Проницаемость и насыщенность

Для лучшего понимания нелинейность проницаемости материала можно изобразить. На горизонтальной оси графика поместим величину напряженности поля (H), равную силе поля (ммс), деленной на длину материала. На вертикальной оси отложим величину плотности потока (B), равную полному потоку, деленному на площадь поперечного сечения материала.

Мы будем использовать величины напряженности поля (H) и плотности потока (B) вместо силы поля (ммс) и полного потока (Φ), чтобы форма нашего графика оставалась независимой от физических размеров нашего тестового материала. Мы пытаемся показать математическую взаимосвязь между силой поля и потоком для любого кусок определенного вещества в том же духе, что и описание удельного сопротивления материала в ом-см-мил / фут вместо фактического сопротивления в Ом.

Это называется нормальной кривой намагничивания . , или кривая B-H , для любого конкретного материала. Обратите внимание, как плотность потока для любого из вышеуказанных материалов (чугун, литая сталь и листовая сталь) выравнивается с увеличением интенсивности поля. Этот эффект известен как насыщенность . . Когда приложенная магнитная сила мала (низкая H), только несколько атомов выравниваются, а остальные легко выравниваются с помощью дополнительной силы.

Однако по мере того, как больший поток втискивается в одну и ту же площадь поперечного сечения ферромагнитного материала, в этом материале становится меньше атомов, чтобы выровнять свои электроны с дополнительной силой, и поэтому требуется все больше и больше силы (H), чтобы получить все меньше и меньше. «Помощь» материала в создании большей плотности потока (B). Чтобы поместить это в экономичный Таким образом, мы наблюдаем уменьшение отдачи (B) от наших инвестиций (H). Насыщение - это явление, характерное только для электромагнитов с железным сердечником.

Электромагниты с воздушным сердечником не насыщаются, но, с другой стороны, они не создают почти такой же магнитный поток, как ферромагнитный сердечник, при том же количестве витков провода и токе.

Магнитный гистерезис

Еще одна причуда, мешающая нашему анализу зависимости магнитного потока от силы, - это явление магнитного гистерезиса . . Как общий термин, гистерезис означает задержку между вводом и выводом в системе при изменении направления. Любой, кто когда-либо водил старый автомобиль с «незакрепленным» рулевым управлением, знает, что такое гистерезис:чтобы переключиться с левого поворота на правый (или наоборот), вам нужно дополнительно повернуть рулевое колесо, чтобы преодолеть встроенное «отставание». в системе механической связи между рулевым колесом и передними колесами автомобиля.

В магнитной системе гистерезис наблюдается в ферромагнитном материале, который имеет тенденцию оставаться намагниченным после того, как сила приложенного поля была снята (см. «Удерживающая способность» в первом разделе этой главы), если сила обратной полярности.

Давайте снова воспользуемся тем же графиком, только расширив оси, чтобы указать как положительные, так и отрицательные величины. Сначала мы приложим увеличивающуюся силу поля (ток через катушки нашего электромагнита). Мы должны увидеть увеличение плотности потока (вверх и вправо) в соответствии с нормальной кривой намагничивания:

Затем мы остановим ток, проходящий через катушку электромагнита, и посмотрим, что произойдет с потоком, оставив первую кривую все еще на графике:

Из-за удерживающей способности материала у нас все еще есть магнитный поток без приложенной силы (нет тока через катушку). В этот момент наш сердечник электромагнита действует как постоянный магнит. Теперь мы будем медленно применять такое же количество силы магнитного поля к противоположной направление к нашему образцу:

Плотность потока теперь достигла точки, эквивалентной тому, что было при полном положительном значении напряженности поля (H), за исключением отрицательного или противоположного направления. Давайте снова остановим ток, проходящий через катушку, и посмотрим, сколько осталось магнитного потока:

Еще раз, из-за естественной удерживаемости материала, он будет удерживать магнитный поток без подачи энергии на катушку, за исключением того, что на этот раз он будет направлен в направлении, противоположном тому, когда мы в последний раз прекращали ток через катушку. Если мы снова подадим мощность в положительном направлении, мы снова увидим, что плотность потока достигнет своего предыдущего пика в правом верхнем углу графика:

S-образная кривая, полученная на этих этапах, образует так называемую кривую гистерезиса . ферромагнитного материала для заданного набора крайних значений напряженности поля (-H и + H).

Пример гистерезиса в автомобилях

Рассмотрим график гистерезиса для сценария рулевого управления автомобиля, описанного ранее, один график изображает «жесткую» систему рулевого управления, а другой - «незакрепленную» систему:

Как и в случае с автомобильными системами рулевого управления, гистерезис может быть проблемой. Если вы разрабатываете систему для создания точных величин потока магнитного поля для заданных величин тока, гистерезис может препятствовать достижению этой цели проектирования (из-за того, что величина плотности потока будет зависеть от тока и как сильно он был до этого намагничен!). Точно так же слабая система рулевого управления недопустима в гоночном автомобиле, где необходима точная, повторяемая реакция рулевого управления.

Кроме того, необходимость преодолевать предшествующее намагничивание в электромагните может быть пустой тратой энергии, если ток, используемый для возбуждения катушки, является переменным взад и вперед (AC). Площадь внутри кривой гистерезиса дает приблизительную оценку количества потраченной впустую энергии.

В других случаях желательно магнитный гистерезис. Так обстоит дело, когда магнитные материалы используются как средство хранения информации (компьютерные диски, аудио- и видеокассеты). В этих приложениях желательно иметь возможность намагничивать частицы оксида железа (феррита) и полагаться на удерживающую способность этого материала, чтобы «запомнить» его последнее намагниченное состояние.

Другим продуктивным применением магнитного гистерезиса является фильтрация высокочастотного электромагнитного «шума» (быстро меняющиеся скачки напряжения) от сигнальной проводки путем пропускания этих проводов через середину ферритового кольца. Энергия, затрачиваемая на преодоление гистерезиса феррита, снижает мощность «шумового» сигнала. Интересно, что кривая гистерезиса феррита довольно экстремальна:

ОБЗОР:

• Проницаемость материала изменяется в зависимости от величины магнитного потока, протекающего через него.
• Конкретное отношение силы к потоку (напряженность поля H к плотности потока B) отображается на графике в форме, называемой нормальной кривой намагничивания . .
• К ферромагнитному материалу можно приложить столько силы магнитного поля, что в него больше нельзя будет втиснуть магнитный поток. Это состояние известно как магнитная насыщенность . .
• Когда сохраняемость ферромагнитного вещества мешает его перемагничиванию в противоположном направлении, состояние, известное как гистерезис происходит.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист по промежуточному электромагнетизму и электромагнитной индукции
• Таблица магнитных единиц измерения