4.6. Контрольные вопросы к главе IV.

1. Свойства и параметры диэлектриков.

2. Виды поляризации диэлектриков.

3. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков.

4. Абсолютная диэлектрическая проницаемость.

5. Ток утечки диэлектрика.

6. Сопротивление изоляции ЭО.

7. В чём заключается основное свойство сегнетоэлектриков?

8. Чем определяются диэлектрические потери?

9. Виды потерь в диэлектриках.

10. Что такое электрическая прочность твёрдых диэлектриков?

11. В чём сущность электрического пробоя диэлектриков?

12. Чем различаются термопластичные и термореактивные материалы?

13. Достоинства и недостатки органических диэлектриков.

14. Достоинства и недостатки неорганических диэлектриков.

15. Какие диэлектрики называются активными?

16. Виды, свойства, применение активных диэлектриков.

17. Сравнить лаки и компаунды.

18. Сравнить стёкла и керамику.

19. Виды, свойства, применение слюды.

20. Свойства, получение и применение полимеров.

21. Свойства, получение, применение стёкол.

22. Свойства, получение, применение керамики.

Глава V. Магнитные материалы.

5.1 Классификация.

Магнитные материалы обладают способностью намагничиваться в магнитном поле и сохранять намагниченность, а также имеют малое сопротивление прохождению магнитного потока.

Магнитные материалы используются как источники магнитного поля так и его проводники.

Намагничивание материалов связано с наличием магнитных моментов у частиц вещества. Суммарный магнитный момент атомов в единичном объёме называется намагниченностью. В зависимости от взаимодействия с магнитным полем материалы подразделяются на слабомагнитные и сильномагнитные. Связь между намагниченностью материала и магнитным полем оценивается магнитной восприимчивостью.

Слабомагнитные материалы:

Диамагнетики ослабляют внутри себя внешнее магнитное поле, т.к. их намагниченность направлена против внешнего поля (медь, серебро, золото и др.).

Парамагнетики усиливают внутри себя внешнее магнитное поле. Их намагниченность совпадает с направлением внешнего поля (алюминий, платина и др.).

Практическое применение в технике получили сильномагнитные материалы.

Ферромагнетики характеризуются способностью сильно намагничиваться даже в слабых магнитных полях (железо, никель, кобальт и др.).

Антиферромагнетики характеризуются антипараллельной ориентацией спинов соседних атомов.

Ферримагнетики имеют свойства похожие на ферромагнетики. Название получили от оксидных материалов  ферритов (соединений оксида железа Fe₂O₃ c оксидом металла MeO типа MeOFe₂O₃.

5.2 Свойства ферромагнетиков.

5.2.1. Ферромагнитные домены.

При отсутствии магнитного поля кристалл ферромагнетика разбивается на небольшие спонтанно намагниченные до насыщения объёмы  домены  размером 10^-410^-6м, в которых все магнитные моменты атомов ориентированы параллельно определенному кристаллографическому направлению. В образце происходит образование замкнутых магнитных магнитной цепей. Таким образом результирующий магнитный момент ферромагнетика оказывается равным нулю.

При помещении образца в магнитное поле, направленное по оси лёгкого намагничивания образца, происходит смещение границ доменов, увеличение объёма доменов, имеющих // . Появляется суммарная намагниченность . При увеличении напряжённости внешнего магнитного поля границы доменов смещаются, и четырёхдоменная структура превращается в однодоменную (рис.5.1). Образец намагничивается до насыщения.

Рис.5.1. Магнитная четырёхдоменная структура в магнитном поле: а – доменная структура при Н_вн. = 0; б и в – изменение доменной структуры в процессе намагничивания.

5.2.2. Магнитный гистерезис.

Магнитным гистерезисом называется отставание состояния намагниченности материала (магнитной индукции В) от изменения напряжённости внешнего магнитного поля Н.

В переменном магнитном поле происходит перемагничивание образца ферромагнетика. Получаемая при этом зависимость В(Н) называется петлёй магнитного гистерезиса. Каждому диапазону изменения напряжённости магнитного поля Н соответствует своя частная петля гистерезиса. При некоторой напряжённости магнитного поля Н = Н_S = Н_max достигается максимальная для данного вещества площадь предельной петли гистерезиса (рис.5.2).

Рис.5.2. Зависимость В(Н): 1 – предельная петля гистерезиса; 2 – частная петля гистерезиса; ОКН – основная кривая намагничивания; В_r – остаточная магнитная индукция; В_S – магнитная индукция насыщения; Н_C – коэрцитивная сила; Н_S – магнитная индукция насыщения.

Геометрическое место вершин симметричных частных петель гистерезиса в их семействе называется основной кривой намагничивания (ОКН). По форме ОКН похожа на кривую первоначального намагничивания но не совпадает с ней. Основная кривая намагничивания используется при расчётах электромагнитных устройств, работающих на переменном токе, т.к. связывает между собой В_мах и Н_мах при периодическом намагничивании магнитопроводов и сердечников.

По предельному гистерезисному циклу определяется остаточная магнитная индукция B_r (при Н = 0) и коэрцитивная сила Н_С (при В = 0).

Остаточная магнитная индукция B_r определяет степень намагниченности материала, а коэрцитивная сила Н_С  стабильность намагниченности.

5.2.3. Магнитная проницаемость.

Магнитная индукция в ферромагнитных материалах ФММ нелинейно зависит от напряжённости внешнего магнитного поля

,

где _а = ₀ Гн/м — абсолютная магнитная проницаемость;

₀ = 410^-7 Гн/м — магнитная постоянная (абсолютная магнитная проницаемость вакуума);

 = _а/₀ — относительная магнитная проницаемость

Магнитная индукция В характеризует величину магнитного поля в ФММ, а напряжённость Н — внешнее магнитное поле. Относительная магнитная проницаемость  показывает во сколько раз магнитная индукция В в ФММ больше, чем в вакууме.

Рис.5.3. Зависимость В(Н), μ(Н), μ_диф.(Н).

На рис. 5.3 приведены нелинейные зависимости В(Н) и (Н) для ОКН. Магнитная проницаемость вследствие нелинейной зависимости В(Н) не является постоянной величиной и зависит не только от свойств материала, но и от их магнитного режима. Магнитные поля соответствующие росту (Н) считаются слабыми. В сильных магнитных полях проницаемость уменьшается.

5.2.4. Магнитное сопротивление.

Магнитные материалы применяются для изготовления магнитопроводов электромагнитных аппаратов (электрических машин и трансформаторов), сердечников, катушек, дросселей, магнитных антенн.

Габариты электрических машин зависят от магнитной проницаемости материалов магнитопроводов в соответствии с законом магнитной цепи

,

где Ф — магнитный поток;

F = W I= Hl — магнитодвижущая сила;

R_M = l / _аS — магнитное сопротивление участка цепи;

l — длина магнитопроводов;

S — сечение магнитопровода;

_а — абсолютная магнитная проницаемость;

W — число витков катушки;

I — ток в катушке.

Магнитное сопротивление магнитопровода обратно пропорционально магнитной проницаемости материала магнитопровода. Магнитомягкие материалы с большой магнитной проницаемостью наиболее соответствуют требованиям снижения весов и габаритов электрооборудования.

5.2.5. Магнитные потери.

В переменном магнитном поле в ферромагнитных материалах возникают потери энергии на гистерезисе и вихревые токи.

Потери на гистерезисе связаны с затратами энергии на перемагничивание ФММ.

Потери пропорциональны частоте, амплитуде магнитной индукции В_м и объёму магнитопровода V. Коэффициент К_r учитывает свойства ФММ и габариты магнитопровода. Показатель степени n = 1,6 – 2,0.

Потери на вихревые токи определяются по формуле

Потери пропорциональны частоте и амплитуде магнитной индукции В_m и объёму магнитопровода. Коэффициент учитывает свойства ФММ и габариты магнитопровода. Для уменьшения р_в.Т. используют ФММ с высоким удельным сопротивлением, а магнитопровод набирают из тонких, изолированных пластин.

5.3. Магнитомягкие материалы.

Магнитные материалы в зависимости от величины коэрцитивной силы делятся на магнитомягкие (с узкой петлей гистерезиса и Н_С  0,8 кА/м) и магнитотвёрдые (с широкой петлёй гистерезиса и Н_С > 4 кА/м) (рис.5.4).

Рис.5.4. Петли гистерезиса. а, б – магнитомягких материалов; в – МММ с прямоугольной формой; г – магнитотвёрдых материалов.

Магнитомягкие материалы имеют высокое значение начальной относительной магнитной проницаемости _нач., способны намагничиваться до насыщения даже слабых полях, т.е. обладает малой коэрцетивной силой Н_С и имеют малые потери при перемагничивании.

Магнитомягкие материалы используются для изготовления магнитных систем, магнитопроводов, сердечников электрических машин и трансформаторов , а также индуктивных элементов электротехники и электротехники, САУ, ВТ.

К магнитомягким материалам относятся металлические материалы:

– ферромагнитное чистое железо ;

– низкоуглеродистые электрические стали (нелегированные и кремнистые);

– магнитомягкие сплавы на железно и железноникелевой основе;

– магнитомягкие ферриты;

- магнитодиэлектрики.