Насыщенность (магнитная)

В некоторых магнитных материалах насыщение — это состояние, достигаемое, когда увеличение приложенного внешнего магнитного поля H не может далее увеличить намагниченность материала, поэтому общая плотность магнитного потока B более или менее выравнивается. (Хотя намагниченность продолжает очень медленно увеличиваться с увеличением поля из-за парамагнетизма .) Насыщение является характеристикой ферромагнитных и ферримагнитных материалов, таких как железо , никель , кобальт и их сплавы. Различные ферромагнитные материалы имеют разные уровни насыщения.

Описание

Насыщение наиболее четко видно на кривой намагничивания (также называемой BH кривой или кривой гистерезиса ) вещества как изгиб справа от кривой (см. график справа). По мере H увеличения поля поле B приближается к максимальному значению асимптотически - уровню насыщения вещества. Технически, выше насыщения поле B продолжает расти, но с парамагнитной скоростью, которая на несколько порядков меньше, чем ферромагнитная скорость, наблюдаемая ниже насыщения. ^[2]

Связь между намагничивающим полем H и магнитным полем B также может быть выражена как магнитная проницаемость : $\mu =B/H$ или относительная проницаемость $\mu _{r}=\mu /\mu _{0}$ , где $\mu _{0}$ это вакуумная проницаемость . Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов не постоянна, а зависит H. от В насыщаемых материалах относительная проницаемость увеличивается с ростом H до максимума, затем по мере приближения к насыщению инвертируется и уменьшается до единицы. ^[2]^[3]

Разные материалы имеют разную степень насыщенности. Например, сплавы железа с высокой проницаемостью, используемые в трансформаторах, достигают магнитного насыщения при 1,6–2,2 тесла (Тл), ^[4] тогда как ферриты насыщаются при 0,2–0,5 Тл. ^[5] Некоторые аморфные сплавы насыщаются при 1,2–1,3 Тл. ^[6] Мю-металл насыщается при температуре около 0,8 Тл. ^[7]^[8]

Объяснение

Ферромагнитные материалы (например, железо) состоят из микроскопических областей, называемых магнитными доменами , которые действуют как крошечные постоянные магниты , способные менять направление намагничивания. доменов До того, как к материалу приложено внешнее магнитное поле, магнитные поля ориентированы в случайных направлениях, эффективно нейтрализуя друг друга, поэтому чистое внешнее магнитное поле пренебрежимо мало. внешнее намагничивающее поле H Когда к материалу прикладывается , оно проникает в материал и выравнивает домены, заставляя их крошечные магнитные поля поворачиваться и выравниваться параллельно внешнему полю, складываясь вместе, чтобы создать большое магнитное поле B , которое простирается от материал. Это называется намагничиванием . Чем сильнее внешнее магнитное поле H , тем больше выравниваются домены, что приводит к более высокой плотности магнитного B. потока В конце концов, при определенном внешнем магнитном поле доменные стенки сместятся настолько далеко, насколько это возможно, и домены выровняются настолько, насколько позволяет им кристаллическая структура, поэтому при увеличении внешнего магнитного поля в доменной структуре происходят незначительные изменения. выше этого. Намагниченность остается почти постоянной и считается насыщенной. ^[9] Доменная структура при насыщении зависит от температуры. ^[9]

Эффекты и использование

Насыщение накладывает практический предел на максимальные магнитные поля, достижимые в электромагнитах и трансформаторах с ферромагнитным сердечником , величиной около 2 Тл, что накладывает ограничение на минимальный размер их сердечников. Это одна из причин, почему мощные двигатели, генераторы и трансформаторы имеют большие размеры; чтобы проводить большое количество магнитного потока, необходимого для производства большой мощности, они должны иметь большие магнитные сердечники. В приложениях, в которых вес магнитных сердечников должен быть сведен к минимуму, например, в трансформаторах и электродвигателях самолетов, сплав с высоким насыщением, такой как пермендур часто используется .

В электронных схемах трансформаторы и катушки индуктивности с ферромагнитными сердечниками работают нелинейно , когда ток через них достаточно велик, чтобы привести материалы их сердечников в состояние насыщения. Это означает, что их индуктивность и другие свойства изменяются при изменении тока возбуждения. В линейных схемах это обычно считается нежелательным отклонением от идеального поведения. При переменного тока сигналов подаче эта нелинейность может вызвать генерацию гармоник и интермодуляционные искажения. Чтобы предотвратить это, уровень сигналов, подаваемых на индукторы с железным сердечником, должен быть ограничен, чтобы они не насыщались. Чтобы снизить его воздействие, в некоторых сердечниках трансформаторов создается воздушный зазор. ^[10] Ток насыщения , ток через обмотку, необходимый для насыщения магнитопровода, указывается производителями в спецификациях на многие катушки индуктивности и трансформаторы.

С другой стороны, насыщение используется в некоторых электронных устройствах. Насыщение используется для ограничения тока в трансформаторах с насыщающимся сердечником , используемых при дуговой сварке , и феррорезонансных трансформаторах, которые служат регуляторами напряжения . Когда первичный ток превышает определенное значение, сердечник перемещается в область насыщения, ограничивая дальнейшее увеличение вторичного тока. В более сложных приложениях индукторы с насыщающимся сердечником и магнитные усилители индуктора используют постоянный ток через отдельную обмотку для управления импедансом . Изменение тока в обмотке управления перемещает рабочую точку вверх и вниз по кривой насыщения, управляя переменным током через дроссель. Они используются в регулируемых люминесцентных ламп балластах и системах управления мощностью. ^[11]

Насыщение также используется в феррозондовых магнитометрах и феррозондовых компасах .

В некоторых аудиоприложениях насыщаемые трансформаторы или катушки индуктивности намеренно используются для внесения искажений в аудиосигнал. Магнитное насыщение генерирует гармоники нечетного порядка, обычно внося третью и пятую гармоники в диапазон нижних и средних частот. ^[12]

См. также

Ссылки

^ Стейнмец, Чарльз (1917). «рис. 42». Теория и расчет электрических цепей . МакГроу-Хилл.
^ Jump up to: ^а ^б Бозорт, Ричард М. (1993) [Переиздание публикации 1951 года]. Ферромагнетизм . Переиздание IEEE Press Classic. Wiley-IEEE Press . ISBN 0-7803-1032-2 .
^ Бакши, В.У.; У.А.Бакши (2009). Базовая электротехника . Технические публикации. стр. 3–31. ISBN 978-81-8431-334-5 .
^ Лотон, Массачусетс; Уорн, Д.Ф., ред. (2003). «8». Справочник инженера-электрика (Шестнадцатое изд.). Ньюнес. ISBN 0-7506-4637-3 .
^ Чикадзуми, Сошин (1997). «таблица 9.2». Физика ферромагнетизма . Кларендон Пресс . ISBN 0-19-851776-9 .
^ США 5126907 , Ёсихиро Хамакава, Хисаси Такано, Наоки Кояма, Эйджин Мориваки, Синобу Сасаки, Кадзуо Шиики, «Тонкопленочная магнитная головка, имеющая по меньшей мере один элемент магнитного сердечника, изготовленный по крайней мере частично из материала, имеющего высокую плотность магнитного потока насыщения», выдан 1992 год
^ «Защитные материалы» . К+Дж Магнетикс . Проверено 7 мая 2013 г.
^ «Мюметалл — один из трех сплавов никеля и железа» . mumetal.co.uk. Архивировано из оригинала 7 мая 2013 г. Проверено 7 мая 2013 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Магнитные свойства материалов» (PDF) . unlcms.unl.edu . Проверено 16 марта 2016 г.
^ Род, Эллиотт (май 2010 г.). «Трансформеры – Основы (раздел 2)» . Руководство по трансформерам для начинающих . Эллиотт Саунд Продактс. Архивировано из оригинала 21 июля 2019 г. Проверено 17 марта 2011 г.
^ Чоудри, Д. Рой (2005). «2.9.1». Современная техника управления . Прентис-Холл Индии. ISBN 81-203-2196-0 .
^ «Преимущества гармонических искажений (HMX)» . Служба поддержки клиентов . Проверено 16 июля 2020 г.

[1] Стейнмец, Чарльз (1917). «рис. 42». Теория и расчет электрических цепей . МакГроу-Хилл.

[Bozorth-2] Jump up to: ^а ^б Бозорт, Ричард М. (1993) [Переиздание публикации 1951 года]. Ферромагнетизм . Переиздание IEEE Press Classic. Wiley-IEEE Press . ISBN 0-7803-1032-2 .

[3] Бакши, В.У.; У.А.Бакши (2009). Базовая электротехника . Технические публикации. стр. 3–31. ISBN 978-81-8431-334-5 .

[4] Лотон, Массачусетс; Уорн, Д.Ф., ред. (2003). «8». Справочник инженера-электрика (Шестнадцатое изд.). Ньюнес. ISBN 0-7506-4637-3 .

[Chikazumi-5] Чикадзуми, Сошин (1997). «таблица 9.2». Физика ферромагнетизма . Кларендон Пресс . ISBN 0-19-851776-9 .

[6] США 5126907 , Ёсихиро Хамакава, Хисаси Такано, Наоки Кояма, Эйджин Мориваки, Синобу Сасаки, Кадзуо Шиики, «Тонкопленочная магнитная головка, имеющая по меньшей мере один элемент магнитного сердечника, изготовленный по крайней мере частично из материала, имеющего высокую плотность магнитного потока насыщения», выдан 1992 год

[7] «Защитные материалы» . К+Дж Магнетикс . Проверено 7 мая 2013 г.

[8] «Мюметалл — один из трех сплавов никеля и железа» . mumetal.co.uk. Архивировано из оригинала 7 мая 2013 г. Проверено 7 мая 2013 г.

[Magnetic_properties_of_materials-9] Jump up to: ^а ^б «Магнитные свойства материалов» (PDF) . unlcms.unl.edu . Проверено 16 марта 2016 г.

[10] Род, Эллиотт (май 2010 г.). «Трансформеры – Основы (раздел 2)» . Руководство по трансформерам для начинающих . Эллиотт Саунд Продактс. Архивировано из оригинала 21 июля 2019 г. Проверено 17 марта 2011 г.

[11] Чоудри, Д. Рой (2005). «2.9.1». Современная техника управления . Прентис-Холл Индии. ISBN 81-203-2196-0 .

[12] «Преимущества гармонических искажений (HMX)» . Служба поддержки клиентов . Проверено 16 июля 2020 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]