Потери энергии в стали при переменном намагничивании кратко
Обновлено: 04.07.2024
Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле сопровождается превращением определенной части энергии магнитного поля в теплоту, что внешне проявляется в нагреве магнитного материала. Эта энергия за единицу времени называется магнитными потерями. Она обычно характеризуется удельными магнитными потерями pуд, Вт/кг, или тангенсом угла магнитных потерь tgδм.
С точки зрения механизма возникновения потерь различаются два основных вида магнитных потерь — потери на гистерезис и потери на вихревые токи.
Потери па гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимыми перемещениями доменных границ. Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Так как гистерезисный цикл и связанные с ним потери повторяются в течение каждого периода, потери на гистерезис пропорциональны частоте переменного магнитного поля.
Потери на вихревые токи вызываются электрическими токами, которые магнитный поток индуктирует в магнитном материале. Они пропорциональны квадрату частоты магнитного поля, а потому при высоких частотах являются ограничивающим фактором применения магнитных материалов.
В очень слабых магнитных полях и, как правило, в магнитомягких материалах различают еще одинмеханизммагнитных потерь — дополнительные потери на магнитное последействие (магнитную вязкость). Физическая сущность этого механизма пока еще недостаточно ясна.
Для работы в переменных магнитных полях используют материалы, которые имеют очень узкую петлю гистерезиса, т.е. очень малую коэрцитивную силу. Например, коэрцитивная сила такого материала, как супермаллой, равна 0,2 А/м. Кроме того, принимаются различные меры для уменьшения вихревых токов. Общей целью этих мер является повышение удельного электрического сопротивления магнитных материалов. Например, в электротехнических сталях повышение удельного электрического сопротивления достигается примесью кремния в концентрации до 5%. Эти материалы изготавливаются в виде тонких листов, поверхность которых электрически изолируется. В порошковых магнитных материалах частицы самого магнитного материала покрыты соответствующим электроизоляционным материалом. С этой точки зрения наиболее выгодны ферримагнитные материалы (ферриты), которые по значению удельного сопротивления могут быть отнесены к полупроводникам и даже диэлектрикам.
Магнитомягкие материалы отличаются способностью легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют узкую петлю гистерезиса, малую коэрцитивную силу, высокие значения начальной и максимальной магнитной проницаемости, большую магнитную индукцию насыщения и малые удельные магнитные потери.
Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле сопровождается превращением определенной части энергии магнитного поля в теплоту, что внешне проявляется в нагреве магнитного материала. Эта энергия за единицу времени называется магнитными потерями. Она обычно характеризуется удельными магнитными потерями pуд, Вт/кг, или тангенсом угла магнитных потерь tgδм.
С точки зрения механизма возникновения потерь различаются два основных вида магнитных потерь — потери на гистерезис и потери на вихревые токи.
Потери па гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимыми перемещениями доменных границ. Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Так как гистерезисный цикл и связанные с ним потери повторяются в течение каждого периода, потери на гистерезис пропорциональны частоте переменного магнитного поля.
Потери на вихревые токи вызываются электрическими токами, которые магнитный поток индуктирует в магнитном материале. Они пропорциональны квадрату частоты магнитного поля, а потому при высоких частотах являются ограничивающим фактором применения магнитных материалов.
В очень слабых магнитных полях и, как правило, в магнитомягких материалах различают еще одинмеханизммагнитных потерь — дополнительные потери на магнитное последействие (магнитную вязкость). Физическая сущность этого механизма пока еще недостаточно ясна.
Для работы в переменных магнитных полях используют материалы, которые имеют очень узкую петлю гистерезиса, т.е. очень малую коэрцитивную силу. Например, коэрцитивная сила такого материала, как супермаллой, равна 0,2 А/м. Кроме того, принимаются различные меры для уменьшения вихревых токов. Общей целью этих мер является повышение удельного электрического сопротивления магнитных материалов. Например, в электротехнических сталях повышение удельного электрического сопротивления достигается примесью кремния в концентрации до 5%. Эти материалы изготавливаются в виде тонких листов, поверхность которых электрически изолируется. В порошковых магнитных материалах частицы самого магнитного материала покрыты соответствующим электроизоляционным материалом. С этой точки зрения наиболее выгодны ферримагнитные материалы (ферриты), которые по значению удельного сопротивления могут быть отнесены к полупроводникам и даже диэлектрикам.
Магнитомягкие материалы отличаются способностью легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют узкую петлю гистерезиса, малую коэрцитивную силу, высокие значения начальной и максимальной магнитной проницаемости, большую магнитную индукцию насыщения и малые удельные магнитные потери.
Потери на гистерезис и вихревые токи
Удельные магнитные потери включают в себя динамические потери, а также потери на гистерезис. К динамическим потерям относятся потери, вызываемые вихревыми токами (индуцируемыми в материале) и магнитной вязкостью (так называемое магнитное последействие). Потери же на магнитный гистерезис объясняются необратимыми перемещениями границ доменов.
Каждому магнитному материалу соответствует своя величина потерь на гистерезис, пропорциональная частоте перемагничивающего магнитного поля, а также площади гистерезисной петли данного материала.
Для нахождения мощности потерь связанных с гистерезисом в единице массы (в Вт/кг) используется следующая формула:
Для снижения гистерезисных потерь, чаще всего прибегают к применению таких магнитных материалов, коэрцитивная сила которых мала, то есть материалов с тонкой петлей гистерезиса. Такой материал отжигают, чтобы снять напряжения внутренней структуры, уменьшить количество дислокаций и иных дефектов, а также укрупнить зерно.
Вихревые токи также вызывают необратимые потери. Они связаны с тем, что перемагничивающее магнитное поле индуцирует ток внутри перемагничиваемого материала. Потери вызываемые вихревыми токами, соответственно, зависят от электрического сопротивления перемагничиваемого материала и от конфигурации магнитопровода.
Таким образом, чем значительнее удельное сопротивление (чем хуже проводимость) магнитного материала, тем меньшими окажутся потери, вызываемые вихревыми токами.
Потери на вихревые токи пропорциональны частоте перемагничивающего магнитного поля в квадрате, поэтому в устройствах работающих на достаточно высоких частотах неприменимы магнитопроводы из материалов с высокой электрической проводимостью.
Оценить мощность потерь на вихревые токи для единицы массы магнитного материала (в Вт/кг) можно воспользовавшись формулой:
Так как количественно потери на вихревые токи зависят от квадрата частоты, то для работы в области высоких частот необходимо прежде всего принимать во внимание потери именно на вихревые токи.
Для минимизации этих потерь стараются использовать магнитопроводы с более высоким электрическим сопротивлением.
Чтобы сопротивление увеличить, сердечники набирают из множества взаимно изолированных листов ферромагнитного материала с достаточно высоким собственным удельным электрическим сопротивлением.
Порошкообразный магнитный материал прессуют с диэлектриком, дабы частички магнитного материала оказались отделены друг от друга частичками диэлектрика. Так получают магнитодиэлектрики.
Еще вариант — применение ферритов — особой ферримагнитной керамики, отличающейся высоким удельным электрическим сопротивлением, близким к сопротивлению диэлектриков и полупроводников. Фактически ферриты являются твердыми растворами оксида железа с оксидами некоторых двухвалентных металлов, что можно описать обобщенной формулой:
С уменьшением толщины листа металлического материала, соответственно уменьшаются и потери вызываемые вихревыми токами. Но одновременно растут потери связанные с гистерезисом, ибо с утончением листа размер зерна также уменьшается, а значит растет коэрцитивная сила.
Практически с ростом частоты потери на вихревые токи увеличиваются сильнее нежели потери на гистерезис, в этом можно убедиться, сравнив две первые формулы. И на определенной частоте потери на вихревые токи начинают все более преобладать над потерями на гистерезис.
Это значит, что хотя толщина листа и зависит от рабочей частоты, тем не менее для каждой частоты должна быть подобрана определенная толщина листа, с которой будут минимизированы магнитные потери в целом.
Обычно магнитным материалам свойственно запаздывание изменения собственной магнитной индукции в зависимости от длительности действия перемагничивающего поля.
Потери мощности от магнитного последействия невозможно рассчитать прямо, но их можно найти косвенно — как разность между полными удельными магнитными потерями и суммой потерь на вихревые токи и на магнитный гистерезис:
Итак, в процессе перемагничивания наблюдается некоторое отставание магнитной индукции от напряженности перемагничивающего магнитного поля по фазе. Причиной тому опять же вихревые токи, которые по закону Ленца препятствуют изменению магнитной индукции, гистерезисные явления и магнитное последействие.
Фазовый угол запаздывания называется углом магнитных потерь δм. В характеристиках динамических свойств магнитных материалов указывается такой параметр как тангенс угла магнитных потерь tgδм.
Здесь приведена схема замещения и векторная диаграмма для тороидальной катушки с сердечником из магнитного материала, где r1- эквивалентное сопротивление всех магнитных потерь:
Видно, что тангенс угла магнитных потерь обратно пропорционален добротности катушки. Возникающую при данных условиях индукцию Bm в перемагничиваемом материале можно разложить на две составляющие: первая — совпадает по фазе с напряженностью перемагничивающего поля, вторая — отстает от нее на 90 градусов.
Первая составляющая непосредственно связана с обратимыми процессами при перемагничивании, вторая — с необратимыми. Применяемые в цепях переменного тока, магнитные материалы характеризуются в связи с этим таким параметром как комплексная магнитная проницаемость:
1.2. Влияние некоторых физических факторов на потери энергии в электротехнической стали
При перемагничивании ферромагнитных образцов, в том числе и электротехнической стали, имеют место необратимые изменения магнитного состояния. В результате намагниченность изменяется по петле гистерезиса. Затраты (потери) энергии на перемагничивание пропорциональны площади петли гистерезиса. Принято выделять потери на гистерезис и потери на вихревые токи. Первая часть определяется площадью петли гистерезиса при квазистатическом перемагничивании. Вторая часть обусловлена уже упоминавшимися выше вихревыми токами, которые также приводят к уширению петли гистерезиса, но возникают только при динамическом перемагничивании.
Потери на гистерезис не поддаются расчету и определяются только экспериментально. Потери на вихревые токи с учетом некоторых приближений могут быть вычислены теоретически. Приведем простейший вариант такого расчета. Пусть образец имеет форму пластины со сторонами a, b и толщиной L (рис. 2), причем L Закрыть
Далее, рассматривая поведение ферромагнетика во внешнем магнитном поле, будем это поле характеризовать не магнитной индукцией В, а напряжённостью Н.
Если быть более точным в объяснении намагниченности ферромагнетиков, то надо отметить отличительные особенности их структуры.
А именно, ферромагнетики состоят из доменов (областей размерами от 1 мкм до 10 мкм), намагниченных до насыщения так, как показано на рис. 86 справа.
Но намагничены так домены не под действием внешнего магнитного поля, а самопроизвольно, вдоль осей лёгкого намагничивания.
Существование осей лёгкого намагничивания, осей трудного намагничивания указывает на анизотропные (разные по разным направлениям) свойства ферромагнетиков, зависящих от структуры их кристаллической решётки.
На рисунке показана магнитная анизотропия кубических монокристаллов железа. Приведены кривые намагничивания вдоль трёх главных кристаллографических осей (верхняя кривая для оси лёгкого намагничивания).
На вопрос, почему существуют эти области самопроизвольного намагничивания (домены), отвечает квантовая механика, введя понятие "спин" для микрочастицы. Понятия "спин" и некоторых других понятий квантовой механики мы коснёмся в Занятии 86.
На следующем рисунке изображён участок ферромагнетика, содержащий несколько доменов, векторами показаны направления намагниченности в доменах.
В отсутствие внешнего магнитного поля эти векторы ориентированы так, что результирующий вектор намагниченности всего ферромагнетика равен нулю.
При наложении внешнего магнитного поля Н (оно показано пунктирной линией) объём выгодно ориентированных к направлению поля доменов 1 и 3 будет увеличиваться за счёт уменьшения объёма доменов 2 и 4. Сначала с ростом напряжённости внешнего магнитного поля идёт смещение границ доменов, а с дальнейшим ростом поля происходит поворот векторов намагниченности доменов до совпадения с направлением поля.
Этот процесс является необратимым , он и служит причиной гистерезиса ферромагнетика.
Рассмотрим рис. 87, где показана зависимость намагниченности ферромагнетика от напряжённости внешнего магнитного поля Н, которое прикладывается то в одном направлении, то в обратном.
Точка О соответствует не намагниченному состоянию ферромагнетика, когда внешнее поле отсутствует (Н=0).
С ростом поля объём доменов, ориентированных по полю, растёт (растёт
Понятие магнитной проницаемости применимо лишь к кривой первоначального намагничивания Оа.
Магнитная проницаемость ферромагнетиков зависит от напряжённости внешнего магнитного поля и имеет вид показанный на рисунке
С ростом Н магнитная проницаемость растёт, достигает максимального значения при Н несколько меньшем, чем поле насыщения ферромагнетика (точка а петли гистерезиса), затем магнитная проницаемость уменьшается, асимптотически приближаясь к единице.
Помещаю полученное мною фото доменной структуры на базисной плоскости пирротина, содержащей три оси лёгкого намагничивания. Вдоль этих осей, расположенных друг к другу под углами 120 градусов и направлены домены. Большая удача, что увидела этот участок в микроскопе и сфотографировала его. Повторно найти его не получилось.
Последний рисунок приведён в подтверждении того, что с нагреванием ферромагнетика его магнитные свойства ослабевают и теряются при некоторой температуре, названной точкой Кюри.
Пояснение к рисунку 87, на котором изображена петля гистерезиса.
При некотором значении напряжённости внешнего магнитного поля Н ферромагнетик намагничивается до насыщения (точка а петли). Это значит, что вектора намагниченности доменов выстроились вдоль поля.
При уменьшении поля Н порядок в направлении векторов намагниченности доменов нарушается, ферромагнетик начинает размагничиваться.
Но когда Н станет равной нулю, ферромагнетик не полностью размагничивается (в нём присутствует остаточная намагниченность). Такое отставание намагниченности ферромагнетика от внешнего поля Н называется гистерезисом .
При циклическом изменении модуля и направления внешнего поля Н получается петля гистерезиса.
Процесс намагничивания, размагничивания, перемагничивания ферромагнетика требует энергии со стороны магнитного поля Н, так как это поле принуждает поворачиваться вектора намагниченности доменов. Эта энергия переходит в тепло , ферромагнетик нагревается.
Величина этой энергии ( потеря энергии ) за один цикл перемагничивания пропорциональна площади петли гистерезиса.
Для уменьшения потерь энергии на гистерезис в машинах, в которых происходит непрерывное перемагничивание, используются ферромагнетики из магнитомягкого материала (с узкой петлёй гистерезиса).
Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Сообщите друзьям о существовании этого канала.
Предыдущая запись : Что происходит в железе при его намагничивании? Магнитное поле Земли.
Следу ющая запись : Применение теоремы о циркуляции вектора магнитной индукции.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58 .
Читайте также: