Что такое кривая намагничивания материала

Основная кривая намагничивания ферромагнитных материалов

Петля гистерезиса ферромагнитных материалов, остаточная магнитная индукция и коэрцитивная сила.

Магнитный гистерезис — явление зависимости вектора намагничивания и вектора напряженности магнитного поля в веществе не только от приложенного внешнего поля, но и от предыстории данного образца. Магнитный гистерезис обычно проявляется в ферромагнетиках — Fe, Co, Ni и сплавах на их основе. Именно магнитным гистерезисом объясняется существование постоянных магнитов.

Стрелками указано направление процессов намагничивания и размагничивания ферромагнитного образца при изменении индукции B₀ внешнего магнитного поля

1 – электротехническая сталь, 2 – литая сталь, 3 – чугун.

Кривая намагничивания. Процесс намагничивания ферромагнитного материала можно изобразить в виде кривой намагничивания (рис. 44, а), которая представляет собой зависимость индукции В от напряженности Н магнитного поля. Так как напряженность магнитного поля определяется силой тока, посредством которого намагничивается ферромагнитный материал, эту кривую можно рассматривать как зависимость индукции от намагничивающего тока I.

Кривую намагничивания можно разбить на три участка: Оа, на котором магнитная индукция возрастает почти пропорционально намагничивающему току (напряженности поля); аб, на котором рост магнитной индукции замедляется («колено» кривой намагничивания), и участок магнитного насыщения за точкой б, где зависимость В от H становится опять прямолинейной, но характеризуется медленным нарастанием магнитной индукции при увеличении напряженности поля по сравнению с первым и вторым участками кривой.

Следовательно, при большом насыщении ферромагнитные вещества по способности пропускать магнитный поток приближаются к неферромагнитным материалам (магнитная проницаемость их резко уменьшается). Магнитная индукция, при которой происходит насыщение, зависит от рода ферромагнитного материала.

Рис. 44. Кривая намагничивания ферромагнитного материала (а) и петля гистерезиса (б)

Чем больше индукция насыщения ферромагнитного материала, тем меньший намагничивающий ток требуется для создания в нем заданной индукции и, следовательно, тем лучше он пропускает магнитный поток.

Магнитную индукцию в электрических машинах, аппаратах и приборах выбирают в зависимости от предъявляемых к ним требований. Если необходимо, чтобы случайные колебания намагничивающего тока мало влияли на магнитный поток данной машины или аппарата, то выбирают индукцию, соответствующую условиям насыщения (например, в генераторах постоянного тока с параллельным возбуждением). Если желательно, чтобы индукция и магнитный поток изменялись пропорционально намагничивающему току (например, в электроизмерительных приборах), то выбирают индукцию, соответствующую прямолинейному участку кривой намагничивания.

Перемагничивание ферромагнитных материалов, петля гистерезиса. Большое практическое значение, особенно в электрических машинах и установках переменного тока, имеет процесс перемагничивания ферромагнитных материалов. На рис. 44, б показан график изменения индукции при намагничивании и размагничивании ферромагнитного материала (при изменении намагничивающего тока I или напряженности магнитного поля Н). Как видно из этого графика, при одних и тех же значениях напряженности магнитного поля магнитная индукция, полученная при размагничивании ферромагнитного тела (участок а—б—в), будет больше индукции, полученной при намагничивании (участки О — а и д — а). Когда напряженность поля (намагничивающий ток) будет доведена до нуля, индукция в ферромагнитном материале не уменьшится до нуля, а сохранит некоторое значение В_r соответствующее отрезку Об. Это значение называется остаточной индукцией.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Основная кривая намагничивания.

Магнитные материалы, вещества, магнитные свойства которых обусловливают их применение в технике (электротехнике, вычислительной технике, электронике, радиотехнике и других областях). Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитное поле намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля. Основной характеристикой процесса намагничивания является основная кривая намагничивания – зависимость магнитной индукции B в ферромагнетики от напряженности магнитного поля H.

Основная кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании. Основная кривая намагничивания является важнейшей ха­рактеристикой магнитных материалов. Она отвечает требовани­ям хорошей воспроизводимости и широко используется для ха­рактеристики намагничивания материалов в постоянных полях. На основной кривой намагничивания принято различать три участка — начальный, соответствующий нижнему колену кри­вой; участок быстрого возрастания индукции (намагниченности); участок насыщения (выше верхнего колена кривой). При циклическом перемагничивании кривая намагничивания образует гистерезисную петлю.

58) магнитные материалы, процессы при намагничивании Ферромагнетиков, (петля гистерезиса).

Магнитные материалы, вещества, магнитные свойства которых обусловливают их применение в технике (электротехнике, вычислительной технике, электронике, радиотехнике и других областях). Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитное поле намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля. Основная кривая намагничивания имеет ряд характерных участков, которые можно условно выделить при намагничивании монокристалла ферромагнетика. Первый участок кривой намагничивания соответствует процессу смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. На втором участке происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля. Третий участок соответствует парапроцессу, т.е. завершающему этапу процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия, не сориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика. Магнитный гистерезис — явление зависимости вектора намагничивания и вектора напряженности магнитного поля в веществе от приложенного внешнего поля. Магнитный гистерезис обычно проявляется в ферромагнетиках — Fe, Co, Ni и сплавах на их основе. Именно магнитным гистерезисом объясняется существование постоянных магнитов. Кривая намагничивания B (B₀) ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса (рис.1.)

Петля гистерезиса ферромагнетика. Стрелками указано направление процессов намагничивания и размагничивания ферромагнитного образца при изменении индукции B₀ внешнего магнитного поля.

Магнитные материалы. Виды потерь в ферромагнитных материалах.

Магнитные материалы – вещества, магнитные свойства которых обусловливают их применение в технике (электротехнике, вычислительной технике, электронике, радиотехнике и других областях). Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитное поле намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля. При периодическом перемагничивании

ферромагнитного вещества затрачивается определенная энергия, которая выделяется в виде тепла, вызывая нагревание ферромагнитного вещества.

Потери энергии, связанные с процессом перемагничивания стали, называют потерями на гистерезис. Значение этих потерь при каждом цикле перемагничивания пропорционально площади петли гистерезиса. Потери мощности на гистерезис пропорциональны квадрату максимальной индукции

В_mах и частоте перемагничивания f. Поэтому при значительном увеличении индукции в магнитопроводах электрических машин и аппаратов, работающих в переменном магнитном поле, эти потери резко возрастают.

Магнитострикция.

Намагничивание ферромагнитных материалов всегда сопровождается изменением их линейных размеров. Это явление получило название магнитострикции. Количественно магнитострикцию характеризуют величиной, называемой константой магнитострикции, которая фактически является относительным удлинением образца при намагниченности до состояния технического насыщения. Численное значение величины магнитострикции, невелико, и к тому же она не является постоянной величиной данного материала. С изменением напряженности магнитного поля изменяется и ее знак. Необычайно высокая магнитострикция у редкоземельных элементов и их соединений. Эффект магнитострикции обратим: механическая деформация материала вызывает изменения состояния его намагниченности. Прямой и обратный магнитострикционные эффекты широко применяют в приборостроении (реле, фильтры, преобразователи). Магнитострикционными называют магнитные материалы, применение которых основано на явлении магнитострикции и магнитоупругом эффекте, т. е. изменении размеров тела в магнитном поле и изменении магнитных свойств материала под влиянием механических воздействий. Магнитострикция наблюдается и в поликристаллических материалах, причем наибольшая – у никеля. Он сохраняет свое значение и в настоящее время, хотя вытесняется другими магнитострикционными материалами. Ценными свойствами никеля являются высокая стойкость к коррозии и малый температурный коэффициент модуля упругости. Среди магнитострикционных материалов есть как чистые металлы, так и сплавы, и ферриты. Ферриты являются магнитострикционными материалами для высоких частот. При эксплуатации магнитное состояние сердечника магнитострикционного преобразователя определяется одновременным воздействием переменного и постоянного полей. Сплав платины с железом обладает большой константой магнитострикции, однако он дорогой и поэтому имеет весьма ограниченное применение. Недостатком железокобальтовых и железоалюминиевых сплавов являются низкая пластичность, затрудняющая механическую обработку, и низкая антикоррозионная устойчивость, препятствующая использованию таких преобразователей в водной среде. Широкое применение находит ферритовая керамика. По сравнению с никелем и металлическими сплавами магнитострикционные ферриты имеют ряд преимуществ. Благодаря высокому удельному сопротивлению в них малы потери на вихревые токи, поэтому отпадает необходимость расслаивать материал на отдельные пластины. В отличие от металлических сплавов ферриты не подвержены действию химически агрессивных сред. С помощью керамической технологии можно изготовить преобразователи практически любых форм и размеров. Из магнитострикционных материалов изготавливают сердечники электромеханических преобразователей (излучателей и приемников) для электроакустики и ультразвуковой техники, сердечники электромеханических и магнитострикционных фильтров и резонаторов, линий задержки. Их используют также в качестве чувствительных элементов магнитоупругих преобразователей, применяемых в устройствах автоматики и измерительной техники. Применяются в качестве преобразователей электромагнитной энергии в другие виды (например, в механическую.), датчиков давления и т. п.

Источник

Методы моделирования основной кривой намагничивания

Методы моделирования основной кривой намагничивания

Процессы, происходящие в силовых и измерительных трансформаторах, описываются системой уравнений, составленной для электрической и магнитной цепи. Магнитная цепь представляет собой сердечник, в котором замыкается магнитный поток, создаваемый магнитодвижущей силой. Для уменьшения активных потерь из-за образования вихревых токов сердечники электротехнических устройств составляют их шихтованных листов ферромагнитного материала. Под действием внешнего магнитного поля (H), созданного током в катушке, наложенной на стальной магнитопровод, происходит процесс ориентации доменов в магнитопроводе и смещение их границ. Это приводит к намагничиванию (M) стального магнитопровода, причем намагниченность увеличивается с увеличением внешнего магнитного поля. Зависимость намагниченности материала от напряжённости магнитного поля M(H) (или B(H)) называется кривой намагничивания (magnetization curve), которая обычно представлены исследователю в виде формул, графиков или таблиц. Также следует отметить, что ферромагнитный материала обладает способностью сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля.

При намагничивании предварительно размагниченного образца различают следующие типы зависимостей (кривых намагничивания):

— Начальная кривая намагничивания – это зависимость, которую получают при монотонном увеличении напряженности магнитного поля (Н);

— Безгистерезисная (идеальную) кривая намагничивания – это зависимость, которую получают при одновременном действии постоянного поля и переменного поля с убывающей до нуля амплитудой.

— Основная кривая намагничивания, представляющая собой геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса, получающихся при циклическом перемагничивании.

Начальная кривая намагничивания зависит от случайных причин, например от механических сотрясений, колебаний температуры, характера изменения намагничивающего поля и т.д. Следовательно, начальная кривая намагничивания не может быть использована для сравнительной оценки свойств различных материалов.

Рис.1. Основная кривая намагничивания (а) и безгистерезисная кривая намагничивания (б).

Основная кривая намагничивания, напротив, является важнейшей характеристикой магнитных материалов, которая не подвержена внешним факторам. Основная кривая намагничивания обычно мало отличается от начальной кривой намагничивания, но не совпадает с ней. Основная кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании (см. рис. 2) и отражает изменение магнитной индукции (В) от напряженности магнитного поля (Н), которое создается в материале при намагничивании. Для получения основной кривой намагничивания снимается ряд петель гистерезиса для различных токов.

Рис.2. Симметричные циклы магнитного гистерезиса и основная кривая намагничивания

Основная кривая намагничивания используется при технических расчетах магнитных цепей, когда требуется исследовать (моделировать) нелинейные индуктивные элементы. Основная кривая намагничивания представлена в виде зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля B(H) или обратной функциональной зависимостью H(B). На основной кривой намагничивания принято различать три участка: начальный, соответствующий нижнему колену кривой, второй участок соответствует быстрому возрастанию индукции и третий участок соответствует насыщению стали сердечника.

В качестве примера представим в табличной форме кривую намагничивания стали 2312, которая имеет следующую зависимость:

Источник

Кривая намагничивания и петля гистерезиса

кривая намагничивания и петля гистерезиса показывают процесс изменения намагниченности ферромагнетиков. Кривая намагничивания (рис. 11) представляет собой графическое изображение зависимости (25)

Рис. 11. Кривая намагничивания и петля гистерезиса

схема снятия кривой намагничивания ферромагнитного стержня, помещенного в соленоид, по обмотке которого протекает электрический ток I, приведена на рис. 12, а. значение тока можно изменять реостатом R. Соленоид создает направленное по оси стержня поле в соответствии с формулой (15).

В начальный момент цепь тока I разомкнута, напряженность Н и намагниченность М стержня равны нулю, домены ориентированы произвольно и магнитный момент При замыкании цепи и постепенном увеличении тока от нуля растет напряженность Н. Границы между доменами перемещаются так, что объем доменов с ориентацией магнитных моментов по намагничивающему полю Н растет за счет доменов других направлений. Магнитная индукция в стержне формируется как сумма намагниченности М, т. е. индукции, создаваемой доменами, и напряженности внешнего магнитного поля (см. формулу (24)). зависимости μ₀Н, μ₀М и В = μ_аН изображены на рис. 12, б. Кривая М(Н) показывает, что намагниченность стержня вначале быстро увеличивается, а затем ее значение снижается до μ₀М_m – предельного. Составляющая μ₀Н изменяется пропорционально напряженности внешнего магнитного поля Н. Складывая ординаты кривых μ₀Н и μ₀М, получаем зависимость, изображаемую кривой (см. рис. 12, б), называемой кривой первоначального намагничивания (КПН).

Кривая B = (см. рис. 12, б) нелинейна и может быть условно разделена на пять участков. Участок 1 соответствует упругому смещению границ между доменами. На участке 2 (область Релея) ориентация доменов в направлении внешнего поля скачкообразно изменяется и намагниченность ферромагнетика увеличивается. Участок 3 показывает необратимые смещения границ между доменами. Здесь магнитная проницаемость достигает максимального значения μ_max. В пределах участка 4 домены вырастают до максимально возможных размеров, и большинство атомных магнитных моментов во всем стержне оказывается выстроенным вдоль внешнего поля. Резервы роста внутреннего поля М за счет доменов исчерпаны, материал достигает состояния намагниченности насыщения М_s или технического насыщения, характеризуемого индукцией В_m и напряженностью Н_m. Увеличение Н > H_m на участке 5 уже не приводит к увеличению внутреннего поля М, индукция В возрастает только за счет увеличения Н. Здесь КПН становится линейной,

Из-за нелинейного характера КПН (m_а(Н) ¹ const) выделяют начальную и максимальную магнитную проницаемость (рис. 13), которая определяется как тангенс углов наклона касательных к кривой намагничивания в точках Н = 0 и Н = Н_m: ; .

Используют также понятие дифференциальной магнитной проницаемости: (см. рис. 13).

Если напряженность Н уменьшать, поле В в стержне будет также уменьшаться, но не «вдоль» той кривой, по которой оно нарастало (см. рис. 11). Это явление называется магнитным гистерезисом (уменьшение В «запаздывает»). При Н = 0 индукция В в стержне не становится равной нулю, а принимает положительное значение В_r. Это значение индукции, которая «остается» в материале. Остаточной индукцией В_r (см. рис. 11) называют индукцию, которая остается в предварительно намагниченном до насыщения ферромагнетике после снятия намагничивающего поля. Если значение индукции велико, то материал может быть хорошим постоянным магнитом. Чтобы размагнитить стержень, т. е. уменьшить В_r до нуля, необходимо изменить знак и увеличивать внешнее поле Н в обратном направлении до значения коэрцитивной силыН_с, т. е. удерживающей намагниченность (см. рис. 11). Коэрцитивной силой Н_сназывают величину размагничивающего поля, которое должно быть приложено, чтобы установить значение индукции в ферромагнетике, равное нулю.

Когда воздействующее поле совершает полный цикл изменения (от +Н_m до 0 и далее до –Н_m, а затем в обратную сторону до 0 и далее до +Н_m), магнитная индукция В изменяется по симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса. При совершении нескольких таких циклов перемагничивания петля принимает окончательную неизменяемую форму и называется предельной. Существуют также частные петли гистерезиса, получаемые при меньших, чем Н_m, значениях предельной напряженности поля. При несимметричном относительно нуля изменении значений напряженности поля, обычно в небольших пределах, но с сохранением знака, формируются несимметричные частные циклы.

Если время установления напряженности поля соизмеримо с временем перемагничивания материала, то определяемые в этом режиме характеристики называют динамическими. Основным влияющим фактором при этом являются вихревые токи. Они создают магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю, уменьшающему магнитную индукцию. При увеличении частоты вихревые токи возрастают и кривая намагничивания снижается. Вихревые токи вызывают тепловые потери, что приводит к расширению петли гистерезиса. В связи с этим различают статическую и динамическую петли гистерезиса. Статическую получают при очень медленном изменении Н, при котором допустимо пренебречь действием вихревых токов. при перемагничивании ферромагнетиков переменным полем Н, когда влияние вихревых токов становится значительным, получают динамическую петлю. Она может быть представлена как геометрическое место вершин частных динамических петель гистерезиса. Отношение индукции и напряженности по этой кривой называют динамической магнитной проницаемостью m_дин.

Значения дифференциальной магнитной проницаемости m_d, получаемые по восходящей и нисходящей петлям гистерезиса, отличаются друг от друга.

Необходимо подчеркнуть, что отмеченные четыре параметра – остаточная индукция В_r, коэрцитивная сила Н_с, относительная магнитная проницаемость m_н и m_max – являются основными, по ним производят анализ и выбор магнитных материалов для решения различных задач, в том числе и дефектоскопических. Их значения приводятся в справочниках по магнитным материалам.

Чем выше намагниченность материала при данном значении напряженности внешнего поля, тем выше его относительная проницаемость и индукция поля внутри материала. Проницаемость m_нач характеризует свойства материала в слабых магнитных полях. Если материал имеет узкую петлю ( ), более высокие значения m_нач, то его относят к магнитомягким материалам (МММ) (рис. 14). Это незакаленные малоуглеродистые электротехнические стали и пермаллои – предельно магнитомягкие (Н_с £ 1 А/м), преимущественно железоникелевые сплавы.

По значению Н_с обычно судят о принадлежности ферромагнетиков к магнитотвердым материалам (Н_с ³ 10 3 А/м) (МТМ). Ширина петли магнитотвердых сталей в десятки, сотни раз превышает ширину петли гистерезиса магнитомягких. К ним относят закаленные высокоуглеродистые (инструментальные) легированные конструкционные стали, ферриты, а также сплавы для постоянных магнитов.

На подвижном составе железных дорог к магнитомягким материалам относят стали для изготовления ударно-тяговых механизмов, рам тележек, колесных пар и др., к магнитотвердым – стали роликов, внутренних и наружных колец буксовых подшипников, шарикоподшипниковые стали (ШХ9, ШХ15С и др.), рельсовые стали.

Источник