8.1.3. Общая характеристика магнитных материалов
Магнитные поля создаются постоянными магнитами или электромагнитами, представляющими собой катушки с обмотками, намотанными на ферромагнитные сердечники. В том случае, когда по металлическому проводу катушки протекает электрический ток I, в ее объеме возникает магнитное поле, характеризуемое векторами напряженности HI и индукции BI. Воздействие этого поля на материал сердечника приводит к тому, что сердечник намагничивается, и катушка становится идентичной магниту – создается электромагнит.
В
ещества
различаются по своим магнитным свойствам,
поскольку они намагничиваются по-разному.
Например, в ферромагнитных материалах
особых областей магнитных
доменов,
характеризующихся спонтанной
намагниченностью.
Степень намагничивания характеризуется вектором намагниченности вещества J. Модуль | J|, определяющий магнитный момент единицы объема, связан с напряженностью магнитного поля:
J = H, А/м, (8.32)
где магнитная восприимчивость, характеризующая свойство материала намагничиваться.
При этом намагничивающий сердечник создает добавочное магнитное поле, которое усиливает (а иногда и ослабляет) поле токов катушки.
Вектор магнитной индукции ВJ намагниченного сердечника и вектор намагниченности J материала связаны соотношением:
ВJ = 0 J. (8.33)
В
ектор
магнитной индукции В
результирующего поля намагниченной
среды равен геометрической сумме вектора
магнитной индукции, равного
BI
= 0НI
и обусловленного протеканием тока через
обмотку (проводник) катушки и магнитной
индукции ВJ
поля, связанного с намагниченным
сердечником:
В = ВJ + BI = 0(J + Н). (8.34)
Очевидно, что в зависимости от направлений векторов индукции ВJ и BI суммарный вектор В может быть меньше или больше значения индукции BI, характеризующей магнитное поле без сердечника.
Статической относительной магнитной проницаемостью (чаще, просто, магнитная проницаемость) называется отношение магнитной индукции В в ферромагнетике к магнитной индукции поля в вакууме при одном и том же значении напряженности Н (при одном токе катушки I):
= В/BI =B/0H. (8.35)
В = 0H. (8.36)
Фактически уравнение (8.36) отражает тот факт, что ферромагнитные материалы многократно (в раз) усиливают индукцию магнитного поля, создаваемого катушкой с током в вакууме.
В объеме V катушки, по обмоткам которой протекает электрический ток I, накапливается энергия магнитного поля W, величина которой, согласно теории Максвелла, рассчитывается по соотношению:
W = BHV/2 = 0H2V/2. (8.37)
На примере тороидальной катушки с учетом (8.26) - (8.29) можно показать:
W = BHV/2 = 0H 2V/2 = 0H 2Slср/2 = 0I 2w2S/2lср = LI 2/2. (8.38)
Запасаемая энергия магнитного поля зависит не только от величины тока I, протекающего по виткам катушки, но и от величины индуктивности катушки L. Учитывая взаимосвязь (8.26) между L и сердечника, очевидно, что максимальное значение мах характеризует материал с точки зрения возможного использования его для наибольшего усиления магнитного поля, запасаемого в магнитном сердечнике катушке.
Для увеличения величины индуктивности необходимо либо увеличивать число витков w катушки, доводя их до нескольких тысяч, либо выбирать материал сердечника с величиной мах достигающей десятки тысяч или более.
Вещества по магнитным свойствам, в том числе по значению , подразделяются на классы: диа-, пара- и ферромагнитные.
К
диамагнитным
материалам относятся медь (
= 0,999995), серебро
(0,999981), золото,
висмут и другие. В магнитное поле
напряженностью Н
диамагнетик
намагничивается так, что вектор
намагниченности J
материала направлен против вектора Н;
магнитная восприимчивость,
рассчитываемая с учетом (8.26)-(8.28) по
соотношению
= J/H= 1, (8.39)
в данном случае отрицательна. Поскольку для диамагнитных материалов 104… 108, то 1. Другими словами, диамагнетик ″немного″ уменьшает внешнее поле. Для диамагнетиков характерна независимость или слабая зависимость магнитной восприимчивости от температуры.
Представителями парамагнитных материалов являются воздух ( = 1,0000031), алюминий (1,000023), олово (1,0000022), палладий, платина и другие. В парамагнетике вектор намагниченности J совпадает с направлением вектора напряженности Н. Магнитная восприимчивость для парамагнетика является положительной величиной, но изменяется в пределах +103…+104, т.е. относительная магнитная проницаемость 1. Т.е. парамагнетик ″немного″ увеличивает внешнее поле.
С учетом малости величины относительной магнитной проницаемости диамагнитные и парамагнитные вещества в электротехнике относят к немагнитным материалам.
Ферромагнитные вещества - материалы, сильно притягивающиеся постоянным магнитом. К ним относятся, например, металлы - железо, кобальт, никель и их сплавы, ферриты. Магнитная восприимчивость этих материалов достигает значений 105 106, что наиболее ценно для создания сильных электромагнитных полей.
Характеристики и ферромагнитных веществ изменяются не только от напряженности магнитного поля, в котором находится магнетик, но и от температуры материала.