В некоторых магнитных материалах насыщение - это состояние, достигнутое, когда увеличение приложенного внешнего магнитного поля H не может еще больше увеличить намагниченность материала, поэтому общая плотность магнитного потока B более или менее выравнивается. (Хотя намагниченность продолжает очень медленно расти вместе с полем из-за парамагнетизма .) Насыщение - это характеристика 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 кривой BH или кривой гистерезиса ) вещества, как изгиб вправо от кривой (см. График справа). По мере увеличения поля H поле B асимптотически приближается к максимальному значению , уровню насыщения вещества. Технически, выше насыщения, поле B продолжает увеличиваться, но с парамагнитной скоростью, которая на несколько порядков меньше ферромагнитной скорости, наблюдаемой ниже насыщения. [2]
Связь между намагничивающим полем H и магнитным полем B также может быть выражена как магнитная проницаемость :или относительная проницаемость , где - проницаемость вакуума . Проницаемость ферромагнитных материалов не является постоянной, а зависит от Н . В насыщаемых материалах относительная проницаемость увеличивается с увеличением H до максимума, затем по мере приближения к насыщению меняется на противоположную и уменьшается в сторону единицы. [2] [3]
Разные материалы имеют разную степень насыщенности. Например, высокая проницаемость железа сплавов , используемых в трансформаторах достигают магнитного насыщения при 1,6-2,2 тесла (Т), [4] , тогда как ферриты насыщается при 0,2-0,5 Т. [5] Некоторые аморфного сплавов насыщается при 1,2-1,3 Т. [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, которые могут изменять направление намагничивания. Перед тем как внешнее магнитное поле прикладывается к материалу, домены магнитные поля ориентированы в случайных направлениях, эффективно отменяя друг друга, так что чистый внешнее магнитное поле пренебрежимо мало. Когда к материалу прикладывается внешнее намагничивающее поле H , 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 Н , тем больше доменов Align, что дает более высокую плотность магнитного потока B . В конце концов, при определенном внешнем магнитном поле доменные стенки сдвинулись настолько далеко, насколько это возможно, и домены выровнены настолько, насколько позволяет их кристаллическая структура, поэтому при увеличении внешнего магнитного поля наблюдается незначительное изменение доменной структуры. над этим. 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, около 2 Тл, что накладывает ограничение на минимальный размер их сердечников. Это одна из причин , почему двигатели высокой мощности, генераторы и коммунальные трансформаторы физически велико; чтобы проводить большой магнитный поток, необходимый для производства высокой мощности, они должны иметь большие магнитные сердечники. В приложениях, в которых вес магнитных сердечников должен быть минимальным, таких как трансформаторы и электродвигатели в самолетах, часто используется сплав с высоким насыщением, такой как Permendur .
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 меняются при изменении тока возбуждения. В линейных цепях это обычно считается нежелательным отклонением от идеального поведения. При подаче сигналов переменного тока эта нелинейность может вызвать генерацию гармоник и интермодуляционных искажений. Чтобы предотвратить это, уровень сигналов, подаваемых на индукторы с железным сердечником, должен быть ограничен, чтобы они не насыщались. Чтобы снизить его влияние, в некоторых типах сердечников трансформатора создается воздушный зазор. [10] ток насыщения , ток через обмотку требуется для насыщения магнитного сердечника, даются производителями в спецификациях для многих индукторов и трансформаторов.
С другой стороны, в некоторых электронных устройствах используется насыщение. Насыщение используется для ограничения тока в трансформаторах с насыщаемым сердечником , используемых при дуговой сварке , и феррорезонансных трансформаторах, которые служат в качестве регуляторов напряжения . Когда первичный ток превышает определенное значение, сердечник переводится в область насыщения, ограничивая дальнейшее увеличение вторичного тока. В более сложных приложениях индукторы с насыщаемым сердечником и магнитные усилители используют постоянный ток через отдельную обмотку для управления импедансом катушки индуктивности . Изменение тока в обмотке управления перемещает рабочую точку вверх и вниз на кривой насыщения, контролируя переменный ток через катушку индуктивности. Они используются в регулируемых балластах люминесцентных ламп и системах управления мощностью. [11]
Насыщение также используется в феррозондовых магнитометрах и феррозондовых компасах .
В некоторых аудиоприложениях намеренно используются насыщаемые трансформаторы или катушки индуктивности для внесения искажений в аудиосигнал. Магнитное насыщение генерирует гармоники нечетного порядка, обычно вносящие искажения третьей и пятой гармоник в нижний и средний диапазон частот. [12]
Смотрите также
- Магнитное сопротивление
- Permendur / Hiperco
Рекомендации
- Перейти ↑ Steinmetz, Charles (1917). "рис. 42". Теория и расчет электрических цепей . Макгроу-Хилл.
- ^ а б Бозорт, Ричард М. (1993) [переиздание публикации 1951 года]. Ферромагнетизм . Переиздание классической прессы IEEE. Wiley-IEEE Press . ISBN 0-7803-1032-2.
- ^ Бакши, ВУ; UABakshi (2009). Основы электротехники . Технические публикации. С. 3–31. ISBN 978-81-8431-334-5.
- ^ Лотон, Массачусетс; Варн, Д. Ф., ред. (2003). «8». Справочник инженера-электрика (шестнадцатое изд.). Newnes. ISBN 0-7506-4637-3.
- ^ Тиказуми, Сошин (1997). «таблица 9.2». Физика ферромагнетизма . Кларендон Пресс . ISBN 0-19-851776-9.
- ^ США 5126907 , Ёсихиро Хамакава, Хисаши Такано, Наоки Кояма, Эйдзин Мориваки, Синобу Сасаки, Кадзуо Шиики, «Тонкопленочная магнитная головка, имеющая по крайней мере один элемент магнитного сердечника, по крайней мере частично изготовленный из материала, имеющего высокую плотность магнитного потока насыщения», выпущен 1992
- ^ «Защитные материалы» . K + J Magnetics . Проверено 7 мая 2013 .
- ^ «Mumetal - один из трех никель-железных сплавов» . mumetal.co.uk. Архивировано из оригинала на 2013-05-07 . Проверено 7 мая 2013 .
- ^ а б «Магнитные свойства материалов» (PDF) . unlcms.unl.edu . Проверено 16 марта 2016 .
- ^ Род, Эллиотт (май 2010 г.). «Трансформаторы - Основы (Раздел 2)» . Руководство для начинающих по трансформаторам . Звуковые продукты Elliott . Проверено 17 марта 2011 .
- ^ Чоудхури, Д. Рой (2005). «2.9.1». Современная контрольная техника . Прентис-холл Индии. ISBN 81-203-2196-0.
- ^ «Преимущества гармонических искажений (HMX)» . Служба поддержки Audient . Проверено 16 июля 2020 .