Вопрос 4. Потери в магнитных материалах. Борьба с ними.

В переменных полях площадь петли гистерезиса увеличивается за счет потерь на гистерезис Р_г, потерь на вихревые токи Р_в и дополнительных потерь Р_д. Такая петля называется динамической, а суммарные потери полными или суммарными. Потери на гистерезис, отнесенные к единице объема материала (удельные потери)

P_г= , Дж/м³.

При перемагничивании с частотой f (Гц)

P_г=   , Вт/кг,

 где  - плотность материала, кг/м³.

Дополнительные потери или потери на магнитную вязкость (магнитное последействие) обычно находят как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи:

Р_д=Р-(Р_г+Р_в).

Магнитная вязкость J_n=J_n(t) зависит от времени действия магнитного поля. J при включении магнитного поля H быстро достигает значения J₁, а затем со временем возрастает в соответствии с формулой

J_n(t)=J_no(1-exp(-t/ ),

где J_no - намагниченность при t  ;  - время релаксации. На рисункепоказана зависимость напряженности магнитного поля и намагниченностиот времени действия магнитного поля. В магнитотвердых магнитныхматериалах время  магнитной релаксации может достигать нескольких минут. Такое явление называют сверхвязкостью.

Тангенс угла магнитных потерь используют в переменных полях. Его можно выразить через параметры эквивалентной схемы, показанной на рисунке. Индуктивную катушку с сердечником из магнитного материала представляют в виде последовательной схемы из индуктивности L и активного сопротивления R. Пренебрегая собственной емкостью и сопротивлением обмотки катушки, получаем:

tgб_м=r/(wL).

Активная мощность Р_а:

Р_а=J^2 . wL ^. tgб_м.

Величина, обратная tgб_м называется добротностью сердечника.

Если к железу добавить никель, то полученные материалы будут обладать повышенной магнитной проницаемостью (до 100000 у 79НМ, 79% никеля и небольшое количество марганца). Такие сплавы называются пермаллои, они используются для изготовления сердечников малогабаритнгых силовых и импульсных трансформаторов. Практически такие же результаты по магнитной проницаемости можно получить, добавляя к железу кремний (9.5%) и алюминий(5.6%). Такие сплавы называются альсиферами.

Добавки к железу и никелю молибдена, хрома, меди приводит к еще большему росту начальной магнитной проницаемости, более 100 тысяч. Такие материалы используются в миниатюрных магнитных устройствах.

Практически отсутствуют потери на вихревые токи в ферритах. Дело в том, что ферриты представляют собой оксидную керамику МеО+Fe₂O₃, которая является диэлектриком, либо полупроводником. Типичное удельное сопротивление феррита 10³-10⁴ Ом.м. Это на 9-10 порядков превышает сопротивление металлов. Ясно, что вихревые токи в таком материале не возникнут.  Магнитная проницаемость у ферритов обычно ниже, чем у стали и не превышает нескольких сотен, хотя есть ферриты с проницаемостью до нескольких тысяч (20000НМ, 1000НМ). Применение в энергетике магнитомягких ферритов - высокочастотные трансформаторы, в ряде материалов потери малы вплоть до частот гигагерцового диапазона. Однако при этом и магнитная проницаемость уменьшается до десятков (9ВЧ, 50ВЧ3). 

Большую роль играют ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Они используются в качестве логических элементов в ЗУ, в качестве термодатчиков. Основной параметр - коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, представляющий собой отношение остаточной индукции к максимальной, измеренной при Н = 5 Н_с. Желательно, чтобы этот коэффициент был ближе к 1.

Список используемой литературы:

1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. «Электротехнические материалы», Ленинград, Энергоатомиздат, 1985.

2. Журавлева Л.В. «Электроматериаловедение», Москва, ИРПО, 2000.

3. Казанцев А.П. «Электротехнические материалы», Минск, Дизайн ПРО, 1998.

4. Пасынков В.В., Сорокин В.С. «Материалы электронной техники», Санкт-Петербург, Лань, 2003.

5. Никулин Н.В. «Радиоматериалы и радиодетали», Москва, Высшая школы, 1996.