СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Ферромагнитные вещества широко применяются в электротехнике благодаря их способности намагничиваться и значительно усиливать внешнее магнитное поле. Для практики большое значение имеют особые свойства ферромагнитных веществ, выявляющиеся в процессе намагничивания. Эти свойства можно проследить на опыте, измеряя напряженность поля Н и магнитную индукцию В катушки со стальным сердечником (рис. 8.26). Намагничивание ферромагнитных материалов С ростом^ напряженности поля Н магнитная индукция В увеличивается по закону B — \i0{M+H). График В(Н), соответствующий первоначальному намагничиванию и показанный на рис. 8.27, называется кривой первоначального намагничивания. Там же даны зависимости от напряженности поля обоих слагаемых \i0M и \i0H, из которых складывается магнитная индукция в ферромагнитной среде. Получив состояние магнитного насыщения, уменьшим напряженность внешнего магнитного поля Я. Магнитная индукция уменьшается по кривой 1-2 (рис. 8.28), которая не совпадает с кривой первоначального намагничивания (кривая 0-1). При #=0 магнитная индукция имеет остаточное значение Вг. Размагничивание сердечника как бы запаздывает по сравнению с уменьшением напряженности поля. Это явление называют магнитным гистерезисом. Особенностью ферромагнитных веществ является наличие сильных магнитных связей молекул, вследствие чего в них образуются весьма малые (микроскопические) области, внутри которых Магнитные моменты молекул ориентированы в одну сторону. Такие области имеют значительный общий магнитный момент и называются самопроизвольно намагниченными. В отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнитные вещества не проявляют своих магнитных свойств, так как магнитные моменты самопроизвольно намагниченных областей направлены беспорядочно. Общий магнитный момент всего объема тела оказывается равным нулю. Усиление магнитного поля в ферромагнитной среде, а также явления магнитного насыщения и остаточного магнетизма; хорошо объясняются изменением ориентации магнитных моментов областей самопроизвольной намагниченности под действием внешнего поля. В образовании внутреннего магнитного поля участвуют не отдельные молекулы, как в диамагнитных и парамагнитных веществах, а целые области, обладающие магнитным моментом. Магнитное насыщение означает, что все магнитные моменты ориентированы по направлению внешнего поля. Остаточный магнетизм объясняется тем, что при снятии внешнего поля определенная часть магнитных моментов сохраняет приобретенное при намагничивании направление, так что результирующий магнитный момент объема сердечника не уменьшается до нуля. Магнитный гистерезис Изменив направление тока в катушке и, следовательно, направление внешнего поля в сердечнике, увеличим напряженность поля (вектор Н изменил направление). Магнитная индукция уменьшается до нуля (отрезок кривой 2-3), а затем изменит направление на обратное. Величину напряженности поля Я, необходимую для уничтожения поля в сердечнике, называют коэрцитивной (задерживающей) силой. В точке 3 внешнее поле скомпенсировало остаточное поле намагниченности сердечника ( — Нс = М). В дальнейшем результирующее поле в сердечнике изменяет направление и усиливается, пока не наступает насыщение (участок 3-4). Аналогично можно получить данные и начертить нижнюю часть графика 4-5-6-1. Полученную замкнутую кривую В(Н) называют петлей магнитного гистерезиса. Циклическое перемагничивание вещества в области значений В и Я, меньших тех, которые соответствуют полному насыщению, тоже образует петлю гистерезиса, полностью заключенную внутри предельной петли. Ряд таких петель гистерезиса показан на рис. 8.29. кривую 0-1-2-3-4, проведенную через вершины всех петель гистерезиса, называют основной кривой намагничивания. Она проходит близко к кривой первоначального намагничивания, но не совпадает с ней. Основную кривую намагничивания используют при технических расчетах магнитных систем. На рис. 8.30 изображены основные кривые намагничивания некоторых ферромагнитных материалов. Свойства ферромагнитных материалов На основе опыта намагничивания и перемагничивания ферромагнитных материалов можно сформулировать основные их свойства. 1. Ферромагнитные вещества относительно легко и сильно намагничиваются. Относительная магнитная проницаемость для некоторых ферромагнитных материалов достигает значений 105 и выше, 2. С ростом напряженности внешнего магнитного поля намагниченность и магнитная индукция увеличиваются; однако намагниченность и магнитная индукция не пропорциональны priv. V.7 . —. / J. V ^UUlIll, 1 1 V "1U- гнитная восприимчивость x и магнитная проницаемость не постоянные величины, а зависят от намагниченности М. 3. Начиная с некоторой напряженности поля Я при ее увеличении происходит магнитное насыщение, т. е. такое состояние ферромагнитных веществ, при котором рост напряженности поля не влечет за собой увеличения намагниченности. Рис. 8.31 О Н Н 4. При уменьшении напряженности поля Н после достижения состояния насыщения намагниченность и магнитная индукция уменьшаются. Однако величины М и В отличаются от тех, которые были зафиксированы для одинаковых Н при увеличении напряженности. 5. При устранении внешнего поля (#=0) обнаруживается остаточная намагниченность (М и В не равны нулю). 6. При увеличении напряженности поля Н в обратном направлении происходит сначала размагничивание намагниченного образца, а затем намагничивание в обратном направлении (М и В меняют знак) до насыщения. 7. При циклическом перемагничивании с определенной частотой ферромагнитное вещество нагревается, что свидетельствует о затрате энергии на перемагничивание. Абсолютная магнитная проницаемость ферромагнитного вещества определяется в каждой точке основной кривой намагничивания (рис. 8.31) отношением Ha = 5///=^tg а, где тв и тн — масштабы по осям координат. Магнитная проницаемость, определяемая этим отношением, называется статической. Как видим, с ростом напряженности поля магнитная проницаемость вначале увеличивается, а при переходе в область насыщения уменьшается. Кроме статической магнитной проницаемости ца определяется дифференциальная магнитная проницаемость цадИф. Последняя пропорциональна тангенсу угла наклона касательной к основной кривой намагничивания в каждой точке: ональна площади, ограниченной петлей магнитного гистерезиса. Магнитно-мягкие и магнитно-твердые материалы Для всех ферромагнитных материалов отмеченные свойства являются общими, однако проявляются они по-разному в зависимости от их химического состава. В связи с этим различают две основные группы ферромагнитных материалов: магнитно-твердые и магнитно-мягкие. Магнитно-твердые материалы имеют большие величины остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силы, широкую петлю магнитного гистерезиса. Магнитно-твердыми являются хромовольфрамовые, хромомолибденовые стали (5Г=1Т, #с = 60А/см), сплав альнико (Al, Ni, Со) и др. Для магнитно-мягких материалов характерны большая магнитная проницаемость и малая коэрцитивная сила (узкая петля магнитного гистерезиса). К магнитно-мягким материалам относятся электротехническая сталь (малоуглеродистая с присадкой кремния от 1,7 до 4%), чистое электролитическое железо, электротехнический чугун, пермаллой (80% Ni и 20% Fe) и др. Магнитно-мягкие материалы применяются для устройства магнитных цепей электрических машин, аппаратов, электромагнитов и т. п. Свойства материалов обеспечивают в этих устройствах создание сильных магнитных полей при относительно небольших величинах намагничивающих сил IN и относительно малые потери энергии при перемагничивании. Задачи Задача 8.27. Решить задачу 8.21, если сердечник выполнен из электротехнической стали, характеристика намагничивания которой приведена на рис. 8.30. Решение. В задаче 8.22 магнитная проницаемость была принята постоянной условно в предположении, что в тех пределах изменения магнитной индукции, какие имеют место при переключении обмогок. характеристика намагничивания стали близка к прямой. Если характеристику намагничивания нельзя хотя бы приближенно считать прямолинейной, то формула (8.27) в этом случае непригодна. Взаимную индуктивность обмоток можно определить по формуле (8.25), предполагая без тока сначала одну, а затем другую обмотки. В этом случае Af12 Для определения индуктивности катушки нельзя воспользоваться и формулой (8.28). так как неизвестна магнитная проницаемость стали. При разомкнутой второй обмотке найдем индуктивность L, и взаимоиндуктивность А/,.2- Намагничивающая сила обмотки Fl=I1Ni = 3-2000 = 6000 А. Напряженность поля F, 6000 Я1=—=--—-—г = 2000 А/м = 20 А/см. определяют точку i, отстоящую от начала координат на расстоянии (/-/,, выражающем в принятом масштабе найденную величину напряженности поля Из этой точки проводят прямую, параллельную оси ординат, до пересечения! с кривой намагничивания в точке 2. Эту точку проектируют на ось ординат, где и читают ответ — величину магнитной индукции (отрезок 0-3). Для Wi = 20 А/см: By = 14000 Гс= 1,4 Тл. Магнитный поток Ф1., = В5=1,4-20-10-4 = 2,8-10-3 Вб. Собственное потокосцепление первой обмотки 4/i.l=1,1.2=Ф1.2^2 = Ф1 ,^-0,9 = 2,8 -Ю-3-3500 0,9 = 8,83 Вб. Взаимная индуктивность Mi 1 = 472/Л = 8,83/3 = 2,94 Гн. Определить: 1) индуктивность и взаимоиндуктивность (L2, М2Л при отсутствии тока в первой обмотке); 2) магнитный поток и общую индуктивность' при согласном и встречном включении обмоток.