Насыщенность (магнитная) - Saturation (magnetic)

Кривые намагничивания 9 ферромагнитных материалов, показывающие насыщение. 1. Лист стали, 2. Кремниевая сталь, 3. Литая сталь, 4. Вольфрамовая сталь, 5. Магнитная сталь, 6. Чугун, 7. Никель, 8. Кобальт, 9. Магнетит[1]

Видно в некоторых магнитный материалы, насыщенность состояние достигается при увеличении применяемого внешнего магнитное поле ЧАС не может увеличить намагничивание материала дальше, поэтому общая плотность магнитного потока B более или менее выравнивается. (Он продолжает очень медленно увеличиваться с полем из-за парамагнетизм.) Насыщенность - характеристика ферромагнитный и ферримагнитный материалы, такие как утюг, никель, кобальт и их сплавы. Различные ферромагнитные материалы имеют разные уровни насыщения.

Описание

Насыщенность наиболее ярко проявляется в кривая намагничивания (также называемый BH кривая или гистерезис кривая) вещества, как изгиб вправо от кривой (см. график справа). Поскольку ЧАС поле увеличивается, B поле приближается к максимальному значению асимптотически - уровень насыщения вещества. Технически выше насыщения B поле продолжает увеличиваться, но на парамагнитный ставка, которая составляет несколько порядки величины меньше ферромагнитной скорости, наблюдаемой ниже насыщения.[2]

Связь между намагничивающим полем ЧАС и магнитное поле B можно также выразить как магнитное проницаемость: или относительная проницаемость , куда это вакуумная проницаемость. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов не постоянна, а зависит от ЧАС. В насыщаемых материалах относительная проницаемость увеличивается с увеличением ЧАС до максимума, затем по мере приближения к насыщению инвертируется и уменьшается в сторону 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 теслас (Т),[4] в то время как ферриты насыщать при 0,2–0,5 Т.[5] Немного аморфный насыщение сплавов при 1,2–1,3 Т.[6] Му-металл насыщает около 0,8 Т.[7][8]

Из-за насыщения магнитная проницаемость μж ферромагнитного вещества достигает максимума, а затем уменьшается

Объяснение

Дальнейшая информация: Ферромагнетизм

Ферромагнитные материалы (например, железо) состоят из микроскопических областей, называемых магнитные домены, которые действуют как крошечные постоянные магниты которые могут изменить направление намагничивания. До того, как к материалу приложено внешнее магнитное поле, домены магнитные поля ориентированы в случайных направлениях, эффективно компенсируя друг друга, поэтому чистое внешнее магнитное поле пренебрежимо мало. Когда внешнее намагничивающее поле ЧАС наносится на материал, он 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 который выходит за пределы материала. Это называется намагничивание. Чем сильнее внешнее магнитное поле ЧАС, чем больше выравниваются домены, тем выше плотность магнитного потока. B. В конце концов, при определенном внешнем магнитном поле доменные стены сдвинулись настолько далеко, насколько это возможно, и домены выровнены настолько, насколько это позволяет кристаллическая структура, так что при увеличении внешнего магнитного поля выше этого изменения в доменной структуре можно пренебречь. 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 ферромагнитном сердечнике. электромагниты и трансформаторы около 2 Тл, что ограничивает минимальный размер их ядер. Это одна из причин, по которой высокомощные двигатели, генераторы и полезность трансформаторы имеют большие размеры; проводить большие объемы магнитный поток необходимые для производства высокой мощности, они должны иметь большие магнитные сердечники. В приложениях, в которых вес магнитных сердечников должен быть минимальным, например, трансформаторы и электродвигатели в самолетах, сплав с высоким насыщением, такой как Permendur часто используется.

В электронные схемы, трансформаторы и индукторы с ферромагнитными сердечниками работают нелинейно когда ток через них достаточно велик, чтобы довести их основные материалы до насыщения. Это означает, что их индуктивность и другие свойства меняются в зависимости от изменения тока привода. В линейные цепи это обычно считается нежелательным отклонением от идеального поведения. Когда AC сигналы применяются, эта нелинейность может вызвать генерацию гармоники и интермодуляция 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] В ток насыщения, ток через обмотку, необходимый для насыщения магнитопровода, указывается производителями в спецификациях для многих катушек индуктивности и трансформаторов.

С другой стороны, в некоторых электронных устройствах используется насыщение. Насыщение используется для ограничения тока в трансформаторы с насыщаемым сердечником, используется в дуговая сварка, и феррорезонансные трансформаторы, которые служат регуляторы напряжения. Когда первичный ток превышает определенное значение, сердечник переводится в область насыщения, ограничивая дальнейшее увеличение вторичного тока. В более сложном приложении индукторы с насыщаемым сердечником и магнитные усилители использовать постоянный ток через отдельную обмотку для управления индуктором сопротивление. Изменение тока в обмотке управления перемещает рабочую точку вверх и вниз на кривой насыщения, контролируя переменный ток через катушку индуктивности. Они используются в переменных флуоресцентный свет балласты, и системы управления мощностью.[11]

Насыщенность также используется в феррозондовые магнитометры и магнитные компасы.

В некоторых звуковых приложениях преднамеренно используются насыщаемые трансформаторы или катушки индуктивности для внесения искажений в звуковой сигнал. Магнитное насыщение генерирует гармоники нечетного порядка, обычно вводя третью и пятую гармонический искажения в нижнем и среднем диапазоне частот.[12]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Стейнмец, Чарльз (1917). «рис. 42». Теория и расчет электрических цепей. Макгроу-Хилл.CS1 maint: ref = harv (связь)
  2. ^ а б Бозорт, Ричард М. (1993) [переиздание публикации 1951 года]. Ферромагнетизм. Переиздание IEEE Press Classic. Wiley-IEEE Press. ISBN  0-7803-1032-2.CS1 maint: ref = harv (связь)
  3. ^ Бакши, В.У .; У.А. Бакши (2009). Базовая электротехника. Технические публикации. С. 3–31. ISBN  978-81-8431-334-5.
  4. ^ Laughton, M.A .; Варн, Д. Ф., ред. (2003). «8». Справочник инженера-электрика (Шестнадцатое изд.). Newnes. ISBN  0-7506-4637-3.CS1 maint: ref = harv (связь)
  5. ^ Тиказуми, Сошин (1997). «таблица 9.2». Физика ферромагнетизма. Clarendon Press. ISBN  0-19-851776-9.CS1 maint: ref = harv (связь)
  6. ^ 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», выпущенный в 1992 г. 
  7. ^ «Защитные материалы». K + J Magnetics. Получено 2013-05-07.
  8. ^ «Mumetal - один из трех никель-железных сплавов». mumetal.co.uk. Архивировано из оригинал на 2013-05-07. Получено 2013-05-07.
  9. ^ а б «Магнитные свойства материалов» (PDF). unlcms.unl.edu. Получено 2016-03-16.
  10. ^ Род, Эллиотт (май 2010 г.). «Трансформаторы - Основы (Раздел 2)». Руководство по трансформаторам для начинающих. Звуковые продукты Elliott. Получено 2011-03-17.CS1 maint: ref = harv (связь)
  11. ^ Чоудхури, Д. Рой (2005). «2.9.1». Современная контрольная техника. Прентис-Холл Индии. ISBN  81-203-2196-0.CS1 maint: ref = harv (связь)
  12. ^ «Преимущества гармонических искажений (HMX)». Служба поддержки Audient. Получено 2020-07-16.