. http://www.ferronics.com/catalog/ferronics_catalog.pdf
- ^ Согласно данным о порошке Magnetics MPP-молипермаллоя. https://www.mag-inc.com/Products/Powder-Cores/MPP-Cores
- ^ По данным MMG IOM Limited High Flux. http://www.mmgca.com/catalogue/MMG-Sailcrest.pdf
- ^ По данным Micrometals-Arnold Sendust. https://www.micrometalsarnoldpowdercores.com/products/materials/sendust
- ^ Согласно данным Micrometals-Arnold High Frequency Sendust. https://www.micrometalsarnoldpowdercores.com/products/materials/sendust-high- Frequency
- ^ «Решения для порошковых сердечников из микрометаллов» . micrometals.com . Проверено 17 августа 2019 г.
- ^ По данным Magnetics XFlux. https://www.mag-inc.com/Products/Powder-Cores/XFlux-Cores
- ^ «Решения для порошковых сердечников из микрометаллов» . micrometals.com . Проверено 18 августа 2019 г.
- ^ «Решения для порошковых сердечников из микрометаллов» . www.micrometals.com . Проверено 17 августа 2019 г.
- ^ Британская ассоциация производителей нержавеющей стали (2000 г.). «Магнитные свойства нержавеющей стали» (PDF) . Консультативная служба по нержавеющей стали.
- ^ Юха Пирхёнен; Тапани Йокинен; Валерия Грабовцова (2009). Проектирование вращающихся электрических машин . Джон Уайли и сыновья. стр. 232. ISBN 978-0-470-69516-6 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Ричард А. Кларк. «Магнитные свойства материалов, surrey.ac.uk» . Ee.surrey.ac.uk . Проверено 8 ноября 2011 г.
- ^ BD Cullity и CD Graham (2008), Введение в магнитные материалы, 2-е издание, 568 стр., стр.16
- ^ НДТ.нет. «Определение диэлектрических свойств монолитного бетона на радиолокационных частотах» . Ндт.нет . Проверено 8 ноября 2011 г.
- ^ Диксон, Л.Х. (2001). «Магнитный расчет 2 – Характеристики магнитного сердечника» (PDF) . Техасские инструменты.
- ^ М. Гетцлафф, Основы магнетизма , Берлин: Springer-Verlag, 2008.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Электромагнетизм - глава из онлайн-учебника
- Калькулятор проницаемости
- Относительная проницаемость
- Магнитные свойства материалов
- RF Cafe Объемное сопротивление и толщина оболочки проводника