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 [ править ]
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 ростом 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 [ править ]
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 называетсянамагниченность . 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. выше этого. Намагниченность остается почти постоянной и считается насыщенной. [9] Доменная структура при насыщении зависит от температуры. [9]
Эффекты и использование [ править ]
Насыщение накладывает практический предел на максимальные магнитные поля, достижимые в электромагнитах и трансформаторах с ферромагнитным сердечником, около 2 Тл, что ограничивает 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 интермодуляции.искажение. 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]
См. Также [ править ]
- Магнитное сопротивление
- Permendur / Hiperco
Ссылки [ править ]
- Перейти ↑ Steinmetz, Charles (1917). "рис. 42". Теория и расчет электрических цепей . Макгроу-Хилл.
- ^ a b 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.
- ^ Laughton, Массачусетс; Варн, Д. Ф., ред. (2003). «8». Справочник инженера-электрика (шестнадцатое изд.). Newnes. ISBN 0-7506-4637-3.
- ^ Chikazumi, Soshin (1997). «таблица 9.2». Физика ферромагнетизма . Кларендон Пресс . ISBN 0-19-851776-9.CS1 maint: ref=harv (link)
- ^ США 5126907 , Ёшихиро Hamakawa, Хисаси Такано, Наоки Кояма, Eijin Мориваки, Shinobu Sasaki, Кадзуо Shiiki, «Тонкопленочные магнитная головка имеет , по меньшей мере , один магнитный элемент сердечник из , по меньшей мере , частично из материала , имеющего высокую насыщенность плотность магнитного потока», 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 .
- ^ a b «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.CS1 maint: ref=harv (link)
- ^ «Преимущества гармонических искажений (HMX)» . Служба поддержки Audient . Проверено 16 июля 2020 .
