Магнитные материалы в электротехнике реферат

Обновлено: 02.07.2024

Ферромагнетики играют существенную роль в электротехнике. К ним могут быть предъявлены различные требования в зависимости от назначения.

Постоянные магниты

Были созданы специальные материалы с заданными свойствами. Для получения постоянного магнита необходимо отыскать ферромагнетик с максимально широкой петлей гистерезиса. То есть при нулевом внешнем магните остаточная намагниченность будет максимально большая. Такие магнетики обладают высокой коэрцитивной силой. Вещество должно иметь неизменные границы доменов.

Петля гистерезиса такого ферромагнетика должна быть в 500 раз шире петли мягкого железа.
AlNiCo является термостабильным магнитом с высокой коррозионной и радиационной стойкостью. Обладает остаточной намагниченностью порядка B r ~ 1 , 1 - 1 , 5 Т л , коэрцитивной силой H k = 0 , 5 - 1 , 9 к Э . Максимальная рабочая температура достигает 450 ° C . На данный момент предпринимаются попытки изготовления наноструктурных сплавов. Их применяют в акустических системах, студийных микрофонах, электродвигателях, сенсорах.

Спеченные редкоземельные магниты на основе SmCo

Такие магниты не требуют защитного покрытия, так как имеют высокую рабочую температуру и коэрцитивную силу, иначе говоря, устойчивы к размагничиванию. Являются довольно хрупкими и очень дорогими. Обладают остаточной намагниченностью порядка B r ~ 0 , 8 - 1 , 1 Т л , коэрцитивной силой H k = 8 - 10 к Э . Их применяют в космических аппаратах, мобильной телефонии, компьютерной технике, авиастроении, медицинском оборудовании, микро-электромеханических приборах.

Неодимовые магниты. Сплавы Nd - Fe - B

Являются довольно хрупкими с достаточно невысокими рабочими температурами - 60 - 220 ° С . При перегревании нуждаются в перемагничивании. Подвергаются коррозии. Такие магниты легко обрабатываются механически, обладают гибкостью. Они имеют самое высокое значение остаточной намагниченности порядка B r ~ 1 - 1 , 4 Т л , коэрцитивной силы H k = 12 к Э . Применимы в компьютерной технике или датчиках.

При перепадах температур, деформациях, механических вибрациях магниты могут терять свойства намагниченности. Полного размагничивания они достигают при температуре выше точки Кюри в сильных магнитных полях, если ферромагнит располагается в затухающем переменном магнитном поле или постоянное внешнее имеет противоположное направление относительно внутреннего. Железные магниты могут размагничиваться в домашних условиях очень долго. Искусственно созданные могут быстро стареть.

Постоянные магниты применимы:

как зажимы, крепления, фиксация предметов;
для поиска железных предметов методом зондирования.

Хорошими магнитными свойствами обладает пермаллой, содержащий 75 , 8 % никеля, полученный при двухэтапной обработке сплава. На первом этапе температура достигает 900 - 950 ° C в течение часа, после чего происходит охлаждение с низкой скоростью. Второй этап подразумевает нагрев до
600 ° C и охлаждение при комнатной температуре со скоростью 1500 г р а д м и н .

Чаще всего их применяют в трансформаторах, однако они непригодны для использования в качестве постоянных магнитов. Пермаллои не следует подвергать деформации, так как происходит изменение их свойств.

При наличии максимального значения магнитной проницаемости сплава используют для сердечников малоразмерных трансформаторов, магнитных экранов, реле. Если имеется повышенное удельное сопротивление, то применяют для сердечников импульсных трансформаторов или высокочастотной аппаратуры.

При расчете разного рода устройств переменного тока, содержащие ферромагнетики, необходимо оценивать тепловой эффект при гистерезисе. Это явление в железных сердечниках трансформаторов или вращающихся якорях генераторов постоянного тока приводит к затратам части энергии на тепло гистерезиса, уменьшающим КПД устройства. Отсюда следует, что для такого оборудования подбираются специальные виды ферромагнетиков, у которых площади петель гистерезиса минимальные

По исследованиям стало видно наличие мильных ферромагнитных свойств у некоторых неферромагнитных металлов при определенном их соотношении. К ним относят марганец-висмут, хром-теллур и другие.

Ферриты

При наличии отличий во время намагничивания подрешеток, возникает некомпенсированный антиферромагнетизм. Это объясняется присутствием у тела значительного магнитного момента. Данные вещества получили название ферримагнетиков.

Их магнитные свойства не отличаются от свойств ферромагнетиков.

Если ферримагнетики обладают полупроводниковыми свойствами, то их называют ферритами – магнитными полупроводниками, имеющими большое удельное сопротивление (около 10 2 - 10 6 О м · с м ).

Намагниченность насыщения у ферримагнетиков намного меньше, чем у ферромагнетиков. Они применимы только при наличии слабого поля. Ферриты называют ферромагнитными изоляторами. Создаваемые в них вихревые токи в полях с высокой частотой по значению очень малы, что позволяет использовать их в микроволновой технике. Микрополя проникают внутрь ферритов, когда в ферромагнетиках это невозможно по причине наличия вихревых токов.

Вещества используют в радиотехнике при наличии больших частот, где в ферромагнетиках из-за большой проводимости появляются огромные потери на вихревые токи.

Дан рисунок, на котором изображены два ферромагнитных материала. Какой из них наиболее пригодный для электромагнитов с быстрой регулировкой подъемной силы? Для использования в качестве постоянного магнита?

Решение

У постоянного магнита более применим ферромагнетик с широкой петлей гистерезиса с соответствующей большей коэрцитивной силой, позволяющей веществу размагничиваться с меньшей скоростью и большой остаточной намагниченностью. Отсюда следует, что ферромагнетик под номером 1 считается наиболее пригодным для использования в качестве постоянного магнита.

Для электромагнита с быстрой регулировкой требуется ферромагнетик, имеющий узкую петлю гистерезиса, меньшую коэрцитивную силу и остаточную намагниченность. Отсюда следует, что подходящим вариантом будет ферромагнетик под номером 2 .

Возможно ли переносить раскаленные стальные трубы при помощи электромагнитного крана?

Решение

Это делать не стоит. Ферромагнитные свойства при температурах выше точки Кюри исчезают, она становится парамагнетиком с малой магнитной проницаемостью. Отсюда следует вывод, что наличие его магнитных свойств не будет достаточно для использования его как средство переноса труб.

1 Эффект магнетизма в материалах
Магнетизм – это класс физических явлений, которые опосредуются магнитными полями. Электрические токи и магнитные моменты элементарных частиц создают магнитное поле, которое действует на другие токи и магнитные моменты [1]. Магнетизм – один из аспектов комбинированного явления электромагнетизма. Наиболее известные эффекты возникают в ферромагнитных материалах, которые сильно притягиваются магнитными полями и могут быть намагничены, чтобы стать постоянными магнитами, которые сами создают магнитные поля. Также возможно размагничивание магнита. Лишь некоторые вещества являются ферромагнитными. Наиболее распространенными из них являются железо, кобальт и никель и их сплавы. Приставка ферро- относится к железу, потому что постоянный магнетизм впервые был обнаружен в магнитном железе, форме естественной железной руды, называемой магнетитом, Fe3O4.
Все вещества обладают некоторым типом магнетизма. Магнитные материалы классифицируются в зависимости от их объемной восприимчивости. Ферромагнетизм отвечает за большинство эффектов магнетизма, встречающихся в повседневной жизни, но на самом деле существует несколько типов магнетизма. Парамагнитные вещества, такие как алюминий и кислород, слабо притягиваются к приложенному магнитному полю; диамагнитные вещества, такие как медь и углерод, слабо отталкиваются; в то время как антиферромагнитные материалы, такие как хром и спиновые стекла, имеют более сложные отношения с магнитным полем [1].
Магнитное состояние (или магнитная фаза) материала зависит от температуры, давления и приложенного магнитного поля. Материал может проявлять более одной формы магнетизма при изменении этих переменных.
По реакции на внешнее магнитное поле все вещества делятся на 5 групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики [1]. К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и др.), некоторые металлы (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий и др.) и органических соединений, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.
К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К ним относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм есть у хрома, марганца и некоторых редкоземельных элементов (Се, Nd, Sm, Тm и др.). Антиферромагнетиками являются химические соединения на основе металлов переходной группы (окислы, сульфиды и д.р). Ферримагнетики подобно ферромагнетикам обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. При этом ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов. Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые металлические сплавы, (оксидные соединения, например, ферриты).
2 Классификация магнитных материалов
Все вещества в природе являются магнетиками в том понимании, что они обладают определенными магнитными свойствами и определенным образом взаимодействуют с внешним магнитным полем.
Магнитными называют материалы, применяемые в технике с учетом их магнитных свойств. Магнитные свойства вещества зависят от магнитных свойств микрочастиц, структуры атомов и молекул.
Магнитные материалы делят на 3 группы: магнитотвердые, магнитомягкие, материалы специального назначения. На рис. 1 представлена классификация магнитных материалов. Классификация магнитных материалов по величине потерь на гистерезис представлена на рис. 2 [2].

Рисунок 1 – Классификация магнитных материалов

Каждый пермаллой применяется в соответствии с его свойствами в различных электромагнитных устройствах. Главные области применения пермаллоев следующие: измерительные приборы, сердечники трансформаторов тока, магнитные экраны, реле, магнитные усилители, катушки индуктивности в автоматике и т. п. При использовании пермаллоев не следует забывать, что они чувствительны к механическим воздействиям и обработке – штамповке, ударам, внешним механическим напряжениям. Механические воздействия резко повышают коэрцитивную силу и уменьшают магнитную проницаемость.
За последние годы разработаны и приобрели широкое применение в электротехнике новые магнитные материалы, получившие название ферритов. Эти материалы неметаллические, их изготовляют из смеси окиси железа (Fe2О3) с окислами других металлов – цинка (ZnО), марганца (MnО), никеля (NiO) и др. Характерной особенностью ферритов является то, что при наличии хороших магнитных свойств они обладают весьма большим удельным электрическим сопротивлением. Ферриты относятся к группе полупроводников и обладают сопротивлением ρ=104-109 Ом∙см, тогда как ферромагнитные металлические материалы имеют ρ=10-5-10-4 Ом∙см. Сопротивления ферритов больше сопротивления металлических ферромагнетиков в 108 -1014 раз, поэтому у ферритов потери на вихревые токи в переменных магнитных полях очень малы. Это составляет одно из важнейших преимуществ ферритов [7].
4 Магнитотвердые материалы
Магнитно-твердые материалы (МТМ) (табл. 4), магнитно-жесткие (высококоэрцитивные) материалы, магнитные материалы, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях напряженностью в тысячи и десятки тысяч а/м. После намагничивания МТМ остаются магнитами постоянными из-за высоких значений остаточной индукции Br и коэрцитивной силы HС.
Таблица 4

Из магнитотвердых материалов наибольшее значение в технике приобрели: литые и порошковые (недеформируемые) магнитные материалы типа Fe–Al–Ni–Со; деформируемые сплавы типа Fe–Со–Mo, Fe–Со–V, Pt–Со; ферриты (гекса- ферриты и кобальтовый феррит) [8].
Магнитотвердые материалы служат для изготовления постоянных магнитов, магнитные системы и изделия: роторы и статоры электрических машин, магнитные системы для аппаратов, измерительных приборов и т.д.
Литые высококоэрцитивные сплавы.
К этой группе относят сплавы систем Fе – Ni – Аl и Fе – Ni – Со – Аl, модифицированные различными добавками. Высококоэрцитивное состояние этих сплавов обусловлено их дисперсионным распадом на две фазы при охлаждении до определенной температуры.
В системе Fe – Ni – Al одна из фаз, образующихся в результате распада твердого раствора, по составу близка к чистому железу и является сильномагнитной; ее выделения имеют форму пластинок или стержней однодомённой толщины. Другая фаза состоит из никеля и алюминия и оказывается слабомагнитной. Таким образом, получается композиция из немагнитной матрицы и однодомённых магнитных включений. Материалы, имеющие такую структуру, намагничиваются в основном за счет процессов вращения магнитных моментов доменов [9].
В тройной системе Fe – Ni – Al наибольшей удельной магнитной энергией обладают сплавы, содержащие около 28 % Ni и 14 % Аl (по массе), что приблизительно соответствует интерметаллическому соединению Fe2NiAl. Однако без легирующих элементов эти сплавы практически не применяют. Помимо кобальта распространенными легирующими добавками являются медь, титан и ниобий. Добавки не только улучшают магнитные свойства, но и обеспечивают лучшую повторяемость характеристик, т.е. ослабляют зависимость магнитных свойств от небольших изменений химического состава, наличия примесей и отклонений от заданного режима термообработки.
Таким образом, получается композиция из немагнитной матрицы и однодоменных магнитных включений. Материалы, имеющие такую структуру, намагничиваются в основном за счет процессов вращения магнитных моментов доменов. Однако без легирующих элементов эти сплавы практически не применяют. Помимо кобальта распространенными легирующими добавками являются медь, титан и ниобий. Добавки не только улучшают магнитные свойства, но и обеспечивают лучшую повторяемость характеристик, т. е. ослабляют зависимость магнитных свойств от химического состава, наличия примесей и отклонений от заданного режима термообработки. Недостатком сплавов Fe–Al–Ni является их высокая твердость и хрупкость, поэтому они механически могут обрабатываться только шлифованием. Магнитные свойства этих сплавов существенно зависят от шихты, параметров процесса литья, режима термомагнитной обработки и др.
Магниты из порошков
Невозможность получить особенно мелкие изделия со строго выдержанными размерами из литых железоникельалюминиевых сплавов обусловила использование методов порошковой металлургии для производства постоянных магнитов. При этом следует различать металлокерамические магниты и магниты из зерен порошка, скрепленных тем или иным связующим веществом (металлопластические магниты).
Магнитотвердые ферриты.
Из магнитотвердых ферритов наиболее известен бариевый феррит BaO · 6Fe2O3 (ферроксдюр). В отличие от магнитомягких ферритов он имеет не кубическую, а гексагональную кристаллическую решетку с одноосной анизотропией. Промышленность выпускает два вида бариевых магнитов: марок БИ (бариевые изотропные) и марок Б А (бариевые анизотропные). Его высокая коэрцитивная сила у обусловлена малым размером кристаллических зерен и сильной магнитной кристаллографической анизотропией. К недостаткам следует отнести низкую механическую прочность, большую хрупкость, сильную зависимость магнитных свойств от температуры.
Сплавы на основе редкоземельных элементов.
Магнитотвердые материалы этой группы являются весьма перспективными, но еще недостаточно изученными и освоенными в технологическом отношении. Редкоземельные элементы, являющиеся металлами (РЗМ), образуют большое число бинарных соединений с металлами переходной группы, из которых наибольший интерес представляют интерметаллические соединения типа RCo5 и R2Co17, где R – редкоземельный элемент [9].
Легированные стали, закаленные на мартенсит
Высокая коэрцитивная сила у этих материалов достигается в результате максимального деформирования кристаллической решетки и создания тем самым большого количества внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов путем легирования высокоуглеродистых сталей W, Мо, Сг или Со и последующей термической обработки для создания мартенситной структуры. Для получения гарантируемых магнитных свойств мартенситные стали подвергают термообработке, специфичной для каждой марки стали, и пятичасовой структурной стабилизации в кипящей воде.

Список использованных источников
Боровик Е.С. Лекции по магнетизму / Е.С. Боровик, В.В. Еременко, А.С Мильнер - М.: Физматлит, 2005. - 512 с.
Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы: Учебник для вузов. 7-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. - с. 269.
З. Фактор и др. Магнитные материалы. М.: Энергия, 1999 — 312 с.
Курилин С.А. Электротехнические материалы и технология электромонтажных работ. Учебное пособие. 1989. - с. 53.
Пастушенков Ю.Г. Функциональные магнитотвердые материалы. Пастушенков Ю.Г., Скоков К.П. - Тверь, 2014 - 109 с.
Мишин Д. Д. Магнитные материалы. М., 2001 г. – 421 с.
Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева - Том 3, 3-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1986. - с. 149.
Ю. В. Корицкий и др. Справочник по электротехническим материалам. Т.3, Л.: Энергоатомиздат, 1988 — 728 с.
В. В. Пасынков, В. С. Сорокин. Материалы электронной техники, М.: Высшая школа, 1986 — 367 с.

Магнитной цепью называется часть электротехнического устройства, содержащая ферромагнитные тела, в которой при наличии намагничивающей силы возникает магнитный поток и, вдоль которой замыкаются линии магнитной индукции. Источниками намагничивающей силы могут быть катушки с токами, постоянные магниты.
В конструктивном отношении магнитные цепи выполняют разветвлёнными и неразветвлёнными, причём применение того или иного вида цепи определяется в основном назначением электромагнитного устройства.

Содержание

Введение 3
1. Основные понятия теории магнитного поля 4
2. Свойства ферромагнитных материалов 7
3. Переменный магнитный поток в катушке с магнитопроводом. 9
4. Расчет магнитных цепей 11
Заключение 14
Список использованных источников 15

Вложенные файлы: 1 файл

Магнитные цепи.doc

Введение

магнитный цепь поле индукция вектор

В конструкцию многих электротехнических устройств (электрических машин, трансформаторов, электрических аппаратов, измерительных приборов и т.д.) входят магнитные цепи.

В конструктивном отношении магнитные цепи выполняют разветвлёнными и неразветвлёнными, причём применение того или иного вида цепи определяется в основном назначением электромагнитного устройства.

Основные понятия теории магнитного поля

Магнитное поле — составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц, либо магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты). С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозон-фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Основной характеристикой магнитного поля является его сила, определяемая вектором магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля). В СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл), в системе СГС в гауссах.

Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.

Как известно из курса физики, вокруг проводника с током появляется магнитное поле. Всякий электромагнит состоит из стального сердечника – магнитопровода и намотанной на него катушки с витками изолированной проволоки, по которой проходит электрический ток.

Совокупность нескольких участков: ферромагнитных (сталь) и неферромагнитных (воздух), по которым замыкаются линии магнитного потока, составляют магнитную цепь.

Интенсивность магнитного поля характеризуется векторной величиной: напряженностью магнитного поля , измеряемой в амперах на метр (A/м). Интенсивность магнитного поля характеризуется также вектором магнитной индукции , измеряемой в теслах (Тл). Напряженность магнитного поля не зависит, а магнитная индукция зависит от свойств окружающей среды.

где μ0 - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м;

μ - относительное значение магнитной проницаемости, безразмерная величина;

В зависимости от величины относительной магнитной проницаемости, все вещества делятся на три группы.

К первой группе относятся диамагнетики: вещества, у которых μ 1.К третьей группе относятся ферромагнетики, вещества с μ >> 1.

К ферромагнетикам принадлежат железо, никель, кобальт и многие сплавы из неферромагнитных веществ.

Магнитной цепью называется совокупность устройств, содержащих ферромагнитные вещества. Процессы в магнитных цепях описываются с помощью понятий магнитодвижущей силы, магнитного потока.

Магнитным потоком называется поток вектора магнитной индукции через поверхность S

Магнитный поток измеряется в веберах (Вб).

Источником магнитодвижущей силы является либо постоянный магнит, либо электромагнит (катушка, обтекаемая током).

Магнитодвижущая сила электромагнита

где I - ток, протекающий в катушке;

W - число витков катушки.

В магнитных цепях используется свойство ферромагнитного материала тысячекратно усиливать магнитное поле катушки с током за счет собственной намагниченности.

Свойства ферромагнитных материалов

Поместим ферромагнитный материал внутри катушки с током. Сначала, с увеличением напряженности намагничивающего поля, магнитная индукция быстро возрастает. Затем, из-за насыщения материала, при дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля магнитная индукция почти не меняется. При уменьшении напряженности намагничивающего поля кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса. Явление гистерезиса заключается в том, что изменение магнитной индукции запаздывает от изменения намагничивающего поля. Кривая зависимости B(H), получающаяся при циклическом перемагничивании ферромагнитного материала, называется петлей гистерезиса. Эта кривая изображена на рисунке 1. Чем больше площадь петли, тем больше потери на перемагничивание, нагревающие материал.

Рисунок 1. Явление гистерезиса

Значение магнитной индукции при напряженности намагничивающего поля, равном нулю, называется остаточной магнитной индукцией Br, или остаточной намагниченностью.

Напряженность магнитного поля НС при В = 0 называется коэрцитивной силой.

Ферромагнитные материалы с большим значением коэрцитивной силы

( ) называются магнитотвердыми. Из этих материалов изготавливают постоянные магниты.

Ферромагнитные материалы с малым значением коэрцитивной силы ( ) называются магнитомягкими. Эти материалы используют в магнитопроводах электрических машин и трансформаторов.

Таким образом, зависимости B = f(H) у ферромагнитных материалов нелинейные.

Эти зависимости приводятся в справочниках в табличной форме или в виде кривых, называемых кривыми намагничивания.

Переменный магнитный поток в к атушке с магнитопроводом.

Конструкции магнитопроводов и их функциональные назначения в электротехнических устройствах переменного тока весьма разнообразны. Рассмотрим катушки с неразветвлёнными магнитопроводами из ферромагнитного материала.

Постоянная интегрирования А равна некоторому постоянному магнитному потоку, которого нет в магнитопроводах аппаратов переменного тока в установившемся режиме работы. Следовательно постоянная А = 0 и магнитный поток6

т.е. при синусоидальном напряжении между выводами катушки магнитный поток в магнитопроводе также синусоидальный.

Так как действующие значения напряжения U между выводами катушки и ЭДС самоиндукции EL , то получим:

Последнее соотношение применяют для расчётов ЭДС, индуктируемых в обмотках трансформаторов; поэтому его часто называют уравнением трансформаторной ЭДС.

При определении магнитного потока не учитывались активное сопротивление обмотки и наличие магнитных линий поля катушки, которые частично и полностью замыкаются помимо магнитопровода. Для выявления характера изменения магнитного потока в магнитопроводе во времени это не имеет сколько-нибудь существенного значения. Но при других расчётах активное сопротивление обмотки и магнитные линии поля катушки, которые неполностью замыкаются по магнитопроводу, часто надо учитывать. Соотношения (3; 4; 5) можно рассматривать лишь как ориентировочно связывающие действующие значения напряжения U между выводами катушек и ЭДС самоиндукции EL с амплитудой магнитного потока Фм в магнитопроводе и числом витков w катушки.

Расчет магнитных цепей

Основным законом, используемым при расчетах магнитных цепей, является закон полного тока.

Он формулируется следующим образом: линейный интеграл вектора напряженности магнитного поля по замкнутому контуру равен алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром. Если контур интегрирования охватывает катушку с числом витков W, через которую протекает ток I, то алгебраическая сумма токов , где F - магнитодвижущая сила.

Обычно контур интегрирования выбирают таким образом, чтобы он совпадал с силовой линией магнитного поля, тогда векторное произведение в формуле (6) можно заменить произведением скалярных величин H·dl. В практических расчетах интеграл заменяют суммой и выбирают отдельные участки магнитной цепи таким образом, чтобы H1, H2, . . . вдоль этих участков можно было считать приблизительно постоянными. При этом (6) переходит в

где l1, l2, …, ln - длины участков магнитной цепи;
H1·l1, H2·l2 - магнитные напряжения участков цепи. Магнитным сопротивлением участка магнитной цепи называется отношение магнитного напряжения рассматриваемого участка к магнитному потоку в этом участке

где S - площадь поперечного сечения участка магнитной цепи,

l - длина участка.

Рассмотрим расчет магнитной цепи, изображенной на рисунке 2.

Рисунок 2. Магнитная цепь

Ферромагнитный магнитопровод имеет одинаковую площадь поперечного сечения S.

lср - длина средней силовой линии магнитного поля в магнитопроводе;

δ - толщина воздушного зазора.

На магнитопроводе размещена обмотка, по которой протекает ток I.

Прямая задача расчета магнитной цепи заключается в том, что задан магнитный поток Ф и требуется определить магнитодвижущую силу F. Определим магнитную индукцию в магнитопроводе

По кривой намагничивания найдем значение напряженности магнитного поля H, соответствующее величине В.
Напряженность магнитного поля в воздушном зазоре

Магнитодвижущая сила обмотки

При обратной задаче расчета магнитной цепи по заданному значению магнитодвижущей силы требуется определить магнитный поток. Расчет такой задачи выполняется с помощью магнитной характеристики цепи F = f(Ф).

Для построения такой характеристики необходимо задаться несколькими значениями Ф и найти соответствующие значения F. С помощью магнитной характеристики по заданной магнитодвижущей силе определяется магнитный поток.

Заключение

Магнитное поле, одна из форм электромагнитного поля. Создается движущимися электрическими зарядами и спиновыми магнитными моментами, а также переменным электрическим полем. Действует на движущиеся электрические заряды и тела, обладающие магнитным моментом. Характеризуется магнитной индукцией (или напряженностью). Индукция магнитного поля Земли (в единицах СИ) около 0,00005 Тл, наиболее сильными крупномасштабными магнитными полями обладают нейтронные звезды (около 100 млн. Тл).

В лабораторных условиях и технике для получения постоянного магнитного поля (0,05 - 25 Тл) используют постоянные магниты, электромагниты, сверхпроводящие соленоиды. Импульсные сверхсильные магнитные поля (160 - 1000 Тл) получают при помощи импульсных соленоидов и методом направленного взрыва. Технические применения магнитного поля (наряду с электрическим полем) лежат в основе всей электротехники, радиотехники и электроники. Магнитные поля используются в дефектоскопии, для удержания горячей плазмы в условиях управляемого термоядерного синтеза, в ускорителях заряженных частиц и т.д.

Эффективная и долговечная работа электрических машин и установок напрямую зависит от состояния изоляции, для устройства которой применяют электротехнические материалы. Они характеризуются набором определенных свойств при помещении в условия электромагнитного поля, и устанавливаются в приборах с учетом этих показателей.

Классификация электротехнических материалов позволяет разделить на отдельные группы электроизоляционных, полупроводниковых, проводниковых и магнитных материалов, которые дополняются основными изделиями: конденсаторами, проводами, изоляторами и готовыми полупроводниковыми элементами.

Материалы работают как в отдельных магнитных или электрических полях с определенными свойствами, так и подвергаются действию нескольких излучений одновременно. Магнитные материалы условно подразделяют на магнетики и слабомагнитные вещества. В электрической технике наиболее широко применяют сильномагнитные материалы.

Наука о материалах

Материалом называется субстанция, характеризующаяся отличным от других объектов химическим составом, свойствами и структурой молекул и атомов. Вещество находится в одном из четырех состояний: газообразном, твердом, плазменном или жидком. Электротехнические и конструкционные материалы выполняют в установке разнообразные функции.

Проводниковые материалы осуществляют передачу потока электронов, диэлектрические компоненты обеспечивают изоляцию. Применение резистивных элементов преобразовывает электрическую энергию в тепловую, конструкционные материалы сохраняют форму изделия, например, корпуса. Электротехнические и конструкционные материалы обязательно выполняют не одну, а несколько сопутствующих функций, например, диэлектрик в работе электроустановки испытывает нагрузки, что приближает его к конструкционным материалам.

Электротехническое материаловедение – это наука, занимающаяся определением свойств, изучением поведения вещества при воздействии электричества, тепла, мороза, магнитного поля и др. Наука изучает специфические характеристики, необходимые для создания электрических машин, приборов и установок.

Проводники

К ним относят электротехнические материалы, основным показателем которых является выраженная проводимость электрического тока. Это происходит потому, что в массе вещества постоянно присутствуют электроны, слабо связанные с ядром и являющиеся свободными носителями заряда. Они перемещаются с орбиты одной молекулы на другую и создают ток. Основными проводниковыми материалами считают медь, алюминий.

К проводникам относятся элементы, которые имеют удельное электрическое сопротивление ρ -5 , при этом отличным проводником является материал с показателем 10 -8 Ом*м. Все металлы хорошо проводят ток, из 105 элементов таблицы только 25 не являются металлами, причем из этой разнородной группы 12 материалов проводят электрический ток и считаются полупроводниками.

Физика электротехнических материалов позволяет использование их в качестве проводников в газообразном и жидком состоянии. В качестве жидкого металла с нормальной температурой применяется только ртуть, для которой это естественное состояние. Остальные металлы используются как жидкие проводники только в разогретом состоянии. Для проводников применяют и токопроводящие жидкости, например электролит. Важными свойствами проводников, позволяющими различать их по степени электропроводности, считаются характеристики теплопроводности и способности к термальной генерации.

Диэлектрические материалы

В отличие от проводников, в массе диэлектриков содержится малое число свободных электронов продолговатой формы. Основным свойством вещества является его способность получать полярность под действием электрического поля. Это явление объясняется тем, что под действием электричества связанные заряды перемещаются в сторону действующих сил. Расстояние смещения тем больше, чем выше напряженность электрического поля.

Изоляционные электротехнические материалы тем ближе стоят к идеалу, чем меньше показатель удельной проводимости, и чем меньше выражена степень поляризации, которая позволяет судить о рассеивании и выделении тепловой энергии. Проводимость диэлектрика основана на действии незначительного количества свободных диполей, смещающихся в сторону действия поля. После поляризации диэлектрик образует субстанцию с разной полярностью, то есть на поверхности образуются два разных знака зарядов.

Применение диэлектриков наиболее обширно в электротехнике, так как используются активные и пассивные характеристики элемента.

К активным материалам, с поддающимся управлению свойствами, относят:

пироэлектрики;
электролюминофоры;
пьезоэлектрики;
сегнетоэлектрики;
электреты;
материалы для излучателей в лазере.

Основные электротехнические материалы - диэлектрики с пассивными свойствами, используют в качестве изоляционных материалов и конденсаторов обычного типа. Они способны отделить два участка электрической цепи один от другого и не допустить перетекания электрических зарядов. С их помощью осуществляется изоляция токоведущих частей, чтобы электрическая энергия не уходила в землю или на корпус.

Разделение диэлектриков

На органические и неорганические материалы делят диэлектрики, в зависимости от химического состава. Неорганические диэлектрики не содержат в своем составе углерода, тогда как органические формы имеют основным элементом углерод. Неорганические вещества, такие как керамика, слюда, имеют высокую степень нагревания.

Электротехнические материалы по способу получения делят на естественные и искусственные диэлектрики. Широкое применение синтетических материалов основано на том, что изготовление позволяет придать материалу заданные свойства.

По строению молекул и молекулярной решетки диэлектрики подразделяются на полярные и неполярные. Последние называют еще нейтральными. Отличие состоит в том, что атомы и молекулы до начала действия на них электрического тока обладают или нет электрическим зарядом. К нейтральной группе относятся фторопласт, полиэтилен, слюда, кварц и др. Полярные диэлектрики состоят из молекул с положительным или отрицательным зарядом, примером служит поливинилхлорид, бакелит.

Свойства диэлектриков

По состоянию диэлектрики делят на газообразные, жидкие и твердые. Наиболее часто применяются твердые электротехнические материалы. Их свойства и применение оцениваются с помощью показателей и характеристик:

объемное удельное сопротивление;
диэлектрическая проницаемость;
поверхностное удельное сопротивление;
коэффициент термической проницаемости;
диэлектрические потери, выраженные тангенсом угла;
прочность материала под действием электричества.

Объемное удельное сопротивление зависит от способности материала сопротивляться протеканию по нему тока постоянного значения. Показатель, обратный удельному сопротивлению, называется объемной удельной проводимостью.

Поверхностное удельное сопротивление определяется возможностью материала сопротивляться постоянному току, протекающему по его поверхности. Поверхностная удельная проводимость является обратной величиной к предыдущему показателю.

Коэффициент термической проницаемости отражает степень изменения удельного сопротивления после повышения температуры вещества. Обычно при увеличении температуры уменьшается сопротивление, следовательно, значение коэффициента становится отрицательным.

Диэлектрическая проницаемость определяет применение электротехнических материалов в соответствии со способностью материала создавать электроемкость. Показатель относительной проницаемости диэлектрика входит в понятие абсолютной проницаемости. Изменение емкости изоляции показывается предыдущим показателем коэффициента термической проницаемости, который одновременно показывает увеличение или уменьшение емкости с изменением температурного режима.

Тангенс угла потерь диэлектрика отражает степень потери мощности цепи относительно материала диэлектрика, подверженного действию электрического переменного тока.

Электротехнические материалы характеризуются показателем электрической прочности, который определяет возможность разрушения вещества под действием напряжения. При выявлении механической прочности существует ряд испытаний для установления показателя предела прочности на сжатие, растяжение, изгиб, кручение, при ударе и раскалывании.

Физические и химические показатели диэлектриков

В диэлектриках содержится определенное число высвобожденных кислот. Количество едкого калия в миллиграммах, необходимое для избавления от примесей в 1 г вещества, носит название кислотного числа. Кислоты разрушают органические материалы, оказывают отрицательное действие на изоляционные свойства.

Характеристика электротехнических материалов дополняется коэффициентом вязкости или трения, показывающим степень текучести вещества. Вязкость делят на условную и кинематическую.

Степень водопоглощения определяется в зависимости от массы воды, впитанной элементом испытательного размера после суток нахождения в воде при заданной температуре. Эта характеристика указывает на пористость материала, повышение показателя ухудшает изоляционные свойства.

Магнитные материалы

Показатели оценки магнитных свойств носят название магнитных характеристик:

магнитная абсолютная проницаемость;
магнитная относительная проницаемость;
термический магнитный коэффициент проницаемости;
энергия максимального магнитного поля.

Магнитные материалы подразделяются на твердые и мягкие. Мягкие элементы характеризуются небольшими потерями при отставании величины намагниченности тела от действующего магнитного поля. Они более проницаемы для магнитных волн, имеют небольшую коэрцитивную силу и повышенную индукционную насыщаемость. Используют их при устройстве трансформаторов, электромагнитных машин и механизмов, магнитных экранов и других приборов, где нужно намагничивание с малыми энергетическими упущениями. К ним относят чистое электролитное железо, железо – армко, пермаллой, электротехническую сталь в листах, никелево-железные сплавы.

Твердые материалы характеризуются значительными потерями при отставании степени намагниченности от внешнего магнитного поля. Получив один раз магнитные импульсы, такие электротехнические материалы и изделия намагничиваются, и долгое время сохраняют накопленную энергию. Они обладают большой коэрцитивной силой и большой емкостью остаточной индукции. Элементы с такими характеристиками применяют для изготовления стационарных магнитов. Представителями элементов служат сплавы на железной основе, алюминиевые, никелевые, кобальтовые, кремниевые компоненты.

Магнитодиэлектрики

Это смешанные материалы, на 75-80% содержащие в составе магнитный порошок, остаток массы заполняется органическим высокополимерным диэлектриком. У ферритов и магнитодиэлектриков повышенные значения объемного удельного сопротивления, маленькие вихревые потери тока, что позволяет применять их в высокочастотной технике. Ферриты обладают стабильностью показателей при различных частотных полях.

Область использования ферромагнетиков

Их используют наиболее эффективно для создания сердечников трансформаторных катушек. Применение материала позволяет намного увеличить магнитное поле трансформатора, при этом, не изменяя показания силы тока. Такие вставки из ферритов позволяют экономить расход электричества при работе прибора. Электротехнические материалы и оборудование после выключения внешнего магнитного воздействия сохраняют магнитные показатели, и поддерживает поле в соседнем пространстве.

Элементарные токи не проходят после выключения магнита, таким образом, создается стандартный постоянный магнит, который эффективно работает в наушниках, телефонах, измерительных приборах, компасах, звукозаписывающих устройствах. Очень популярны в применении постоянные магниты, не проводящие электричество. Получают их соединением железных окислов с другими различными оксидами. Магнитный железняк относится к ферритам.

Полупроводниковые материалы

Это элементы, которые имеют значение удельной проводимости, находящееся в промежутке этого показателя для проводников и диэлектриков. Проводимость этих материалов напрямую зависит от проявления примесей в массе, внешних направлений воздействия и внутренних дефектов.

Характеристика электротехнических материалов группы полупроводников говорит о существенном отличии элементов друг от друга по структурной решетке, составу, свойствам. В зависимости от указанных параметров, материалы подразделяют на 4 вида:

Элементы, содержащие в себе атомы одного вида: кремний, фосфор, бор, селен, индий, германий, галлий и др.
Материалы, содержащие в составе металлические окислы – медь, окись кадмия, цинка и др.
Материалы, объединенные в группу антимонид.
Материалы органики – нафталин, антрацен и др.

В зависимости от кристаллической решетки, полупроводники подразделяют на поликристаллические материалы и монокристаллические элементы. Характеристика электротехнических материалов позволяет разделять их на немагнитные и слабомагнитные. Среди магнетических компонентов различают полупроводники, проводники и непроводящие элементы. Четкое распределение выполнить затруднительно, так как многие материалы по-разному ведут себя в изменяющихся условиях. Например, работу некоторых полупроводников при пониженных температурах можно сравнить с действием изоляторов. Те же диэлектрики при нагревании работают, как полупроводники.

Композиционные материалы

Материалы, которые подразделяются не по функционированию, а по составу, называются композиционными материалами, это тоже электротехнические материалы. Их свойства и применение обусловлены сочетанием применяемых при изготовлении материалов. Примером служат листовые стекловолокнистые компоненты, стеклопластик, смеси электропроводного и тугоплавкого металлов. Применение равноценных смесей позволяет выявить сильные стороны материала и применять их по назначению. Иногда сочетание композитных составляющих приводит к созданию абсолютно нового элемента с другими свойствами.

Пленочные материалы

Большую область применения в электротехнике завоевали пленки и ленты, как электротехнические материалы. Свойства их отличаются от других диэлектриков гибкостью, достаточной механической прочностью и отличными изоляционными характеристиками. Толщина изделий варьируется в зависимости от материала:

пленки делают толщиной 6-255 мкм, ленты выпускают 0,2-3,1 мм;
полистирольные изделия в виде лент и пленок производят толщиной 20-110 мкм;
полиэтиленовые ленты делают толщиной 35-200 мкм, шириной от 250 до 1500 мм;
фторопластовые пленки изготавливают толщиной от 5 до 40 мкм, ширину предусматривают 10-210 мм.

Классификация электротехнических материалов из пленки позволяет выделить два вида: ориентированные и неориентированные пленки. Первый материал применяется наиболее часто.

Лаки и эмали для электрической изоляции

Растворы веществ, образующих при застывании пленку, представляют собой современные электротехнические материалы. К этой группе относят битумы, высыхающие масла, смолы, целлюлозные эфиры или соединения и сочетания этих компонентов. Превращение вязкого компонента в изолятор происходит после испарения из массы нанесенного растворителя, и образования плотной пленки. По способу нанесения пленки подразделяют на клеящие, пропиточные и покрывающие.

Пропиточные лаки используют для обмоток электроустановок с целью повысить коэффициент теплопроводности и сопротивление влаге. Покрывающие лаки создают верхнее защитное покрытие от влаги, мороза, масла для поверхности обмоток, пластмассы, изоляции. Клеящие компоненты способны склеивать пластинки слюды с другими материалами.

Компаунды для электрической изоляции

Эти материалы представляются жидким раствором в момент использования с последующим застыванием и отвердеванием. Вещества характерны тем, что в составе не содержат растворителей. Компаунды также относятся к группе "электротехнические материалы". Виды их бывают заливочные и пропиточные. Первый вид применяют для заполнения полостей в муфтах кабелей, а вторая группа используется для пропитки обмоток двигателя.

Компаунды производят термопластичными, они размягчаются после повышения температур, и термореактивными, стойко сохраняющими форму отвердевания.

Волокнистые непропитанные электроизоляционные материалы

Для производства таких материалов используют волокна органики и искусственно созданные составляющие. Природные растительные волокна натурального шелка, льна, дерева переделывают в материалы органического происхождения (фибра, ткань, картон). Влажность таких изоляторов колеблется в пределах 6-10%.

Органические материалы из синтетики (капрон) содержат влаги только от 3 до 5%, такое же насыщение влагой и у неорганических волокон (стекловолокно). Неорганические материалы отличаются неспособностью к возгоранию при значительном нагревании. Если материалы пропитать эмалями или лаками, то горючесть повышается. Поставка электротехнических материалов производится на предприятие по изготовлению электрических машин и приборов.

Летероид

Тонкая фибра выпускается в листах и скатывается в рулон для транспортировки. Применяется как материал для изготовления прокладок изоляции, фасонных диэлектриков, шайб. Бумагу с асбестовой пропиткой и асбестовый картон делают из хризолитового асбеста, расщепляя его на волокна. Асбест обладает сопротивлением к щелочной среде, но разрушается в кислотной.

В заключение следует отметить, что с применением современных материалов для изоляции электрических приборов значительно увеличился срок их службы. Для корпусов установок применяют материалы с выбранными характеристиками, что дает возможности для выпуска новой функциональной техники с улучшенными показателями.

Читайте также: