Магнитные материалы. Поведение ферромагнетиков в переменных магнитных полях (магнитные потери).

Перемагничивание ферромагнетиков в переменных полях сопровождается потерями энергии, вызывающими нагрев материала. В общем случае потери на перемагничивание складываются из потерь на гистерезис, на вихревые токи и последействие. Вкладом потерь на последействие в разогрев ферромагнетика обычно можно принебречь.

Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания, отнесенные к единице объема вещества, определяются площадью статической петли гистерезиса полученной при медленном изменении магнитного потока.

Для вычисления потерь можно использовать эмпирическую формулу

Эг=Bmn,

где - коэффициент зависящий от свойств материала;

Bm - максимальная индукция достигаемая в данном цикле;

n = 1.6 - 2 - в зависимости от Вm.

Потери на гистерезис обусловлены необратимыми процессами перемагничивания.

Для практических целей более важна активная мощность, выделяющаяся в ферромагнетике при его перемагничивании.

Мощность, обусловленная потерями на гистерезис, определяется как:

Pг = Вmn f V,

где V - объем образца; f - частота перемагничивания.

В слабых полях и на высоких частотах динамическая петля гистерезиса вследствие отставания индукции от напряженности поля имеет форму эллипса. Угол отставания называют углом магнитных потерь. Тангенс угла магнитных потерь можно определить из эквивалентной схемы.

tg = r/(L),

где L - индуктивность катушки с сердечником из ферромагнетика;

r - сопротивление, эквивалентное всем видам потерь на перемагничивание.

С учетом этого активная мощность потерь рассчитывается по формуле

Pa = I2 L tg.

Величину, обратную tg, называют добротностью сердечника

Qc = 1/ tg.

Вихревые токи возникают в проводящей среде за счет э.д.с. самоиндукции. Динамическая петля гистерезиса шире статистической, поскольку к потерям на гистерезис добавляются потери на вихревые токи, которые увеличиваются пропорционально частоте.

Мощность, обусловленная потерями на вихревые токи, определяется эмпирической формулой

Pт = f2Bm2 V

где - коэффициент, пропорциональный удельной проводимости материала и зависящий от геометрической формы и площади поперечного сечения намагничиваемого образца.

Для уменьшения потерь на вихревые токи необходимо использовать магнитный материал с повышенным удельным сопротивлением, либо собирать сердечник из тонких листов, изолированных друг от друга. Удельная мощность, расходуемая на вихревые токи, связана с толщиной листа h соотношением:

pт = Pт/Vd = 1.64 h2 f2 Bm2/d, Вт/кг,

где - удельная проводимость; d - плотность материала.

Вихревые токи оказывают размагничивающее действие на сердечник - уменьшается индукция и эффективная магнитная проницательность. Переменный магнитный поток неравномерно распределен по сечению магнитопровода.

Изменение величины магнитной индукции по сечению сердечника вдоль нормали z к его поверхности описывается уравнением

Bm = Bm0 exp(- z/

где Вm0 - магнитная индукция на поверхности сердечника;

= (1/(f 0 1/2 - глубина проникновения поля в вещество.

Магнитная индукция имеет наименьшее значение в центральных частях сечения.

Явление затухания электромагнитной волны при ее распространении в проводящей среде используется при создании электромагнитных экранов. Для эффективной защиты толщина стенок экрана должна превышать глубину проникновения электрического поля в вещество.

Потери на магнитное последействие обусловлены отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Время установления стабильного магнитного состояния от долей миллисекунды до нескольких минут и существенно возрастает с понижением температуры. Физическая природа потерь на магнитное последействие во многом аналогична релаксационной поляризации диэлектриков.