Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

14.4: Проникність і насиченість

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    101612

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Нелінійність проникності матеріалу може бути побудована на графіку для кращого розуміння. Ми розмістимо на горизонтальній осі графіка кількість напруженості поля (H), рівну силі поля (mmf), поділеної на довжину матеріалу. На вертикальній осі розмістимо величину щільності потоку (B), рівну загальному потоку, поділеному на площу поперечного перерізу матеріалу. Ми будемо використовувати величини напруженості поля (H) та щільності потоку (B) замість сили поля (mmf) та загального потоку (Φ), щоб форма нашого графіка залишалася незалежною від фізичних розмірів нашого тестового матеріалу. Те, що ми намагаємося зробити тут, це показати математичну залежність між силою поля і потоком для будь-якого шматка певної речовини, в тому ж дусі, що описує питомий опір матеріалу в Ом-смил/фут замість його фактичного опору в Омах.

    00309.png

    Це називається нормальною кривою намагніченості, або кривою B-H, для будь-якого конкретного матеріалу. Зверніть увагу, як щільність потоку для будь-якого з вищезазначених матеріалів (чавуну, литої сталі та листової сталі) вирівнюється зі збільшенням інтенсивності поля. Цей ефект відомий як насичення. Коли мало прикладена магнітна сила (низький H), лише кілька атомів знаходяться в вирівнюванні, а решта легко вирівнюються з додатковою силою. Однак, оскільки більше потоку потрапляє в ту ж площу поперечного перерізу феромагнітного матеріалу, в цьому матеріалі доступно менше атомів, щоб вирівняти свої електрони з додатковою силою, і тому потрібно все більше і більше сили (H), щоб отримати все менше і менше «допомоги» від матеріалу у створенні більшої щільності потоку (B). Якщо говорити про це в економічному плані, ми бачимо випадок зменшення прибутковості (B) від наших інвестицій (H). Насичення - це явище, обмежене електромагнітами із залізним сердечником. Електромагніти з повітряним сердечником не насичують, але, з іншого боку, вони не виробляють майже стільки магнітного потоку, як феромагнітний сердечник для такої ж кількості витків дроту та струму.

    Ще одна примха, яка плутає наш аналіз магнітного потоку проти сили, - це явище магнітного гістерезису. Як загальний термін, гістерезис означає відставання між входом і виходом в системі при зміні напрямку. Той, хто коли-небудь керував старим автомобілем з «вільним» рульовим управлінням, знає, що таке гістерезис: щоб перейти з повороту вліво на поворот вправо (або навпаки), доведеться обертати кермо додаткову суму, щоб подолати вбудоване «відставання» в системі механічного зчеплення між кермом і передні колеса автомобіля. У магнітній системі гістерезис спостерігається у феромагнітному матеріалі, який має тенденцію залишатися намагніченим після видалення прикладеної сили поля (див. «Ретентивність» у першому розділі цієї глави), якщо сила змінюється полярністю.

    Давайте знову використаємо той самий графік, лише розширюючи осі, щоб вказати як позитивні, так і негативні величини. Спочатку застосуємо зростаючу силу поля (струм через котушки нашого електромагніту). Ми повинні побачити збільшення щільності потоку (підніматися вгору і вправо) відповідно до нормальної кривої намагніченості:

    00310.png

    Далі зупинимо струм, що проходить через котушку електромагніту і подивимося, що відбувається з потоком, залишивши першу криву ще на графіку:

    00311.png

    Через утримуваність матеріалу у нас все ще є магнітний потік без прикладеної сили (немає струму через котушку). Наш електромагнітний сердечник діє як постійний магніт у цій точці. Тепер ми будемо повільно прикладати таку ж кількість сили магнітного поля в протилежному напрямку до нашого зразка:

    00312.png

    Щільність потоку тепер досягла точки, еквівалентної тому, що вона була з повним позитивним значенням напруженості поля (H), за винятком негативного або протилежного напрямку. Зупинимо знову проходить через котушку струм і подивимося, скільки залишилося потоку:

    00313.png

    Знову ж таки, завдяки природній затримці матеріалу, він буде утримувати магнітний потік без потужності, що подається на котушку, за винятком цього разу його в напрямку, протилежному тому, коли ми зупинили струм через котушку. Якщо ми знову застосуємо потужність у позитивному напрямку, ми знову побачимо, що щільність потоку досягне свого попереднього піку у верхньому правому куті графіка:

    00314.png

    «S» -подібна крива, простежена цими кроками, утворює так звану гістерезисну криву феромагнітного матеріалу для заданого набору крайніх напруженості поля (-H і+H). Якщо це не зовсім має сенсу, розгляньте графік гістерезису для сценарію автомобільного рульового управління, описаного раніше, один графік із зображенням «щільної» системи рульового управління та один із зображенням «вільної» системи:

    00315.png

    00316.png

    Так само, як і у випадку з автомобільними системами рульового управління, гістерезис може бути проблемою. Якщо ви проектуєте систему для отримання точних кількостей потоку магнітного поля для заданих кількостей струму, гістерезис може перешкоджати цій проектній меті (через те, що величина щільності потоку буде залежати від струму і наскільки сильно він був намагнічений раніше!). Так само нещільна система рульового управління неприпустима в гоночному автомобілі, де необхідна точна, повторювана реакція керма. Крім того, необхідність подолати попередню намагніченість в електромагніті може бути марною тратою енергії, якщо струм, який використовується для живлення котушки, змінюється назад і вперед (змінного струму). Площа в межах кривої гістерезису дає приблизну оцінку кількості цієї витраченої енергії.

    В інших випадках магнітний гістерезис - бажана річ. Такий випадок, коли в якості засобу зберігання інформації використовуються магнітні матеріали (комп'ютерні диски, аудіо- та відеокасети). У цих додатках бажано мати можливість намагнічувати пляму оксиду заліза (фериту) і покладатися на збереження цього матеріалу, щоб «запам'ятати» його останній намагнічений стан. Ще одне продуктивне застосування для магнітного гістерезису полягає у фільтрації високочастотного електромагнітного «шуму» (швидко змінних стрибків напруги) від сигнальної проводки, проводячи ці дроти через середину феритового кільця. Енергія, споживана при подоланні гістерезису фериту, послаблює силу «шумового» сигналу. Цікаво, що крива гістерезису фериту досить екстремальна:

    00317.png

    Рецензія

    • Проникність матеріалу змінюється з кількістю магнітного потоку, змушеного через нього.
    • Питома залежність сили до потоку (напруженість поля H до щільності потоку B) графічна у формі, яка називається нормальною кривою намагніченості.
    • Можна докласти стільки сили магнітного поля до феромагнітного матеріалу, що більше ніякого потоку в нього не вдасться вбити. Цей стан відомий як магнітне насичення.
    • Коли утримуваність феромагнітної речовини перешкоджає його повторному намагніченню в протилежному напрямку, виникає умова, відома як гістерезис.