Магнитные материалы — это вещества, которые позволяют изменять свойства радиоэлементов, работающих с магнитным полем. Обычно это материалы на основе железа, никеля или хрома. 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.
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
μа = В/Н — абсолютная магнитная проницаемость, μ0 = 4π×10−7 [Гн/м] — магнитная проницаемость вакуума, μ = μа/μ0 — относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина), индуктивность измеряется в Генри — [Гн] = [в/а×сек] = [Ом×сек], магнитный поток Ф измеряется в веберах — [Вб] = [в×сек], отношение Br/Bm = П — коэффициент прямоугольности магнитного материала.
Соединение точек вершин частных петель гистерезиса образуют основную кривую намагничивания В(Н). Она 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
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.
| Название, марка | Вm, Тл | Нс, А/м | μнас. | μmax. | П | Точка Кюри C° | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Сталь | 1341 | 1,9 | 35 | 300 | 6000 | — | 700 |
| 3214 | 2 | 8 | 1500 | 50000 | — | 750 | |
| Пермаллой | 50НП | 1,5 | 20 | — | 80000 | 0,93 | 500 |
| 79НМ | 0,85 | 1,5 | 25000 | 140000 | 0,4 | 750 | |
| 80НХС | 0,65 | 3,2 | 40000 | 175000 | — | 750 | |
| Магнито-диэлектрик | ТЧ – 60 (альсифер) | 0,5 | 1000 | — | 60 | 0,1 | |
| МП – 60 | 0,4 | — | — | 55 | |||
| МП – 140 | 0,5 | 100 | — | 140 | 200 | ||
| МП – 250 | 0,8 | — | — | 250 | |||
| Феррит | 1500 НМ3 | 0,35 | 16 | 1500 | 3000 | 0,25 | 200 |
| 2000 НМ1 | 0,38 | 25 | 2000 | 3500 | 0,32 | 200 | |
| 1000 НН | 0,27 | 20 | 1000 | 3000 | 0,55 | 110 | |
Маркировка электротехнической стали выполняется четырьмя цифрами, при этом:
Первая цифра обозначает тип проката стали:
1 — горячая изотропная (свойства стали не зависят от направления намагничивания)
2 — холодная изотропная
3 — холодная анизотропная (свойства стали зависят от направления намагничивания)
Вторая цифра показывает содержание кремния в процентах:
1 — 0,8 … 1,8 %
2 — 1,8 … 2,8 %
3 — 2,8 … 3,8 %
4 — 3,8 … 4,8 %
Третья цифра показывает удельные потери
Четвёртая цифра обозначает номер модификации (разработки).
Маркировка пермаллоев
Число в маркировке пермаллоев указывает процентное содержание никеля (50НП — 50% Ni), а буквы — другие компоненты: Н — никель, М — марганец, Х — хром, К — кобальт, П — прямоугольная петля гистерезиса.
Число в маркировке магнитодиэлектриков и ферритов показывает максимальную магнитную проницаемость, а буквы — повышенное содержание какого-либо химического элемента: Н — никеля, М — марганца.
На форму петли гистерезиса и магнитные характеристики сердечника влияет много факторов. В том числе частота, температура и толщина ленты. Пример графика зависимости коэрцитивной силы от толщины ленты приведён на рисунке 4.
Рисунок 4. Зависимость коэрцитивной силы от толщины ленты сердечника
На этом рисунке Нс_исх — это коэрцитивная сила массивного образца магнитного материала. На приведённом графике отчётливо видно, что для тонких лент магнитного материала толщиной 3, 5, 10, 20, 30 и 50 микрон коэрцитивная сила значительно увеличивается.
Пример зависимости формы петли гистерезиса от частоты входного напряжения приведён на рисунке 5.
Рисунок 5. Зависимость петли гистерезиса от частоты для пермаллоя 50НП толщиной 0,05 мм (50 микрон)
Из приведенных графиков петли гистерезиса магнитного материала на различных частотах входного напряжения видно, что с
увеличением частоты f, уменьшается его магнитная проницаемость
На магнитные свойства ферромагнитных материалов существенно влияет и температура. С ростом температуры увеличивается омическое удельное сопротивление сердечника, уменьшаются потери на вихревые токи и уменьшается коэрцетивная сила Нс и максимальная индукция Вm. Для различных магнитных материалов степень такого влияния значительно отличается.
При нагревании ферромагнетика до температуры Кюри магнитный материал теряет свои магнитные свойства, петля гистерезиса
стягивается в точку — домены разрушаются. При уменьшении температуры магнитные домены снова восстанавливаются.
(Напомним, что домен это область спонтанной однородной намагниченности с геометрическими размерами в пределах
