12.3. Ферромагнитные материалы в переменном магнитном поле

Зависимость индукции от напряженности магнитного поля опре­деляется статической петлей гистерезиса лишь при достаточно мед­ленных изменениях напряженности, о чем было сказано в п. 12.2. При достаточно быстрых перемагничиваниях, характерных для пе­ременного тока, образуются вихревые токи в толще магнитного ма­териала и проявляется влияние магнитной вязкости. Вихревые токи экранируют внутреннее сечение сердечника от действия внешнего поля и вытесняют переменный магнитный поток из этого сечения, что вызывает уменьшение магнитной проницаемости сердечника. Это явление называется поверхностным эффектом, и чем выше час­тота перемагничивания, тем больше проявляются действия вихре­вого тока. Появление вихревых токов влечет за собой дополнитель­ные потери энергии на перемагничивание сердечника. Вихревые токи создают намагничивающую силу (Н_с), направленную навстречу на­магничивающей силе обмотки. Поэтому при одинаковых измерени­ях индукции ток в обмотке должен быть тем больше, чем сильнее вихревые токи.

6

Напряженность, вычисленная по току в обмотке, будет тем больше, чем больше напряженность, определенная по ста­тической петле гистерезиса при одних и тех же значениях индукции. Это указывает на расширение петли гистерезиса, полученной на пе­ременном токе. Такие петли гистерезиса называют динамическими.

Площадь динамической петли гистерезиса при некоторой часто­те и определенной форме (например, синусоидальной) индукции ха­рактеризует потери энергии в единице объема ферромагнетика, пре­вращаемой в теплоту за один цикл перемагничивания. Эти потери создаются вихревыми токами, магнитной вязкостью и гистерезисом. Поэтому динамическая петля гистерезиса оказывается шире по срав­нению с петлей гистерезиса, полученной с помощью постоянных магнитов для одного и того же сердечника.

Влияние вихревых токов на петлю гистерезиса зависит от часто­ты переменного магнитного поля, электропроводности и магнитной проницаемости металла. На динамическую петлю гистерезиса боль­шое влияние оказывают форма кривой индукции и напряженность магнитного поля.

Для ослабления поверхностного эффекта сердечники набирают из листового материала, разделенного тонким слоем изолятора (лак, оксид магния и пр.), который препятствует прохождению вихревых токов.

Для измерения параметров динамической петли гистерезиса мож­но воспользоваться электрической схемой, представленной на рис. 100. Схема состоит из соленоида 6 и сердечника из ферромагнитного ма­териала. Последовательно с обмоткой соленоида включен амперметр РА2 для измерения намагничивающего тока . Регулирование напря­жения выполняется автотрансформатором АТ7 и резистором R.1. Ав­тотрансформатор подключен к источнику переменного тока.

Рис. 100. Схема измерения динамической петли гистерезиса.

1 – резистор; 2 – амперметр; 3 – измерительная катушка поля; 4 – SА - переключатель; 5 - измерительная обмотка индуктивности; 6 – соленоид; 7 – автотрансформатор; АТ; 8 – вольтметр.

7

На ферромагнитный стержень намотана измерительная обмотка 5 с числом витков w₂ Действующее переменное напряжение на кон­цах обмоток определяется по показаниям вольтметра РV8. Для по­строения динамической кривой индукции сердечника при слабом намагничивании достаточно определить амплитудные значения на­пряженности магнитного поля Н_м и индукции В_м. Амплитудное зна­чение напряженности магнитного поля можно определить непосредственным его измерением с помощью измерительной катушки 3, располагающейся на поверхности образца, А/см:

При измерении катушку располагают таким образом, чтобы век­тор напряженности магнитного поля был направлен перпендикуляр­но плоскости витков катушки. Амплитудное значение индукции В_м определяют по величине действующего напряжения на концах ка­тушки 5 вольтметром РV, в Тл;

Отношение максимальной магнитной индукции В_м к магнитно­му значению напряженности магнитного поля Н_м определяет амп­литудную магнитную проницаемость:

Амплитудная проницаемость при малых частотах практически совпадает с проницаемостью, определенной на постоянном токе по основной кривой намагничивания. В сильных магнитных полях фор­мы кривой магнитной индукции и напряженности магнитного поля искажаются, становятся отличными от синусоидальной формы. Если активное сопротивление R в цепи намагничивания будет мало по от­ношению к индуктивному сопротивлению соленоида wL_с (R < wL_с), кривая индукции останется синусоидальной, а кривая напряжен­ности магнитного поля приобретет несинусоидальную форму. Если активное сопротивление R будет намного больше индуктив­ного (R > wL_с), сопротивления, можно считать, что намагничиваю­щий ток и напряженность магнитного поля Н будут изменяться по синусоидальному закону вследствие того, что падение напряжения на реактивном сопротивлении U_L мало по сравнению с питающим напряжением U.

8

Тогда приближенно:

i = U/R = U_m sin wtl R

В ряде современных дефектоскопических устройств и измеритель­ных приборов ферромагнитный материал работает в режиме одно­временного намагничивания постоянным и переменным магнитны­ми полями. Магнитное состояние металла в этом случае изменяется по несимметричной динамической петле. Кривая индукции В при воздействии постоянного и переменного магнитных полей содержит значительную основную и вторую гармонические составляющие. При определенных значениях переменного поля Н_пер. амплитуда вто­рой гармоники кривой индукции изменяется пропорционально на­пряженности постоянного магнитного поля Н_пост.

На этом принципе основана работа феррозондовых измерителей остаточных магнитных полей и феррозондовых дефектоскопов для контроля деталей из ферромагнитных металлов и сплавов.

9