24. Потери энергии в магнитных материалах

Потери энергии в магнитных материалах – это энергия, которая расходуется не на полезные цели, а на нагревание магнитного материала. Полезные цели – запись, воспроизведение магнитной информации. Магнитные потери – Р. Р=Pгистерезиса+Рдинамических потерь. Рг –потери на перемагничивание, которые пропорциональны площади петли гистерезиса. Рдин=Р_{Вихр.Токи.} +Рпосл («посл» - явление, связанное с застреванием магнитных моментов на различных дефектах, неоднородностях структуры материала). Вт/кг , где - площадь петли гистерезиса, В – плотность. Вт/кг, где -квадрат индукции насыщения, d-толщина материала, η-коэф. Формы (сердечникам придают форму, чтобы токи не образовывали больших по площади контуров), D-плотность, p-удельное электрическое сопротивление Вт/кг. Р_В.Т. можно снизить применяя материалы с большим p (ферриты либо магнитодиэлектрики). Применяют сердечники П,Т,Ш – образной формы. Для характеристики потерь кроме мощности магнитных потерь вводят также тангенс угла магнитных потерь.

(верх. рис.) - идеальная характеристика.

Углом магнитных потерь называют угол, дополняющий фазовый угол между током и напряжением в индуктивной цепочке до 90⁰.

25. Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей. Магнитомягкие материалы для высоких и сверхвысоких частот.

Магнитный материал, используемый в переменных полях, должен иметь возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и вихревые токи.

Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением. Обычно магнитопроводы собирают из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. Широкое применение получили ленточные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с межвитковой изоляцией из диэлектрического лака. К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности, благодаря которой облегчается процесс изготовления изделий из них.

Важным требованием к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств как во времени, так и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические напряжения. Из всех магнитных характеристик наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная проницаемость (особенно в слабыз полях) и коэрцитивная сила.

Железо и низкоуглеродистые стали. Основным компонентом большинства магнитных материалов является железо. Само по себе железо в элементарном виде представляет собой типичный магнитомягкий материал, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей. Среди элементарных ферромагнетиков железо обладает наибольшей индукцией насыщения ( около 2,2 Тл).

Кремнистая электротехническая сталь (по ГОСТу электротехническая тонколистовая) является основным магнитомягким материалом массового потребления.

Низкокоэрцитивные сплавы. Пермаллои - железоникелевые сплавы, обладающие  весьма большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой. Пермаллои подразделяют на высоко- и низконикелевые. Высоконикелевые пермаллои содержат 72-80% никеля, а низконикелевые - 40-50% никеля. Магнитные свойства пермаллоев очень чувствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от химического состава и наличия инородных примесей в сплаве, а также очень резко изменяются в зависимости от режимов термообработки материала (температуры, скорости нагрева и охлаждения, окружающей среды и т.д.). Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев сложнее, чем низконикелевых.

Удельное сопротивление высоконикелевых пермаллоев почти в три раза меньше,  чем у низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои. Кроме того, магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается с увеличением частоты. Это объясняется возникновением в материале заметных вихревых токов из-за небольшого удельного сопротивления.

Под высокочастотными магнитомягкими материалами понимают вещества, которые должны выполнять функции магнетиков при частотах свыше нескольких сотен или тысяч герц. По частотному диапазону применения их в свою очередь можно подразделить на материалы для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот,  для высоких радиочастот и для СВЧ.

         По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на магнитоэлектрики и ферриты.

         Ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом.

         Большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в 103-1013 раз, а следовательно, и относительно незначительные потери энергии в области повышеных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике.

Для ферритов характерна относительно большая диэлектрическая проницаемость,  которая зависит от частоты и состава материала. С повышением частоты диэлектрическая проницаемость ферритов падает.