Магнитные материалы — это вещества, которые позволяют изменять свойства радиоэлементов, работающих с магнитным полем. Они позволяют уменьшать габариты трансформаторов, дросселей и индуктивностей. Магнитные материалы бывают низкочастотными и высокочастотными. Ряд магнитных материалов позволяет создавать постоянные магниты.
Основным фактором, влияющим на индуктивность радиоэлементов, использующих магнитные материалы, является магнитная индукция сердечника. Она сильно зависит от магнитного поля, воздействующего на магнитный сердечник. Исследуем эту зависимость.
Для исследования магнитной индукции наилучшим образом подходит сердечник замкнутой формы. В нем силовые линии магнитного поля не выходят за пределы сердечника и окружающий сердечник воздух и предметы не оказывают влияние на на результаты эксперимента. Так как магнитное сопротивление воздуха в μ раз больше чем у сердечника (μ — относительная магнитная проницаемость), то часть магнитного потока замыкается, минуя сердечник. Эта часть называется потоком рассеяния Фs. Так как коэффициент μ обычно много больше единицы, то поток рассеяния можно не учитывать. Упрощенная конструкция катушки индуктивности для исследования свойств магнитных материалов приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Конструкция катушки индуктивности с сердечником из магнитного материала
Для создания магнитного поля в сердечнике намотаем на него провод и подведем переменное напряжение с ЭДС ес и частотой fc, W — число витков в обмотке. При протекании тока i в сердечнике создаётся магнитный поток Ф, который в основном замыкается по сердечнику,
Если сердечник первоначально был полностью размагничен, то процесс его намагничивания в координатах индукция-напряжённость идёт по линии 0 – b (рисунок 2). На этом рисунке: В — магнитная индукция Вб/м2 = Тесла, Н — напряженность магнитного поля (А/м).
Рисунок 2. Намагничивание сердечника (петля гистерезиса)
Когда внешняя ЭДС меняет знак, то сердечник перемагничивается в другую сторону, но в точку 0 он уже никогда не вернётся. Рабочая точка перемещается по
частной петле гистерезиса (b-d-b). Если увеличить внешнюю ЭДС, то площадь петли возрастает. Вершина петли переходит из точки b в точку a. В конце концов
настаёт такой момент, когда увеличение ЭДС не приводит к увеличению площади петли гистерезиса, которая в этом случае называется кривой предельного цикла.
Она отсекает на оси абсцисс отрезок HC, называемый коэрцитивной силой, а на оси ординат отрезок Br — остаточную индукцию.
Индукция в сердечнике при напряжённости
Геометрическое место точек вершин частных петель гистерезиса есть основная кривая намагничивания В(Н), которая приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Кривая намагничивание сердечника
На рисунке 4 приведена зависимость μ(Н). Здесь выделяются три области: 1 — линейная (почти!), 2 — область перегиба и
3 — область насыщения. В первой области работают силовые трансформаторы и дроссели сглаживающих фильтров, во второй — магнитные
усилители, в третьей — магнитные ключи (дроссели насыщения). Для расчётов кривую намагничивания линеаризируют, считая на линейном участке
Параметры сердечника определяются свойствами магнитного материала и весьма существенно конструкцией магнитопровода. В качестве магнитных материалов используют различные высокоуглеродистые стали, пермаллои, магнитодиэлектрики и ферриты. В зависимости от технологии изготовления различают сердечники пластинчатые, ленточные и прессованные. На частотах 50...400 Гц используют сталь в виде лент или пластин толщиной 0,3...0,5 мм, а на частотах 400...1000 Гц – 0,1...0,2 мм. На более высоких частотах используют пермаллои, магнитодиэлектрики и ферриты.
Пермаллой — железоникелевый сплав — сталь с высоким процентным содержанием Cr, Ni, Mn, Co, Mo. Используют в виде лент толщиной 5...20 микрон. Это "магнитомягкий" материал (узкая петля гистерезиса — Нс менее 5 А/м).
Магнитодиэлектрик — мелкодисперсный ферромагнитный порошок, формируемый в сердечники связующим материалом на основе полистирола. Используются на высоких частотах ( 1...500 кГц). Это альсиферы и прессованный пермаллой — прессперм (порошок пермаллоя!).
Феррит — ферромагнитный порошок, спекаемый при высокой температуре (~1200°С) и давлении до 30 Атм. Ферриты более технологичны и дешевле в производстве, но в диапазоне температур от −60 до +125°С их индукция изменяется на ±30%, а у пермаллоя на ±5%. В таблице 1 приведены характеристики некоторых магнитных материалов.
