Общая характеристика магнитных материалов

Магнитные поля создаются постоянными магнитами или электромагнитами, представляющими собой катушки с обмотками, намотанными на ферромагнитные сердечники. В том случае, когда по металлическому проводу катушки протекает электрический ток I, в ее объеме возникает магнитное поле, характеризуемое векторами напряженности H_I и индукции B_I. Воздействие этого поля на материал сердечника приводит к тому, что сердечник намагничивается, и катушка становится идентичной магниту – создается электромагнит.

Вещества различаются по своим магнитным свойствам, поскольку они намагничиваются по-разному. Например, в ферромагнитных материалах особых областей магнитных доменов, характеризующихся спонтанной намагниченностью.

Степень намагничивания характеризуется вектором намагниченности вещества J. Модуль | J|,определяющий магнитный момент единицы объема, связан с напряженностью магнитного поля:

J = c H, А/м, (8.32)

где c - магнитная восприимчивость, характеризующая свойство материала намагничиваться.

При этом намагничивающий сердечник создает добавочное магнитное поле, которое усиливает (а иногда и ослабляет) поле токов катушки.

Вектор магнитной индукции В_J намагниченного сердечника и вектор намагниченности J материала связаны соотношением:

В_J = m₀ J. (8.33)

Вектор магнитной индукции В результирующего поля намагниченной среды равен геометрической сумме вектора магнитной индукции, равного
B_I = m₀ Н_I и обусловленного протеканием тока через обмотку (проводник) катушки и магнитной индукции В_J поля, связанного с намагниченным сердечником:

В = В_J + B_I = m₀(J + Н). (8.34)

Очевидно, что в зависимости от направлений векторов индукции В_J и B_I суммарный вектор В может быть меньше или больше значения индукции B_I, характеризующей магнитное поле без сердечника.

Статической относительной магнитной проницаемостью m (чаще, просто, магнитная проницаемость) называется отношение магнитной индукции В в ферромагнетике к магнитной индукции поля в вакууме при одном и том же значении напряженности Н (при одном токе катушки I):

m = В / B_I = B /m₀ H. (8.35)

В = mm₀ H. (8.36)

Фактически уравнение (8.36) отражает тот факт, что ферромагнитные материалы многократно (в m раз) усиливают индукцию магнитного поля, создаваемого катушкой с током в вакууме.

В объеме V катушки, по обмоткам которой протекает электрический ток I, накапливается энергия магнитного поля W, величина которой, согласно теории Максвелла, рассчитывается по соотношению:

W = BHV /2 = mm₀ H ² V /2. (8.37)

На примере тороидальной катушки с учетом (8.26) - (8.29) можно показать:

W = BHV /2 = mm₀ H ² V /2 = mm₀ H ² Sl _ср/2 = mm₀ I ² w ² S /2 l _ср = LI ²/2. (8.38)

Запасаемая энергия магнитного поля зависит не только от величины тока I, протекающего по виткам катушки, но и от величины индуктивности катушки L. Учитывая взаимосвязь (8.26) между L и m сердечника, очевидно, что максимальное значение m_мах характеризует материал с точки зрения возможного использования его для наибольшего усиления магнитного поля, запасаемого в магнитном сердечнике катушке.

Для увеличения величины индуктивности необходимо либо увеличивать число витков w катушки, доводя их до нескольких тысяч, либо выбирать материал сердечника с величиной m_мах достигающей десятки тысяч или более.

Вещества по магнитным свойствам, в том числе по значению m, подразделяются на классы: диа-, пара- и ферромагнитные.

К диамагнитным материалам относятся медь (m = 0,999995), серебро (0,999981), золото, висмут и другие. В магнитное поле напряженностью Н диамагнетик намагничивается так, что вектор намагниченности J материала направлен против вектора Н; магнитная восприимчивостьc, рассчитываемая с учетом (8.26)-(8.28) по соотношению

c = ½ J ½/½ H ½= m - 1, (8.39)

в данном случае отрицательна. Поскольку для диамагнитных материалов
c» - 10^-4…- 10^-8, то m £ 1. Другими словами, диамагнетик ″немного″ уменьшает внешнее поле. Для диамагнетиков характерна независимость или слабая зависимость магнитной восприимчивости от температуры.

Представителями парамагнитных материалов являются воздух
(m = 1,0000031), алюминий (1,000023), олово (1,0000022), палладий, платина и другие. В парамагнетике вектор намагниченности J совпадает с направлением вектора напряженности Н. Магнитная восприимчивость c для парамагнетика является положительной величиной, но изменяется в пределах +10^-3…+10^-4, т.е. относительная магнитная проницаемость m ³ 1. Т.е. парамагнетик ″немного″ увеличивает внешнее поле.

С учетом малости величины относительной магнитной проницаемости m диамагнитные и парамагнитные вещества в электротехнике относят к немагнитным материалам.

Ферромагнитные вещества - материалы, сильно притягивающиеся постоянным магнитом. К ним относятся, например, металлы - железо, кобальт, никель и их сплавы, ферриты. Магнитная восприимчивость этих материалов достигает значений 10⁵ - 10⁶, что наиболее ценно для создания сильных электромагнитных полей.

Характеристики c и mферромагнитных веществ изменяются не только от напряженности магнитного поля, в котором находится магнетик, но и от температуры материала.

Дата добавления: 2015-07-17