Электроника:Постоянный ток/Магнетизм и электромагнетизм/Магнитная проницаемость и насыщение

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Магнитная проницаемость и насыщение

Сейчас на примере нескольких графиков попробуем получше понять нелинейное поведение магнитной проницаемости материалов. На горизонтальной оси поместим величину напряжённости магнитного поля (H), равную отношению магнитодвижущей силы поля (МДС) к длине материала. На вертикальной оси будет отображена плотность магнитного потока, она же магнитная индукция (B), равная отношению полного магнитного потока к площади поперечного сечения материала.

Мы будем использовать величины напряжённости магнитного поля (H) и магнитной индукции (B) вместо силы магнитного поля (МДС) и полного магнитного потока (Φ), чтобы получаемая на графике кривая не зависела от физических размеров тестируемого материала. Таким образом мы покажем математическую взаимосвязь между магнитной силой поля (МДС) и магнитным потоком (Φ) для любого фрагмента определённого вещества (примерно тот же подход использован в одной из прошлых глав при описании удельного сопротивления материала в Ом-см-мил/фут вместо его фактического сопротивления в Ом).

Рис. 1. Математическая связь между силой магнитного поля и магнитным потоком для разных сплавов (хотя в качестве абсциссы выступает напряжённость магнитного поля, а ординаты – магнитная индукция).

Это так называемая кривая намагничивания (или кривая B-H) для любого данного материала. Обратите внимание, как магнитная индукция (т.е. плотность магнитного потока) для любого из вышеуказанных материалов (чугун, литая сталь и листовая сталь) выравнивается с увеличением интенсивности поля. Этот эффект известен как насыщенность. Когда приложенная магнитная сила мала (т.е. H имеет низкое значение), только у незначительного количества атомов электроны выравнивают свои спины в соответствии с магнитным потоком. Чтобы магнитное поле подействовало на остальные атомы, требуется дополнительная магнитодвижущая сила.

Однако по мере того, как на одну и ту же площадь поперечного сечения материала воздействует всё больший магнитный поток, в ферромагнетике остаётся всё меньше атомов, чьи электроны ещё не поменяли ориентацию спинов под воздействием дополнительной магнитодвижущей силы, и поэтому силы (H) требуется всё больше и больше, а эффект от этого всё меньше и меньше, всё меньше незадействованных атомов материала участвует в создании большей плотности потока (B). Деловые люди в таких случаях говорят, что от дополнительных вложений (H) профита (B) всё меньше и меньше. Именно из-за насыщения возможности электромагнитов с железным сердечником не безграничны.

Электромагниты с воздушным сердечником не насыщаются, но, с другой стороны, для того же количества витков провода и тока они просто не производят магнитный поток такой же силы, что с ферромагнитным сердечником.

Магнитный гистерезис

Есть ещё одно необычное явление, мешающее нашему анализу зависимости магнитного потока от магнитодвижущей силы – магнитный гистерезис. В самом общем случае, гистерезис – это задержка между входом и выходом в системе при изменении направления. Кто водил старый автомобиль с «ослабленным» рулевым управлением, что такое гистерезис знает не понаслышке: чтобы переключиться с левого поворота на правый (или наоборот), нужно дополнительно вращать баранку, чтобы преодолеть встроенное «отставание» (так называемый люфт) в системе механической связи между рулевым колесом и передними колёсами автомобиля.

В магнитной системе гистерезис наблюдается в ферромагнетиках, который остаются намагниченными некоторое время, даже после того, как внешнее магнитное поле на них уже не воздействует (та самая «удерживающая способность», упомянутая в первом разделе этой главы про постоянные магниты).

Давайте снова воспользуемся тем же графиком, только расширим оси координат, чтобы можно было отображать как положительные, так и отрицательные величины. Сначала мы приложим увеличивающуюся магнитодвижущую силу (например, пропустим ток через катушки нашего электромагнита). Мы увидим увеличение магнитной индукции (кривая будет уходить вверх и вправо) в соответствии с нормальной кривой намагничивания:

Рис. 2. Увеличиваем МДС, пропуская ток через катушку. На графике видно, что магнитная индукция и напряженность магнитного поля растут. В какой-то момент дальнейшее увеличение напряжённости уже не приводит к увеличению магнитной индукции.

Затем остановим ток, проходящий через катушку электромагнита, и посмотрим, что произойдет с магнитным потоком. Чтобы сравнить графики «до» и «после» первую кривую оставляем в системе координат:

Рис. 3. При отключении тока магнитная индукция и напряжённость магнитного поля падают. Но, сравнив с предыдущей кривой, видим, что H упала до нуля, а B нет.

Так как материал обладает удерживающей способностью, в сердечнике всё ещё есть магнитный поток при отсутствующей приложенной силе (тока через катушку нет, МДС взяться неоткуда). Некоторое время наш сердечник электромагнита действует как постоянный магнит. Теперь, пока катушка сохраняет свою намагниченность, медленно воздействуем на неё таким же количеством магнитного поля с такой же МДС, но при этом магнитное поле будет противоположной полярности (например, пустим ток по катушке в обратном направлении):

Рис. 4. Теперь снова воздействуем на ту же катушку магнитным потоком той же величины, но противоположной полярности. Кривые, отображающие предыдущие действия с катушкой оставлены на графике для сравнения.

Магнитная индукция теперь достигла точки, которая по абсолютному значению эквивалентна тому, что было при полном положительном значении напряженности поля (H), разве что направление напряжённости теперь отрицательное, а не положительное. Снова остановим ток, проходящий через катушку, и посмотрим, сколько остаётся потока:

Рис. 5. Снова прекращаем пропускать ток через катушку. Напряжённость магнитного поля падает до нуля, но в силу удерживающей способности некоторое количество магнитного потока в катушке ещё остаётся – значение для магнитной индукции ненулевое.

И снова, ввиду естественной удерживающей способности, в материале остаётся некоторый магнитный поток, при этом энергия на катушку не подаётся. Абсолютное значение для магнитной индукции то же, что и на рисунке 3, только знаки противоположны (что говорит о том, что остаточное магнитное поле будет обратной полярности). Возобновляем наши манипуляции с катушкой – снова подаём мощность в положительном направлении, и снова видим, что магнитная индукция достигает своего предыдущего пика в правом верхнем углу графика:

Рис. 6. Снова подаём ток, в том же направлении что и в самый первый раз. Магнитная индукция и напряжённость магнитного поля достигли тех же значений, что и на рисунке 2.

Получившаяся у нас S-образная криволинейная фигура – это так называемая кривая гистерезиса для ферромагнетиков для заданного набора крайних значений (как положительного, так и отрицательного) напряжённости H магнитного поля.

Пример гистерезиса в автомобилях

Рассмотрим гистерезис на примере аналогичного графика для сценария управления автомобилем. Один график построим для «тугой» (не имеющей задержки) системы рулевого управления, а другой – для «ослабленной»:

Рис. 7. График «идеальной» системы рулевого управления, которую на практике реализовать очень непросто. Ввиду отсутствия задержки, эффекта гистерезиса здесь нет.

Рис. 8. Такой график уже ближе к реалиям, тут отображена «ослабленная» система рулевого управления.

Как и в случае с автомобильными системами рулевого управления, гистерезис может принести проблемы. При разработке систем, где магнитный поток должен достигать точных величин при заданном значении силы тока, гистерезис может препятствовать достижению этой цели уже на этапе проектирования (из-за того, что величина магнитной индукции будет зависеть не только от силы тока, но и от того, насколько сильно было предыдущее намагничивание!). Точно так же «разболтанная» система недопустима в гоночном автомобиле, где необходимо точное и предсказуемое рулевое управление.

Кроме того, нейтрализация предыдущего намагничивания может оказаться бессмысленной тратой энергии, если ток, пропускаемый через катушку, будет переменным (AC), то есть, всё время будет менять своё направление на противоположное. Количество этой потерянной энергии можно оценить, исходя из площади фигуры, которую создаёт кривая гистерезиса.

Впрочем, в других случаях магнитный гистерезис приносит пользу. Например, когда магнитные материалы используются в качестве средства хранения информации (компьютерные диски, аудио- и видеокассеты). Тут уже желательно иметь возможность намагничивать частицы оксида железа (феррита) и полагаться на удерживающую способность материала, чтобы «запоминать» последнее намагниченное состояние.

Другим продуктивным применением магнитного гистерезиса является фильтрация высокочастотного электромагнитного «шума» (при быстро меняющихся скачка́х напряжения), который исходит от сигнальной проводки если её пропустить через середину ферритового кольца. Энергия, затрачиваемая на преодоление гистерезиса феррита, ослабляет мощность «шумового» сигнала. Интересно, что кривая гистерезиса феррита при этом довольно-таки экстремальна:

Рис. 9. Кривая гистерезиса для феррита имеет почти прямоугольную форму.

Итог

• Проницаемость материала меняется в зависимости от количества магнитного потока, проходящего через него.
• Конкретное отношение магнитодвижущей силы к магнитному потоку (или напряжённости магнитного поля H к магнитной индукции B) изображено в форме, называемой кривой нормального намагничивания.
• Для ферромагнитных материалов есть предел для магнитодвижущей силы магнитного поля, когда на него результативно воздействует магнитный поток. Это состояние известно как магнитное насыщение.
• Когда удерживающая способность ферромагнетика препятствует его перемагничиванию в противоположном направлении, возникает состояние, известное как гистерезис.