Свойства ферромагнитных материалов

Для усиления магнитного поля и придания ему определенной конфигурации в электротехнических устройствах используются различные ферромагнитные материалы. Ферромагнетики, к которым относятся сталь, железо, никель, кобальт, их сплавы и др., обладают рядом отличительных свойств: 1) большая относительнаямагнитная проницаемость (от нескольких тысяч до десятков тысяч); 2) нелинейная зависимость намагничивания или индукции поля в магнетике от тока или напряженности внешнего поля (кривая начального намагничивания 0abc, представленная на рисунке 3.2.1, отражает эту нелинейную зависимость и соответственно.

Рис. 3.2.1.

зависимость проницаемости от напряженности внешнего поля); 3) отставание изменения индукции поля в ферромагнетике от изменения напряженности внешнего поля. Это явление называется гистерезисом. Оно проявляется в наличии у ферромагнетика остаточного намагничивания (остаточная индукция В_г) после снятия внешнего поля и необходимости обратного поля определенной величины, задерживающего поля Н_с (коэрцитивная сила), дзя полного снятия остаточной магнитной индукции. Замкнутая кривая В (Н) (см. рис. 3.2.1), соответствующая полному циклу перемагничивания ферромагнетика, называется петлей магнитного гистерезиса. Площадь петли пропорциональна энергии, затрачиваемой внешним источником, за один цикл перемагничивания. Полные затраты электрической энергии источника, переходящие в конечном счете в тепло, для ферромагнитных магнитопроводов, работающих, в условиях переменного магнитного потока, определяются потерями, связанными с гистерезисом, и потерями на вихревые токи, индуцируемые в магнитопроводе переменным магнитным потоком.

В зависимости от величины задерживающего поля Н_с и относительной магнитной проницаемости различают магнитомягкие и магнитотвердые ферромагнитные материалы.

Магнитомягкие материалы обладают высокой магнитной проницаемостью и малым задерживающим полем (Н_с< 400 А/м) (рис. 3.2.2,а).

Рис. 3.2.2.

К ним относятся низкоуглеродистые стали (w = 3500…7000, Н_с= 100 А/м), листовые электротехнические стали, железоникелевые сплавы — пермалои и оксидные ферромагнетики — ферриты. Листовые электротехнические стали представляют собой сплав железа с кремнием (1…4%). Кремний увеличивает магнитную проницаемость, уменьшает коэрцитивную силу, а также потери на гистерезис и существенно увеличивает удельное электрическое сопротивление, т. е. снижает потери, связанные с вихревыми токами. У пермалоев по сравнению с электротехническими сталями магнитная проницаемость в десятки и сотни раз выше, коэрцитивная сила в 10…50 раз меньше, а удельное сопротивление того же порядка. Основное достоинство ферритов — высокое удельное сопротивление (на семь порядков больше, чем у стали), что существенно снижает потери и позволяет использовать их на высоких частотах.

Магнитомягкие материалы обычно применяют в устройствах, в процессе работы которых происходит постоянное перемагничивание, например в сердечниках трансформаторов, полюсных наконечниках всех машин переменного тока и др.

Магнитотвердые материалы обладают сравнительно небольшой магнитной проницаемостью, но высокой остаточной магнитной индукцией В_г и большим задерживающим полем Н_с (рис. 3.2.2,6). На процесс перемагничивания затрачивается большое количество энергии. Эти материалы трудно перёмагничиваются и поэтому обычно используются для изготовления постоянных магнитов. К магнитотвердым материалам относятся углеродистые, вольфрамовые, хромистые и кобальтовые стали (#_с = 5000… 13 500 А/м, В, = 0,7… 1 Тл), а также сплавы алии, алниси, апнико, магнико (#_с = 20 000…60 000 А/м, В, = 0,4… 1,25 Тл).