Насыщение в магнитных материалах

Введение

Особенность некоторых магнитных материалов

Насыщение – это состояние, наблюдаемое в некоторых магнитных материалах, при котором дальнейшее увеличение приложенного внешнего магнитного поля H не приводит к увеличению намагниченности материала, в результате чего общая плотность магнитного потока B более или менее стабилизируется. (Однако, намагниченность продолжает очень медленно возрастать с увеличением поля из-за парамагнетизма.) Насыщение является характеристикой ферромагнитных и ферримагнитных материалов, таких как железо, никель, кобальт и их сплавы. Различные ферромагнитные материалы имеют различные уровни насыщения.

Описание

Насыщение наиболее четко видно в кривой намагничивания (также называемой кривой BH или кривой гистерезиса) вещества, как отклонение кривой вправо (см. график справа). По мере увеличения напряженности магнитного поля H, индукция магнитного поля B асимптотически приближается к максимальному значению – уровню насыщения для данного вещества. Строго говоря, после достижения насыщения индукция B продолжает возрастать, но с парамагнитной скоростью, которая на несколько порядков меньше ферромагнитной скорости, наблюдаемой до насыщения. Связь между напряженностью магнитного поля H и индукцией магнитного поля B также может быть выражена через магнитную проницаемость: μ = B/H или относительную магнитную проницаемость: μᵣ = B/(Hμ₀), где μ₀ – магнитная проницаемость вакуума. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов не является постоянной, а зависит от H. В насыщаемых материалах относительная магнитная проницаемость увеличивается с ростом H до максимума, а затем, по мере приближения к насыщению, уменьшается и стремится к единице. Различные материалы имеют разные уровни насыщения. Например, высокопроницаемые железосодержащие сплавы, используемые в трансформаторах, достигают магнитной насыщенности при 1,6–2,2 тесла (Т), в то время как ферриты насыщаются при 0,2–0,5 Т. Некоторые аморфные сплавы насыщаются при 1,2–1,3 Т. Му-металл насыщается при приблизительно 0,8 Т.

Пояснение

Ферромагнитные материалы (например, железо) состоят из микроскопических областей, называемых магнитными доменами, которые ведут себя как крошечные постоянные магниты, способные изменять направление своей намагниченности. До приложения внешнего магнитного поля, магнитные поля доменов ориентированы случайным образом, эффективно компенсируя друг друга, в результате чего результирующее внешнее магнитное поле пренебрежимо мало. При приложении к материалу внешнего намагничивающего поля H, оно проникает в материал и выстраивает домены, заставляя их крошечные магнитные поля поворачиваться и выравниваться параллельно внешнему полю, суммируясь для создания сильного магнитного поля B, выходящего за пределы материала. Этот процесс называется намагничиванием. Чем сильнее внешнее магнитное поле H, тем больше доменов выстраиваются, что приводит к увеличению магнитной индукции B. В конечном итоге, при определенном значении внешнего магнитного поля, границы доменов перемещаются настолько, насколько это позволяет кристаллическая структура, и дальнейшее увеличение внешнего магнитного поля практически не изменяет структуру доменов. Намагниченность остается почти постоянной и считается насыщенной. Структура доменов при насыщении зависит от температуры. Ток насыщения – ток, протекающий через обмотку, необходимый для насыщения магнитного сердечника – указывается производителями в спецификациях многих индукторов и трансформаторов. С другой стороны, насыщение используется в некоторых электронных устройствах. Насыщение применяется для ограничения тока в насыщаемых трансформаторах, используемых в дуговой сварке, и феррорезонансных трансформаторах, выполняющих функцию регуляторов напряжения. Когда первичный ток превышает определенное значение, сердечник входит в область насыщения, ограничивая дальнейшее увеличение вторичного тока. В более сложных применениях насыщаемые индукторы и магнитные усилители используют постоянный ток, протекающий через отдельную обмотку, для управления импедансом индуктора. Изменение тока в управляющей обмотке перемещает рабочую точку вверх и вниз по кривой насыщения, контролируя переменный ток, протекающий через индуктор. Они применяются в пускорегулирующих аппаратах для люминесцентных ламп с переменной яркостью и системах управления мощностью. Насыщение также используется в магнитометрах с эффектом концентрации магнитного потока и компасах с эффектом концентрации магнитного потока. В некоторых аудиоприложениях насыщаемые трансформаторы или индукторы намеренно используются для внесения искажений в аудиосигнал. Магнитное насыщение генерирует нечетные гармоники, обычно внося третье и пятое гармонические искажения в нижний и средний частотный диапазон.

Ferromagnetic materials (like iron) are composed of microscopic regions called magnetic domains, that act like tiny permanent magnets that can change their direction of magnetization. Before an external magnetic field is applied to the material, the domains' magnetic fields are oriented in random directions, effectively cancelling each other out, so the net external magnetic field is negligibly small. When an external magnetizing field H is applied to the material, it penetrates the material and aligns the domains, causing their tiny magnetic fields to turn and align parallel to the external field, adding together to create a large magnetic field B which extends out from the material. This is called magnetization. The stronger the external magnetic field H, the more the domains align, yielding a higher magnetic flux density B. Eventually, at a certain external magnetic field, the domain walls have moved as far as they can, and the domains are as aligned as the crystal structure allows them to be, so there is negligible change in the domain structure on increasing the external magnetic field above this. The magnetization remains nearly constant, and is said to have saturated. The domain structure at saturation depends on the temperature. The saturation current, the current through the winding required to saturate the magnetic core, is given by manufacturers in the specifications for many inductors and transformers. On the other hand, saturation is exploited in some electronic devices. Saturation is employed to limit current in saturable core transformers, used in arc welding, and ferroresonant transformers which serve as voltage regulators. When the primary current exceeds a certain value, the core is pushed into its saturation region, limiting further increases in secondary current. In a more sophisticated application, saturable core inductors and magnetic amplifiers use a DC current through a separate winding to control an inductor's impedance. Varying the current in the control winding moves the operating point up and down on the saturation curve, controlling the alternating current through the inductor. These are used in variable fluorescent light ballasts, and power control systems. Saturation is also exploited in fluxgate magnetometers and fluxgate compasses. In some audio applications, saturable transformers or inductors are deliberately used to introduce distortion into an audio signal. Magnetic saturation generates odd order harmonics, typically introducing third and fifth harmonic distortion to the lower and mid frequency range.