Свойства ферромагнитных материалов и их применение в технике

Вокруг проводника с электрическим током, даже в вакууме, существует магнитное поле. И если в это поле внести вещество, то магнитное поле изменится, поскольку любое вещество в магнитном поле намагничивается, то есть приобретает больший или меньший магнитный момент, определяемый как сумма элементарных магнитных моментов, связанных с частями, из которых состоит данное вещество.

Суть явления заключается в том, что молекулы многих веществ обладают собственными магнитными моментами, ведь внутри молекул движутся заряды, которые образуют элементарные круговые токи, и значит сопровождаются магнитными полями. Если внешнего магнитного поля к веществу не приложено, магнитные моменты его молекул ориентированы в пространстве хаотично, и суммарное магнитное поле (как и общий магнитный момент молекул) такого образца будет равно нулю.

Ежели образец внести во внешнее магнитное поле, то ориентация элементарных магнитных моментов его молекул приобретет под действием внешнего поля преимущественное направление. В результате суммарный магнитный момент вещества уже не будет нулевым, ведь магнитные поля отдельных молекул в новых условиях не компенсируют друг друга. Так у вещества возникает магнитное поле B.

Если же молекулы вещества изначально не имеют магнитных моментов (есть и такие вещества), то при внесении подобного образца в магнитное поле, в нем индуцируются круговые токи, то есть молекулы приобретают магнитные моменты, что опять же в результате приводит к возникновению у образца суммарного магнитного поля B.

Большинство известных веществ слабо намагничиваются в магнитном поле, но встречаются и такие вещества, которые отличаются сильными магнитными свойствами, их то и называют ферромагнетиками. Примеры ферромагнетиков: железо, кобальт, никель, а также их сплавы.

К ферромагнетикам относятся твердые вещества, которые при невысоких температурах обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, сильно изменяющейся под действием внешнего магнитного поля, механической деформации или изменяющейся температуры. Именно так ведут себя сталь и железо, никель и кобальт, а также из сплавы. Их магнитная проницаемость в тысячи раз выше чем у вакуума.

Именно по этой причине в электротехнике для проведения магнитного потока и для преобразования энергии традиционно используют магнитопроводы из ферромагнитных материалов.

У подобных веществ магнитные свойства зависят от магнитных свойств элементарных носителей магнетизма — электронов, движущихся внутри атомов. Конечно, электроны, двигаясь по орбитам в атомах вокруг своих ядер, образуют круговые токи (магнитные диполи). Но при этом электроны вращаются еще и вокруг своих осей, создавая спиновые магнитные моменты, которые как раз и играют главную роль в намагничивании ферромагнетиков.

Ферромагнитные свойства проявляются лишь тогда, когда вещество пребывает в кристаллическом состоянии. Кроме того данные свойства сильно зависят от температуры, ведь тепловое движение препятствует устойчивой ориентации элементарных магнитных моментов. Так, для каждого ферромагнетика определяется конкретная температура (точка Кюри), при которой структура намагничивания разрушается и вещество превращается в парамагнетик. Например для железа это 900 °C.

Даже в слабых магнитных полях ферромагнетики способны намагнититься до состояния насыщения. Кроме того их магнитная проницаемость зависит от величины приложенного внешнего магнитного поля.

Вначале процесса намагничивания магнитная индукция B в ферромагнетике растет сильнее, а значит магнитная проницаемость его велика. Но когда наступает насыщение, дальнейшее увеличение магнитной индукции внешнего поля не приводит больше к нарастанию магнитного поля ферромагнетика, и значит магнитная проницаемость образца уменьшилась, теперь она стремится к 1.

Важное свойство ферромагнетиков — остаточная намагниченность. Допустим, в катушку поместили ферромагнитный стержень, и, повышая ток в катушке, довели его до насыщения. После этого отключили ток в катушке, то есть убрали магнитное поле катушки.

Можно будет заметить, что стержень размагнитился не до того состояния, в котором он пребывал вначале, его магнитное поле окажется больше, то есть будет иметь место остаточная индукция. Стержень превратился таким образом в постоянный магнит.

Чтобы обратно размагнитить такой стержень, необходимо будет приложить к нему внешнее магнитное поле противоположного направления, и с индукцией равной остаточной индукции. Значение модуля магнитной индукции поля, которое необходимо приложить к намагниченному ферромагнетику (постоянному магниту) чтобы размагнитить его, называется коэрцитивной силой.

Кривые намагничивания (петли гистерезиса) у разных ферромагнитных материалов отличаются друг от друга.

У некоторых материалов петли гистерезиса широкие — это материалы с высокой остаточной намагниченностью, их относят к магнитно-твердым материалам. Магнитно-твердые материалы применяют в изготовлении постоянных магнитов.

Сегодня ферромагнетики играют очень важную роль в технике. Магнитно-мягкие материалы (ферриты, электротехнические стали) используются в электромоторах и генераторах, в трансформаторах и дросселях, а также в радиотехнике. Из ферритов изготавливают сердечники катушек индуктивности.

Магнитно-твердые материалы (ферриты бария, кобальта, стронция, неодим-железо-бор) применяют для изготовления постоянных магнитов. Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительных и акустических приборах, в двигателях и генераторах, в магнитных компасах и т. д.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Ферромагнитный сердечник

Ферромагнитные сердечники 8 закреплены на чувствительном элементе и перемещаются вместе с ним. Датчик температуры 9 включен в схему термокомпенсации. Корпус вискозиметра устанавливают непосредственно в разрыв трубопровода, вследствие чего отпадает необходимость в дополнительном насосе, прокачивающем вискозу через прибор. [1]

Ферромагнитный сердечник в данном случае называют магнитопроводом. [4]

Ферромагнитный сердечник нужен для создания радиально-однород-ного магнитного поля в воздушном зазоре. [5]

Ферромагнитные сердечники часто подвергаются намагничиванию случайными магнитными полями и перемагничиваются в слабых переменных полях по смещенным циклам. [6]

Ферромагнитный сердечник меняет конфигурацию поля в зазоре. Поле перестает быть однородным, так что вычисление эдс несколько усложняется, но гармоническая зависимость от времени остается. [7]

Ферромагнитный сердечник может привести к нелинейной зависимости между величиной потока в сердечнике и полным намагничивающим током всех обмоток, надетых на сердечник. [8]

Ферромагнитный сердечник с нанесенными на него обмотками образует распространенный в импульсных устройствах элемент, называемый трансформатором. В зависимости от петли гистерезиса используемого сердечника и, что гораздо более важно, режима перемаг-ничивания этого сердечника, различают, в основном, два вида таких элементов: 1) запоминающий ( или накопительный) трансформатор; 2) импульсный трансформатор. [10]

Ферромагнитные сердечники с цсоои ус 0 простираются по направлению оси х в обе стороны до бесконечности. [11]

Ферромагнитные сердечники управляются магнитным полем. Внешнее поле, воздействующее на магнитное состояние сердечника, создается с помощью обмоток, по которым протекает ток. [13]

Ферромагнитный сердечник прибора ( лепесток) обладает нелинейной кривой намагничивания. Поэтому сила притяжения лепестка к катушке не прямо пропорциональна току, она нелинейно зависит от тока. [15]

Источник

Ток или поток? Магнитные цепи и их основные характеристики

Привет, Хабр! С недавнего времени я стал задумываться об актуальности статей и заметил, что на Хабре нет ни одной обзорной статьи про магнитные цепи. Как так!? Ведь это. а что это такое?

Действительно, наверняка даже самые отстраненные от инженерного дела люди имеют представление о том, что такое электрические цепи, но возможно, что про магнитные цепи не слышали вовсе. Каждый школьник когда-то в учебнике физики наблюдал разные схемы и формулы, описывающие законы Ома. Но магнитные цепи в рамки школьного курса не входят.

Я решил написать данную статью, чтобы показать, насколько удивителен мир физики и заинтересовать школьников в её изучении. В данной статье, однозначно, для полноты вещей будут и выводы формул и использование некоторых математических операций, которые могут быть известны не всем, но такие моменты я постараюсь сгладить. Приступим!

Что нужно вспомнить?

Применение магнитных цепей

Магнитные цепи находят очень большое поле применения, а именно, они используются для надежного пропускания магнитного потока по специальному проводнику с минимальными или, в некоторых случаях, определенными потерями. В электротехнической промышленности широко используется взаимная зависимость магнитной и электрической энергий, переход из одного состояния в другое. На подобном принципе работают, например, трансформаторы, разные электродвигатели, генераторы и другие устройства.

Как устроены магнитные цепи?

Магнитную цепь, на самом деле, не так сложно представить, как может показаться человеку, который о них впервые слышит. Обычно магнитные цепи представляют из себя некоторые фигуры из ферромагнитного сердечника с источником или несколькими источниками ПОтока. Пожалуй, один из самых простых примеров с одним источником, который можно взять на вооружение, проиллюстрирован ниже:

Перед продолжением обусловимся, что среди электротехников сердечник называют магнитопроводом. Часть магнитопровода, на которой отсутствуют обмотки и которая служит для замыкания магнитной цепи, называется «ярмо».

Вспомним теперь про ферромагнитные материалы. Почему именно они? Дело в том, что благодаря высокому значению магнитной проницаемости, что сигнализирует о хорошей намагниченности ферромагнетика, силовые линии магнитного поля практически не выходят за пределы сердечника, либо не выходят вовсе. Однако это будет справедливо лишь тогда, когда наш сердечник замкнутый, либо имеет небольшие зазоры. То есть, ферромагнетики обладают сильно выраженными магнитными свойствами, когда как у парамагнетиков и диамагнетиков они значительно слабее, что можно наблюдать на следующем графике зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля:

Вещества, которые входят в конструкцию магнитопровода, могут обладать не только сильномагнитными свойствами, но также и слабомагнитными. Однако мы рассматриваем сердечник из ферромагнитного материала.

Ещё из школьного курса мы представляем себе картину с линиями магнитной индукции соленоида, мы можем визуально представить его поле и понимаем, что концентрация силовых линий, их насыщенность, наибольшая в центре рассматриваемого соленоида. Тут очень важно вспомнить правило буравчика, чтобы правильно указать направление силовых линий.

Отсюда становится ясно, что катушки-источники порождают магнитное поле, а следовательно и поток линий магнитной индукции. Такие линии будут циркулировать по нашему сердечнику, словно повторяя его форму. Именно поэтому нам важно условие замкнутости сердечника и материал, из которого он сделан. Положим, что наш воображаемый сердечник замкнут. Из этого следует, что и силовые линии замкнуты, а следовательно выполняется теорема Гаусса для магнитного поля, которая гласит: поток линий магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю. Стоит учесть, что поток адаптируется под площадь сечения.*

Ну и в конечном счете ферромагнитный сердечник поток куда-то передает! Аналогичным образом замкнутый проводник позволяет передать электрический ток.

Отлично! Мы разобрались с тем, что такое магнитные цепи и даже вспомнили про теорему Гаусса и ферромагнетики. Теперь поговорим о том, какие следствия вытекают из теоремы Гаусса и возможности пренебрежения полем вне сердечника и в зазорах.

1] Магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ через произвольные сечения будут равны между собой.

2] В узле (разветвлении) сердечника алгебраическая сумма потоков (с учетом их направлений) будет равна нулю. Мне одному это что-то напоминает?

Расчет магнитных цепей

Криволинейный интеграл по замкнутому контуру от напряженности магнитного поля будет равен алгебраической сумме токов, сцепленных (окруженных) данным контуром.

Также мы помним, что напряженность магнитного поля связана с магнитным потоком следующим образом:

Руководствуясь приведенным законом полного тока и определением напряженности через магнитный поток, мы можем переписать закон полного тока относительно магнитного потока.

Откуда в уравнении появился и что символизирует аргумент l? Все просто. Так как мы рассматриваем контур L, то логично предположить, что на разных его участках наши показатели могут принимать разные значения: площадь сечения может изменяться, как и магнитная проницаемость или магнитный поток.

Полученное уравнение можно рассматривать как второй закон Кирхгофа, который, напомню, звучит следующим образом:

В любой момент времени алгебраическая сумма напряжений на ветвях контура равна нулю.

Для полной ясности, проведем аналогию между электрическими и магнитными цепями, а также их величинами.

Именно проведя аналогичное представление для электрической цепи, мы можем рассчитывать магнитные цепи. Для того, чтобы это сделать, следует:

Мысленно разбить сердечник на отдельные однородные участки (непрерывные, с постоянным сечением) без разветвлений и определить их магнитные сопротивления;

Построить эквивалентную электрическую цепь, последовательно заменяя участки магнитной цепи участками электрической с электрическими сопротивлениями, а также заменяя индуктивности (катушки) на источники ЭДС;

После обозначения заданных сопротивлений и ЭДС, можем вычислить в общем токи в элементах электрической цепи;

Произвести замену полученных величин согласно таблице (токи в потоки, ЭДС в МДС [Магнитодвижущую силу / Ампер-витки], а электрическое сопротивление в магнитное сопротивление).

Именно таким образом, мы можем рассчитать характеристики магнитной цепи. Полученные результаты позволяют, например, вычислить индуктивности.

А примеры расчетов будут?

Заключение

Во-вторых, вернемся к началу статьи. Там я задался целью показать, почему физика удивительна. Не хочу быть многословным, поэтому просто попрошу вспомнить все то, что было описано выше. Мы оперировали моделями, которые относятся к разделу физики электричества и перенесли их на физику магнетизма. Наверняка, вы замечали, насколько часто встречаются элементы механики в иных разделах. Это по истине удивительно! Однако главное не поработиться иллюзией, что в мире все законы нам предельно известны.

Источник

Катушка с ферромагнитным сердечником

Для увеличения индуктивности катушек их наматывают на замкнутые сердечники из ферромагнитного материала. В устройствах работающих на низких частотах для сердечников используют электротехническую сталь. При высоких частотах используются сердечники из спрессованного ферромагнитного порошка. Но независимо от конструкции и материала все катушки с ферромагнитным сердечником обладают рядом свойств и особенностей, которые мы рассмотрим. Для краткости в дальнейшем мы будем называть их просто катушками.

В основном катушки имеют конструкцию, показанную на рис. 1. На замкнутый сердечник из ферромагнитного материала различной формы и размеров наматываются проводники, по которым протекает переменный ток.

Потери на вихревые токи можно определить, воспользовавшись понятием активной мощности переменного тока.

Из выражения (1) следует, что потери на вихревые токи очень сильно (во второй степени) зависят от

Таким образом, уменьшение толщины листов пакета магнитопровода в два раза приведет к четырехкратному уменьшению потерь на вихревые токи.

Коэффициент x является константой для конкретного магнитопровода, пропорциональной удельной проводимости материала и зависящей также от геометрической формы и размеров поперечного сечения.

Кроме потерь на вихревые токи в сердечнике катушки существуют также потери, связанные с перемагничиванием материала в течение периода. В соответствии с формулой Штейнмеца, энергия теряемая на один полный цикл перемагничивания в единице объема вещества равна

Отсюда мощность, расходуемая на перемагничивание или, иначе говоря, потери на гистерезис равны

P Fe = ( h f + x f 2 ) B m 2 V

(3)

Зависимость потерь на вихревые токи P F и гистерезис P H от частоты переменного тока представлена на рис. 4. При низких частотах в магнитопроводе преобладают потери на гистерезис, а затем, по мере роста частоты, потери на вихревые токи резко возрастают и при высоких частотах становятся преобладающими. При работе сердечника на высокой частоте оказывается невозможным его шихтование, т.к. невозможно изготовить пластины или ленту такой толщины, чтобы потери были удовлетворительными. Поэтому для высокочастотных сердечников шихтование заменяют прессовкой мелкодисперсных гранул ферромагнетика, размер которых можно выбрать таким, чтобы вихревые токи не превышали требуемых значений.

Из рис. 6 следует, что при синусоидальном токе в катушке кривая падения напряжения на ней несинусоидальна и имеет ярко выраженную третью гармонику. Причем ее доля в спектре напряжения существенно больше, чем в спектре тока при синусоидальном напряжении.

При анализе электрических цепей с несинусоидальными токами и напряжениями их заменяют эквивалентными синусоидами, имеющими такое же действующее значение. Найдем связь между потокосцеплением катушки и протекающим в ней током при условии, что все функции синусоидальны, т.е.

Из выражения для тока

.

Эллипсы функции Y ( i ) при замене несинусоидального тока и напряжения катушки приведены соответственно на рис. 7 а) и б).

После замены кривых напряжения и тока в катушке с ферромагнитным сердечником эквивалентными синусоидами можно построить для нее векторную диаграмму и соответствующую схему замещения.

200 тыс км/с в стекле и

Источник

Определение ферромагнетиков: описание, свойства, разновидности

Что такое ферромагнетики

Ферромагнетиками называют вещества, для которых характерна самопроизвольная намагниченность, значительно изменяемая в процессе воздействия внешних факторов таких, как магнитное поле, деформация и температура.

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков обладает положительными значениями и равна 10 в 4 или 5 степени. Если напряжённость магнитного поля растет нелинейно, наблюдается увеличение намагниченности и магнитной индукции ферромагнетических веществ.

Отличительное свойство

Ферромагнетики отличаются от диамагнетиков и парамагнетиков наличием самопроизвольной или спонтанной намагниченности, когда внешнее магнитное поле отсутствует. Данный факт говорит об упорядоченной ориентации электронных спинов и магнитных моментов. Ещё одной особенностью ферромагнетиков в отличие от других типов магнетических веществ является значительное превышение внутреннего магнитного поля по сравнению с аналогичными характеристиками внешнего поля.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Примеры материалов

Можно найти немного примеров природных ферромагнетиков. Широко распространены ферриты, которые представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. Первым открытым ферромагнитным материалом является магнитный Железняк, который относятся к категории ферритов. Ферромагнетическими свойствами обладают следующие материалы:

Основные характеристики

Ферромагнетические материалы обладают уникальными физико-химическими свойствами. Основными характеристиками ферромагнетиков являются:

Электронные оболочки у ферромагнетиков

Ферромагнетиками могут являться материалы, находящиеся в твердом состоянии. При этом магнитный момент их атомов, в частности с недостроенными внутренними электронными оболочками, является постоянно спиновым или орбитальным. Распространенным примером ферромагнетиков являются переходные металлы. В ферромагнетических материалах резко усиливаются внешние магнитные поля. К ним относятся:

Значительная доля веществ не обладает ферромагнетическими свойствами. Это объясняется особым расположением электронов, когда электронные оболочки атомов заполняются. Их магнитные поля ориентированы в противоположных направлениях и компенсируют друг друга, что снижает степень потенциальной энергии взаимодействия электронов.

Наблюдая атомы с нечетным числом электронов на оболочках, которые соединяются в молекулы или кристаллы, можно заметить взаимную компенсацию магнитных полей неспаренных электронов. Атомы железа, никеля, кобальта в кристаллических структурах обладают собственными магнитными полями неспаренных электронов, которые ориентированы параллельно друг другу. Это приводит к образованию микроскопических намагниченных областей или доменов. Суммарное магнитное поле таких образований нулевое. Если материал поместить во внешнее магнитное поле, то поля доменов будут ориентироваться соответственно, что сопровождается намагничиванием ферромагнетиков.

Типы ферромагнетиков, свойства

Ферромагнитные вещества отличаются по характеру магнитного взаимодействия. Выделяют две основные группы ферромагнетиков:

К первой категории относят ферромагнетики, способные практически полностью устранять собственное магнитное поле при исчезновении внешнего. В процессе материал размагничивается. Такие вещества активно используются в производстве сердечников трансформаторов и электромагнитов. Магнито-жесткие материалы применяют для создания таких изделий, как постоянные магниты, магнитные ленты и диски, на которые записывается информация.

Потеря свойств ферромагнетизма

Ферромагнетические вещества называют «магнитозамороженными» парамагнетиками. Атомы парамагнетических материалов обладают магнитными моментами, которые пребывают в хаотичном вращательном движении. В случае ферромагнетиков моменты направлены определенно. При возрастании температуры число случайных температурных флуктуаций магнитных моментов атомов увеличивается. В случае, если температура ферромагнетика становится приближенной к температуре Кюри, то есть сравнимой с температурой магнитного «плавления», происходит полное разрушение ферромагнитного порядка температурными флуктуациями, и наблюдается переход вещества в парамагнитное состояние:

Изменение температуры в первую очередь влияет на намагниченность ферромагнетиков. По мере ее возрастания свойство намагниченности снижается и становится равно нулю в точке Кюри. В данном температурном режиме происходит изменение всех других свойств, которые определяют разницу между ферромагнетиками и парамагнетиками, а также характеристик вещества, не связанных с отличительными особенностями этих типов магнетиков. К примеру, изменение электрических и акустических свойств ферромагнитного материала, в связи с тем, что твердое тело обладает упругой, электрической, магнитной и другими подсистемами, при изменении одной из которых меняются и другие.

Температура Кюри

Каждый ферромагнетик обладает рядом характеристик. Важным параметром вещества является температура, при которой оно утрачивает свои магнитные свойства. Этот показатель называется точкой Кюри. При температуре, превышающей точку Кюри, упорядоченное состояние в магнитной подсистеме кристалла разрушается.

На примере металла

Потерю свойств ферромагнетика в зависимости от температуры окружающей среды можно рассмотреть опытным путем. К примеру, никель обладает температурой Кюри в 360 градусов. Подвешенный образец металла подвергают воздействию внешнего магнитного поля. В систему помещают горелку. При обычной температуре никель примет горизонтальное положение, так как будет сильно притягиваться магнитом. Если образец нагреть до температуры Кюри, его свойство намагниченности ослабевает, он перестанет притягиваться и начнет падать. После остывания до температуры, которая ниже точки Кюри, никель вновь приобретает ферромагнитные свойства и притягивается к магниту.

Применение ферромагнетиков, примеры

Ферромагнитные вещества благодаря особым физико-химическим свойствам нашли широкое применение в разных сферах электротехники. С помощью магнито-мягких типов ферромагнетиков производят такое оборудование и агрегаты, как:

Ферромагнетики в условиях отсутствия внешнего магнитного поля остаются намагниченными, создавая магнитное поле во внешней среде. Элементарные токи в веществе сохраняют упорядоченную ориентацию. Свойство активно используется в современной промышленности для создания постоянных магнитов, которые используют для изготовления следующих видов оборудования:

Материалы, относящиеся к ферритам, обладающие одновременно ферромагнитными и полупроводниковыми свойствами, широко распространены в производстве радиотехники. Вещества активно применяются при изготовлении сердечников катушек индуктивности, магнитных лент, пленок и дисков.

Источник