Исследование магнитного гистерезиса

Такая симметричная замкнутая петля гистерезиса (рис. 4) получается в действительности только после нескольких перемагничиваний с увеличением тока до значения Ia. При первых циклах перемагничивания петля несимметричная и незамкнутая. Наибольшая замкнутая петля, которая может быть получена для данного ферромагнитного материала, называется предельной (рис. 5). При напряженности поля H > Hmax получается уже безгистерезисный участок кривой B(H).

Если для данного  ферромагнитного материала, выбирая  различные наибольшие значения тока Ia, получить несколько симметричных петель гистерезиса (рис. 5) и соединить вершины петель, то получим кривую, называемую основной кривой намагничивания, близкую к кривой начального намагничивания.

Циклическое перемагничивание можно применить для размагничивания магнитопровода, т.е. для уменьшения остаточной индукции до нулевого значения. С этой целью магнитопровод подвергают воздействию изменяющегося по направлению и постепенно уменьшающегося магнитного поля.

Периодическое перемагничивание связано с затратой энергии, которая, превращаясь в тепло, вызывает нагрев магнитопровода. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной при одном цикле перемагничивания. Энергия, затраченная на процесс перемагничивания, называется потерями от гистерезиса. Мощность потерь на циклическое перемагничивание, выражаемая обычно в ваттах на килограмм, зависит от материала, максимальной магнитной индукции и числа циклов перемагничивания в секунду или, что тоже, частоты перемагничивания. 

Ферромагнитные  материалы.

Ферромагнитные материалы делятся на две группы: магнитно-мягкие и магнитно-твердые.

а) Магнитно-мягкие материалы (таблица №1) применяются  в качестве магнитопроводов (сердечников) в устройствах и приборах, где  магнитный поток постоянный (полюсные башмаки и сердечники измерительного механизма) или переменный (например, магнитопровод трансформатора). Они обладают низким значением коэрцитивной силы Hc (ниже 400А/м), высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями от гистерезиса. К этой группе материалов относятся: техническое железо и низкоуглеродистые стали, листовые электротехнические стали, железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью (пермаллои) и оксидные ферромагнетики – ферриты и оксиферы.

Техническое железо с содержанием углерода до 0,04%, углеродистые стали и чугун широко применяются для магнитопроводов, работающих в условиях постоянных магнитных полей. Техническое железо обладает высокой индукцией насыщения (до 2,2 Тл), высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой.

Электротехнические  стали – это сплавы железа с кремнием (1-4%). Путем изменения содержания кремния и применением различных технологических приемов получаются стали с широким диапазоном магнитных свойств. Кремний улучшает свойства технического железа: увеличиваются начальная и максимальная магнитные проницаемости, уменьшается коэрцитивная сила, уменьшаются потери энергии от гистерезиса, увеличивается удельное электрическое сопротивление, что важно для уменьшения так называемых вихревых токов, возникающих при циклически изменяющемся магнитном поле и нагревающих магнитопровод.

Стали, с низким содержанием кремния, имеют низкую магнитную проницаемость, большую  индукцию насыщения и большие  удельные потери, они применяются  в установках и приборах цепей  постоянного тока или переменного тока низкой частоты. Стали с высоким содержанием кремния применяются в тех случаях, когда нужно иметь высокую магнитную проницаемость в слабых и средних полях и малые потери от гистерезиса и вихревых токов, вследствие чего они могут применятся для магнитопроводов, работающих при повышенной частоте тока.

Рассмотрим некоторые  виды магнито-мягких материалов, которые  наиболее часто применяются в  промышленности.

Пермаллои –  это сплавы различного процентного  содержания железа и никеля, а некоторые  из них, кроме того, молибдена, хрома, кремния, алюминия. Пермаллои имеют высокую магнитную проницаемость, в 10-15 раз большую, чем у листовой электротехнической стали. В этих сплавах индукция насыщения достигается при малых напряженностях поля (от десятых долей до нескольких сотен ампер на метр). Одни из них имеют низкую индукцию насыщения Bs (около 0,6 –0,8 Тл), другие – относительно высокую (1,3 – 1,6 Тл). К первой группе относятся высоконикелевые пермаллои, например содержащий 79% никеля и 3,8% молибдена, у которого ?н=22000; ?max=120000; Bs=0,75Тл. Ко второй группе относятся низконикелевые пермаллои, например содержащие 45% никеля, у которого ?н=2500; ?max=23000; Bs=1,5Тл.

У пермаллоев с  прямоугольной петлей гистерезиса (рис. 6) степень прямоугольности  петли характеризуется отношением остаточной индукции Br к максимальной индукции Bmax, под которой понимают индукцию при напряженности поля, в 5-10 раз превышающую коэрцитивную силу. Это отношение достигает 0,85-0,99. Коэрцитивная сила таких пермаллоев лежит в пределах от 1 до 30 А/м.

Магнитные свойства пермаллоев в сильной степени  зависят от технологии их изготовления.

Ферритами называют ферромагнитные материалы, получаемые из смеси окислов железа, цинка  и других элементов. При изготовлении магнитопроводов смесь размалывают, прессуют и отжигают при температуре около 1200 0С; таким образом, получают магнитопроводы нужной формы. Ферриты обладают очень большим удельным сопротивлением, вследствие чего потери из-за вихревых токов чрезвычайно, малы и их можно применять при высокой частоте.

Ферриты обладают значительной начальной магнитной  проницаемостью, незначительной индукцией  насыщения(0,18 – 0,32Тл) и малой коэрцитивной силой (8 – 80 А/м).

Магнитодиэлектрики  – это материалы, получаемые из смеси  мелкозернистого ферромагнитного порошка с диэлектриком (поливинилхлорид, полиэтилен). Смесь формуют, прессуют и запекают; в результате мельчайшие частицы ферромагнетика оказываются разделенными электроизолирующей пленкой из немагнитного материала.

Ферриты и магнитодиэлектрики широко применяются в качестве сердечников в аппаратуре проводной и радиосвязи, в магнитных усилителя, вычислительных машинах и в других областях техники.

В настоящее  время ведутся разработки новых  видов магнито-мягких материалов. Одним  из таких видов является ленточный магнитопровод разработанный фирмой ГАММАМЕТ® — гаммамет® 412А.

Магнитопроводы  ГАММАМЕТ® 412А изготавливаются из ленты толщиной 25 мкм с нанокристаллической  структурой. Лента получается методом  быстрой закалки из сплава на основе железа. Магнитопроводы после термической обработки в продольном магнитном поле имеют высокую прямоугольность петли магнитного гистерезиса (см. рис. 7) и низкие удельные магнитные потери.

Предельные значения температуры окружающей среды от -60 °С до +125°С. Полный срок службы магнитопроводов - 30 лет. Технические условия обеспечивают коэффициент прямоугольности Br/B10>0,85.

Магнитопроводы  ГАММАМЕТ® 412А заменяют магнито-мягкие железоникелевые сплавы и ферриты  с прямоугольной петлей магнитного гистерезиса.

Область применения: магнитные усилители, импульсные трансформаторы, дроссели насыщения, магнитные ключи. 
 

Таблица №1 "Магнитные  свойства некоторых магнито-мягких материалов".

В таблице приведены  данные о магнитных свойствах  некоторых магнито-мягких материалах. Такие материалы намагничиваются в относительно слабых магнитных полях и обладают высокими значениями начальной µн и максимальной µmax магнитных проницаемостей, малым значением коэрцитивной силы Hc. Значения Bmax - максимальной магнитной индукции – соответствует намагниченности насыщения ферромагнетиков. 

Ферромагнетик ВmaxTл µн µmax НсА/м Свойства

Альсифер 1,1 20000 117000 1,8 Отличается механической твердостью и хрупкостью. Обладает малой коэр-ой силой и высокими значениями магнитных  проницаемостей.Удельное эл. сопротивление 0,6 мкОм?м. Идет на изготовление магнитопро-д, корпусов приборов.

Пермаллои высоко - никелевые 0,70-0,75 14000-50000 60000-300000 0,8-4,8 Сплав, обладающий высокой магнитной проницаемостью и небольшой коэр-ой силой.Применяется  для изготовления сердечников слаботочных транс-ов звукового диапазона, дросселей и т.д.

Электротехни-ческая сталь 2 200-600 3000-8000 9,6-64,0 Сталь электротехническая (тран-ая) используется для изготовления сердечников транс-ов, дросселей, эл. машин и т.д.

Ферриты никель-цинковые и марганец-цинковые 0,18-0,40 100-6000 3000-10000 8-120

Железо (технически чистое, мин. кол-во примесей) 2,16 250 7000 64

Магнитопроводы  ГАММАМЕТ® 412А 1,12 600 000 1,2 Область применения: магнитные усилители, импульсные трансформаторы, дроссели насыщения, магнитные ключи.Температура Кюри 610 °CПлотность: 7400 кг/м3Удельное электросопротивление: 1,25•10-6 Ом•м 

б) Магнитно-твердые  материалы (таблица №2) предназначены  для изготовления постоянных магнитов самого различного назначения. Эти  материалы характеризуются большой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией.

К магнитно-твердым  материалам относятся: углеродистые, вольфрамовые, хромистые и кобальтовые стали; их коэрцитивная сила 5000-8000 А/м, остаточная индукция 0,8 – 1Тл. Они обладают ковкостью, поддаются прокатке, механической обработке и выпускаются промышленностью в виде полос или листов.

К магнитно-твердым  материалам, обладающим лучшими магнитными свойствам, относятся сплавы: альни, альниси, альнико и др. Они характеризуются  коэрцитивной силой Hc =20 000?60 000 А/м и остаточной индукцией Br=0,4?0,7 Тл. 
 

Таблица №2 "Магнитные  свойства некоторых магнито-твердых  материалов".

В таблице приведены  основные данные о магнитных свойствах  некоторых магнито-твердых материалов. Эти материалы намагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях и обладают большими значениями коэрцитивной силы Hc, большой остаточной магнитной индукцией Br, большими значениями плотности энергии магнитного поля ?=Br ?Hc и сравнительно малыми значениями магнитной проницаемости. 

Ферромагнетик Нс, А/м Вr, Tл ?max,Дж/м3 Свойства

Альни-3 40000 0,5 7200 Сплавы обладают большими значениями коэрцитивной силы и остаточной индукцией. Плотность 6900 кг/м3 (альни) и 7100 кг/м3 (альнико). Применяются для изготовления литых  постоянных магнитов.

Альнико-15 48000 0,75 12000

Альнико-18 52000 0,90 19400

Магнико 40000 1,23 32250 Высококоэрцитивный сплав, плотностью 7000кг/м3. Сплав используется для изготовления постоянных магнитов. Магниты из магнико  при равномерной магнитной энергии  в 4 раза легче магнитов из сплава альни. 

Экспериментальное изучение свойств ферромагнетиков. 

Большой вклад  в экспериментальное изучение свойств  ферромагнетиков внес А. Г. Столетов. Предложенный им экспериментальный  метод заключался в измерении  магнитного потока Фm в ферромагнитных кольцах при помощи баллистического гальванометра.

Тороид, первичная  обмотка которого состояла из N1 витков, имел сердечник из исследуемого материала (например, отожженного железа). Вторичная  обмотка из N2 витков была замкнута на баллистический гальванометр G (рис. А). Обмотка N1 включалась в цепь аккумуляторной батареи Б. Напряжение, приложенное к этой обмотке, а, следовательно, и силу тока I1 в ней можно было изменять с помощью потенциометра R1. Направление тока изменялось посредством коммутатора К.

При изменении  направления тока в обмотке N1 на противоположное, в цепи обмотке N2 возникал кратковременный индукционный ток  и через баллистический гальванометр проходил электрический заряд q, который  равен отношению взятого с  обратным знаком изменения потокосцепления вторичной обмотки к электрическому сопротивлению R в цепи гальванометра:

Если сердечник  тонкий, а площадь поперечного  сечения равна S, то магнитная индукция поля в сердечнике

Напряженность магнитного поля в сердечнике вычисляется по следующей формуле 

где Lср – средняя  линия сердечника.

Зная B и H можно  найти намагниченность

Рассмотрим еще  один способ экспериментального изучения свойств ферромагнетиков (на наш  взгляд один из наиболее наглядных).

Данный метод  аналогичен предыдущему, но отличие состоит в том, что в место гальванометра применяется электронный осциллограф. При помощи осциллографа Осц (см. ниже схему) мы получаем наглядное подтверждение явления магнитного гистерезиса, наблюдая петлю на экране прибора.

Рассмотрим устройство экспериментальной установки.

Напряжение снимаемое  с потенциометра Rр пропорционально  намагничивающему току I, а следовательно, напряженности поля в экспериментальном  образце Эо. Далее, сигнал, снимаемый  с реостата Rр, подается на вход (Х), т.е. на пластины горизонтального отклонения осциллографа.

С входа интегрирующей  цепочки (пунктирный прямоугольник  на схеме) снимается напряжение Uc, которое  пропорционально скорости изменения  магнитной индукции, т.е. подается на вход (Y) осциллографа, пластины вертикального отклонения.