Назначение магнитных материалов. Общие сведения о параметрах и характеристиках магнитных материалов

Известно, что в каждом электрическом аппарате и в каждой электрической машине для нормальной работы должен существовать магнитный поток, поэтому при конструировании любого электрооборудования возникает необходимость в материалах, которые были бы хорошими проводниками магнитного потока и создавали бы нужную для работы конфигурации магнитного поля. Для этого служат магнитные материалы, которые в электрических машинах и аппаратах выполняют роль проводников магнитного потока, или как их называют, магнитопроводов. Они же могут служить и источниками магнитного потока.

Из сказанного следует, что магнитные материалы являются основой современных генераторов, двигателей, трансформаторов, приборов автоматики и измерительной техники. От качества магнитных материалов зависят габариты электрических машин и их мощность на единицу веса.

Чтобы понять, что происходит в веществе при помещении его в магнитное поле, рассмотрим сначала кратко основные характеристики магнитного поля, а затем - процессы намагничивания вещества.

Известно, что движущиеся электрические заряды создают вокруг себя особый вид материи - магнитное поле. Магнитное поле обладает энергией и способно проникать через многие вещества и через вакуум. В качестве основной количественной оценки магнитного поля принято считать плотность магнитного потока - магнитную индукцию B. В системе СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл). Магнитная индукция - векторная величина, которая в каждой точке поля имеет свою величину и направление. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки, помещенной в данную точку магнитного поля.

Для того, чтобы наглядно изобразить магнитное поле графически, введено понятие о линиях магнитной индукции. Их проводят так, чтобы направление касательной в каждой точке линии совпадало с направлением вектора магнитной индукции в этой точке, а густота линий в каждой точке была бы пропорциональна величине магнитной индукции в данной точке. Там, где поле сильнее, силовые линии расположены гуще (рис.5.1).

Величина магнитной индукции определяет силу, действующую на проводник с током, и величину индуктированной ЭДС в движущемся проводнике. Силовое действие магнитного поля на практике используется в электродвигателях, а индукционное действие в электрогенераторах и трансформаторах.

а) б)

Рис.5.3 В замкнутом сердечнике магнитный поток проходит по веществу (а). При разомкнутом сердечнике магнитный поток частично проходит по веществу и частично по воздуху (б).

Рис.5.4. Электронные оболочки и подоболочки в атоме железа. Электроны незаполненной подоболочки 3d являются элементарными «магнитиками» атома железа.

Поскольку магнитное поле создается движущимися зарядами, т.е. электрическим током, то магнитная индукция пропорциональна току, создающему данное магнитное поле

Чем больше величина электрического тока, тем сильнее магнитное поле, т. е. тем больше величина магнитной индукции.

Количественная связь магнитного поля с электрическим током в вакууме для замкнутого контура выражается опытным законом:

,. (5.1)

где w- число витков, по которым протекает ток I;

- индукция в каждой точке замкнутого контура интегрирования l в вакууме.

Коэффициент пропорциональности для вакуума m₀ = 4p10^-7 Гн/м называют магнитной постоянной. Величину Iw называют магнитодвижущей силой (МДС). Часто ее обозначают буквой F. МДС измеряется в амперах (А). Уравнение (5.1) выражает непрерывную связь магнитного поля и электрического тока.

Если магнитное поле в контуре интегрирования однородное, то есть величина магнитной индукции постоянная вдоль всего контура интегрирования, и направление ее совпадает по направлению с , например для контура интегрирования внутри тороидальной катушки (рис.5.2), то уравнение (5.1) можно записать как

или

(5.2)

здесь - длина контура интегрирования вдоль окружности радиусом , т.е. длина средней линии магнитного потока.

МДС, приходящаяся на единицу длины линии магнитного поля , обозначается H и называется напряженностью магнитного поля. Напряженность магнитного поля измеряется в А/м. Таким образом, связь магнитной индукции с напряженностью магнитного поля для вакуума будет иметь вид:

(5.5)

Все приведенные выше рассуждения относились к случаю, когда мы рассматривали магнитное поле в вакууме или в воздухе (магнитные свойства воздуха практически такие же как и вакуума). Магнитное поле в вакууме определялось только токами, протекающими в проводах. Эти токи называют внешними. Если внешние токи создают магнитное поле в каком-либо веществе, то вещество за счет своей намагниченности определенным образом изменяет магнитное поле внешних токов, создавая свое добавочное магнитное поле. Это добавочное магнитное поле существует благодаря вращению электронов вещества по орбитам вокруг положительно заряженных ядер и вокруг собственной оси.

Движение электронов внутри атома или молекулы в соответствии с моделью Бора можно рассматривать как элементарные внутриатомные и внутримолекулярные токи, т.е. элементарные магнитики. Поэтому добавочное магнитное поле, возникающее в результате намагничивания вещества, называют полем элементарных (внутренних) токов. Эти токи обладают магнитными моментами. Магнитный момент m равен произведению циркулирующего тока i на площадь S, охватываемую этим током:

(5.4)

При орбитальном движении электронов в атомах возникают орбитальные магнитные моменты, а при вращении электронов вокруг своей оси – спиновые (вращательные или торсионные) магнитные моменты. Результирующий орбитальный магнитный момент определяют путем суммирования орбитальных магнитных моментов отдельных атомов.

Подробнее этот вопрос рассмотрен в разделе ферромагнитные вещества.

При рассмотрении процессов намагничивания вещества вместо магнитных моментов чаще бывает удобнее пользоваться понятием дополнительного тока намагничивания , вызванного действием всех электронов, вращающихся вокруг положительно заряженных ядер вещества.

При отсутствии внешнего магнитного поля внутримолекулярные токи в веществе направлены в разные стороны и результирующее действие их равно нулю. Когда же на вещество воздействует внешнее магнитное поле, то все внутримолекулярные токи ориентируются в одну сторону и создают дополнительный ток . Дополнительный ток, приходящийся на единицу длины в веществе обозначают J и называют намагниченностью вещества. Намагниченность равна сумме всех элементарных токов на единицу длины и измеряется так же как и напряженность магнитного поля в А/м. Таким образом, результирующее магнитное поле в веществе складывается из двух полей: поля внешних токов I и поля внутренних токов .

Пусть магнитное поле, создаваемое током I, протекающим по катушке с числом витков w (рис.5.5,а), возбуждает магнитное поле в веществе, из которого выполнен сердечник. В этом случае зависимость между магнитной индукцией в сердечнике B и МДС будет выражаться соотношением:

, (5.5)

здесь - дополнительный ток намагничивания, вызванный действием электронов, вращающихся вокруг положительно заряженных ядер вещества;

- намагниченность вещества.

Намагниченность вещества J пропорциональна напряженности внешнего магнитного поля:

. (5.6)

Безразмерный коэффициент называется магнитной восприимчивостью вещества. Он характеризует способность материала намагничиваться в магнитном поле. Окончательно можно записать:

(5.7)

Коэффициент пропорциональности , учитывающий дополнительное действие намагниченности J, называют относительной магнитной проницаемостью вещества, из которого изготовлен сердечник. Произведение называют абсолютной магнитной проницаемостью вещества. Относительная магнитная проницаемость является важной практической характеристикой магнитных материалов. Она показывает, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость данного материала больше абсолютной магнитной проницаемости вакуума, которая равна магнитной постоянной: . (5.8)

Отсюда следует, что относительная магнитная проницаемость вакуума равна единице. Выражение для относительной магнитной проницаемости можно записать так:

(5.9)

Намагниченность вещества J может как усиливать, так и ослаблять магнитное поле катушки. Если намагниченность J направлена так, что усиливает внешнее магнитное поле, то вещество называют парамагнетиком, а если ослабляет, то диамагнетиком.

Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительная и . Для диамагнетиков магнитная восприимчивость отрицательная и .

К парамагнетикам относятся щелочные и щелочноземельные металлы, соли железа, кобальта, никеля, алюминий, олово, титан, цирконий, эбонит. Это вещества с не полностью заполненными электронными оболочками и при отсутствии внешнего поля атомы парамагнетиков обладают магнитными моментами.

К диамагнетикам относятся золото, серебро, медь, цинк, свинец, кремний, германий и инертные газы. Это вещества с полностью заполненными электронными оболочками, т.е. не обладающие магнитными моментами при отсутствии внешнего поля

Пример 5. 1. Магнитная восприимчивость меди равна . Определить намагниченность J в медном проводе помещенном в однородное магнитное поле напряженностью 600 А/м.

Решение. Намагниченность вещества связана с напряженностью магнитного поля соотношением: А/м.

Пример 5.2. При напряженности магнитного поля H =500кА/м магнитотвердый сплав имеет магнитную индукцию B =1,256Тл. Определить намагниченность материала.

Решение. Намагниченность магнитотвердого сплаваопределяется по формуле:

Магнитная восприимчивость парамагнетиков и диамагнетиков очень незначительная и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. В парамагнетиках и диамагнетиках усиление и ослабление магнитного поля происходит очень незначительно. Например, магнитная восприимчивость парамагнетиков составляет от 10^-5 до 10^-6, а диамагнетиков от -10^-6 до -10^-7 Эти вещества называют слабомагнитными. При практических расчетах электротехнических устройств их магнитные свойства не учитываются. Принимают, что индукция и напряженность в них связаны соотношением B₀ = m₀H.

Наряду со слабомагнитными веществами существуют и сильномагнитные вещества, которые усиливают магнитное поле в десятки тысяч раз. Такие вещества называют ферромагнетиками, поскольку их главным представителем является железо (Fe) и его сплавы. Химические соединения оксида железа (Fe₂O₅) с оксидами других металлов называют ферримагнетиками или ферритами. Подобно ферромагнетикам они также обладают высокой магнитной восприимчивостью. Ферримагнетики отличаются от ферромагнетиков меньшей индукцией насыщения и тем, что имеют более высокое значение удельного электрического сопротивления за счет того, что они не являются металлами.

Ферромагнетики и ферримагнетики представляют большой интерес для практики и в дальнейшем мы будем рассматривать именно эти вещества. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков доходит до значения 10⁶ и сильно зависит от температуры и напряженности магнитного поля. Как будет показано ниже, ферромагнитные вещества содержат атомы с незаполненными электронными оболочками и поэтому обладающие магнитным моментом

Наряду с ферромагнетиками существуют и антиферромагнетики. В антиферромагнетиках происходит антипараллельная ориентация магнитных моментов соседних ионов и магнитные моменты взаимно компенсируются. К антиферромагнетикам относятся хром и марганец.

В заключении отметим, что если магнитное поле частично проходит по воздуху, а частично по веществу (рис.5.5.б), то очевидно, что напряженности в веществе и в воздухе будут разными и будут определяться по формуле;

.

Для замкнутого контура всегда будет справедливо равенство:

(5.10)

Уравнение (5.10) называют законом полного тока и используют для расчета магнитных цепей. В простейших случаях при наличии симметрии закон полного тока упрощается и записывается без интеграла, как это показано в приведенном ниже примере.

Пример 5.5. Найти напряженность H₀ и индукцию B₀ в вакууме для точки, отстоящей на 4 см от центра прямолинейного провода с током I = 25 А (Рис.5.1,а).

Решение. Из условий симметрии, применяя формулу (5.10), запишем:

. Отсюда: .

Магнитная индукция в вакууме:

B₀ = m ₀ H₀ = 4 p× 10^-7 100 = 12,56 10^-5 Тл

Итак, явления, наблюдаемые в магнитных материалах под действием магнитного поля, внешне напоминают явления, происходящие в диэлектриках, находящихся в электрическом поле. Диэлектрики в электрическом поле поляризуются и в результате этого обусловливают изменение электрического поля. Магнитные материалы намагничиваются в магнитном поле и так же изменяют его. Однако диэлектрик поляризуется так, чтобы ослабить поле внутри себя, а магнитные материалы (ферромагнетики и ферримагнетики) намагничиваются так, чтобы увеличить поле внутри себя.