Содержание краткие сведения о теории магнетизма и магнитных материалах 4 icon

Содержание краткие сведения о теории магнетизма и магнитных материалах 4



НазваниеСодержание краткие сведения о теории магнетизма и магнитных материалах 4
страница1/13
Дата конвертации07.07.2012
Размер1.62 Mb.
ТипДокументы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13
1. /МЭЭУ.docСодержание краткие сведения о теории магнетизма и магнитных материалах 4


Л е к ц и и


В.Ю. Смердов


«Магнитные элементы электронных устройств»

(редакция М.А. Амелиной)

часть 1, 2

Содержание

1.КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕОРИИ МАГНЕТИЗМА И МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ 4

1.1.Основные магнитные величины, единицы магнитных величин 4

1.2.Магнитные свойства веществ 7

1.3.Основные свойства ферромагнетиков 9

1.4.Процессы намагничивания ферромагнетика 11

1.5.Гистерезис 13

1.6.Статические параметры ферромагнетиков 15

1.7.Статические потери в ферромагнетиках при перемагничивании 17

1.8.Динамические характеристики ферромагнетиков 18

1.9.Динамические потери в ферромагнетике 21

1.10.Аппроксимация кривых намагничивания и петли гистерезиса 23

1.11.Классификация магнитных материалов 27

2.СЕРДЕЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ УСТРОЙСТВ 32

1.12.Связь между магнитными и электрическими величинами 35

1.13.Влияние воздушного зазора на магнитные характеристики сердечников 37

1.14.Катушки индуктивности 40

1.14.1.Классификация катушек индуктивности. 42

1.14.2.Маркировка и обозначение катушек индуктивности в конструкторской документации. 43

1.15.Трансформаторы. 43

1.15.1.Классификация трансформаторов. 44

1.15.2.Маркировка и обозначение трансформаторов в конструкторскной документации. 46

1.16.Дроссели. 46

1.17.Схема замещения сердечника с обмотками 47

1.18.Собственные паразитные параметры трансформатора 51

1.19.Методы измерения характеристик магнитных сердечников 54

3.РЕЖИМ РАБОТЫ ИМПУЛЬСНОГО ТРАНСФОРМАТОРА В УЗЛАХ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 58

1.20.Трансформаторы двухтактных преобразовательных устройств 59

1.20.1.Потери мощности в элементах конструкции трансформатора 62

1.20.2.Предельная мощность, передаваемая трансформатором 64

1.20.3.Оптимальный режим перемагничивания сердечника трансформатора 65

1.20.4.Связь эксплуатационных показателей трансформатора с геометрией сердечника и размещением обмоток 67

1.20.5.О возможности минимизации объема трансформатора 69

1.20.6.Допущения, принимаемые при анализе трансформаторов двухтактных схем 70

1.20.7.Порядок расчета трансформатора двухтактных преобразовательных устройств 71

1.20.8.Критерии выбора магнитного материала 73

1.20.9.Основные соотношения в трансформаторе 77

1.21.
Трансформаторы однотактных схем 80

1.21.1.Намагничивание сердечника последовательностью импульсов 83

1.21.2.Аварийный режим работы ИТ 84

1.21.3.Работа трансформатора на вентильную нагрузку 85

1.21.4.Цепи восстановления исходного магнитного состояния сердечника 87

1.22.Искажения формы выходного импульса трансформатора 92

1.22.1.Искажение фронта выходного импульса 92

1.22.2.Искажение вершины выходного импульса 96

1.22.3.Срез и форма выходного напряжения 97

1.23.Измерительные импульсные трансформаторы 99

4.МАГНИТНЫЕ РЕАКТОРЫ 105

1.24.Основные параметры реакторов 105

1.25.Методика выбора материала для реакторов 108

1.26.Влияние немагнитного промежутка в магнитопроводе на параметры электромагнитных элементов 109

1.27.Параметрические магнитные элементы 112

1.28.Магнитные параметрические стабилизаторы напряжения 114

1.29.Феррорезонансные ячейки 115

1.30.Магнитные формирователи и распределители импульсов 119

Целью изучения дисциплины является изучение физических основ, действия, характеристик, параметров основных видов магнитных элементов и пассивных компонентов, используемых в узлах устройств промышленной электроники, а также рассмотрение вопросов технологии производства этих узлов.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Боярченков М.А., Черкашина А.Г. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. М.: Высшая школа, 1976 – 382с. 621.318.3 Б34

  2. Подлипенский В.С., Петренко В.Н. Электромагнитные и электромашинные устройства автоматики. Киев: Высшая школа, 1987. – 428с.

  3. Миловзоров В.П. Электромагнитные устройства автоматики. М.: Высшая школа, 1983. – 409с.

  4. Горский А.Н., Русин Ю.С. и др. Расчет электромагнитных элементов источников вторичного электропитания. М.:Радио и связь, 1988. – 176с. 621.314.2 Р24

  5. Грязнов Н.М. Трансформаторы и дроссели в импульсных устройствах. М.: Радио и связь, 1986. – 112с. 621.314.2

  6. Сидоров Н.Н., Христинин А.А., Скорняков С.В. Малогабаритные магнитопроводы и сердечники. М.: Радио и связь, 1989, 384с.

  7. Смердов В.Ю., Зайцев О.В. Методические указания “Расчет силовых импульсных трансформаторов”. Смоленск: СФМЭИ, 1998.–34с.

  8. Глебов Б.А. Теоретические основы расчета трансформаторов двухтактных преобразовательных устройств. – М.: “МЭИ”, 1979. – 57с.

  9. Исследование магнитных характеристик сердечников.

  10. Исследование работы импульсного трансформатора в режиме однополярного намагничивания.

  11. Магнитные измерительные элементы.

  12. Расчет оптимального трансформатора двухтактных преобразовательных устройств.

  13. М.А. Розенблат Магнитные элеиенты автоматики и вычислительной техники, 2-е издание, перераб., Монография, Изд-во «Наука», 1974 г. 538 Р64 + 621.318

  14. Ферриты и магнитодиэлектрики. Справочник под общей редакцией Н.Д. Горбунова, Г.А. Матвеева. М., изд-во «Советское радио», 1968 г., 176 с. 621.318 (083) Ф43

  1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕОРИИ МАГНЕТИЗМА И МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ

1.1.Основные магнитные величины, единицы магнитных величин

В электромагнитных устройствах промышленной электроники, автоматики, вычислительной техники воздействие на магнитный элемент производится либо магнитным полем тока, проходящего по проводнику или обмотке, либо непосредственно магнитным полем. Это магнитное поле является внешним по отношению к магнитному сердечнику, основному электромагнитному элементу.

Как известно, в окрестности проводника с током всегда существует магнитное поле. Внешнее магнитное поле линейного проводника с током I характеризуется напряженностью магнитного поля:



где r – расстояние от проводника до точки, в которой определяется напряженность.

Единица напряженности магнитного поля в системе СИ: [H]=ампер/метр (А/м), в СГСМ — Эрстед. 1Э=1000/(4Чp) А./м.

Напряженность магнитного поля можно определить с помощью силы, которая действует на помещенный в поле пробный магнит.

Магнитные силовые линии проводника с током представляют собой концентрические окружности. Для определения направления силовых линий используется правило буравчика:

если буравчик ввертывается в направлении протекания тока, то направление его вращения определяет направление силовых линий.



Рис. 1.1. Рис. 1.2.

Напряженность магнитного поля в центре витка с током определяется как:



где r – радиус витка.

Магнитное поле катушки с током возникает в результате сложения (суперпозиции) полей, создаваемых отдельными витками.

Тогда для цилиндрической катушки картина магнитного поля имеет вид представленный на рис. 1.3.



Рис. 1.3.

В витке и в катушке направление силовых линий определяется по правилу правостороннего винта (буравчика): если винт вращать по направлению протекания тока, то его поступательное движение будет определять направление силовых линий.

Если ток проходит по обмотке с числом витков W, то он создает намагничивающую силу (н.с.) или магнитодвижущую силу:

.

Единица СИ магнитодвижущей силы [F]=ампер (А).

Внутри относительно длинной цилиндрической катушки магнитное поле однородно, а его напряженность определяется как:

,

где l – длина катушки.

Н – падение магнитного потенциала на единицу длины и аналогично падению электрического потенциала на единицу длины в проводнике. Напряженность магнитного поля это намагничивающая сила, приходящаяся на единицу длины.

Намагничивающая сила аналогична ЭДС (это разность магнитных потенциалов). Она равна алгебраической сумме н.с. всех обмоток, находящихся на рассматриваемом сердечнике.

Если обмотка равномерно намотана на ферромагнитный сердечник с одинаковым сечением S по всей длине l (например на кольцевой сердечник), то краевое неоднородное поле отсутствует.



Рис. 1.4.

Внутри такой тороидальной катушки магнитные силовые линии замкнуты, а напряженность магнитного поля в сердечнике:

,

где lср – длина катушки.

Под действием намагничивающих сил в сердечнике магнитных элементов создается магнитный поток Ф.

Единица СИ магнитного потока [Ф]=вольтсекунда=вебер(Вб). 1Вб=108Мкс (Максвелл).

Если магнитный поток Ф проходит по сердечнику с обмоткой, имеющей W витков, то потокосцепление с обмоткой:

.

Силовые линии или линии магнитного потока Ф определяют величину, являющуюся качественным аналогом электрического тока. Они определяют общий поток в данном поперечном сечении. Магнитный поток Ф – полное число магнитных силовых линий, проходящих через сечение сердечника.

Наряду с напряженностью, магнитное поле характеризуется магнитной индукцией В. Магнитная индукция В – плотность магнитного потока, т.е. поток приходящийся на единичную площадку, расположенную нормально к линии потока. Это магнитный поток через единицу площади:

.

Магнитная индукция В – векторная величина. В вакууме ее направление совпадает с направлением напряженности магнитного поля.

.

Магнитное поле можно качественно характеризовать либо величиной силы, действующей на пробный магнит, либо величиной импульса напряжения, индуцируемого в пробной катушке при наложении или снятии поля.



Рис. 1.5.

Магнитной индукцией В называется приходящееся на один виток отношение площади под кривой напряжения, индуцированного в катушке, к сечению катушки.

Единица СИ магнитной индукции [В]=вольтсекунда/метр2=Тесла (Тл). 1 Гаусс (1 Гс)= 10-4 Тл.

Магнитная постоянная 0 (магнитная проницаемость в вакууме) представляет собой отношение магнитной индукции к напряженности магнитного поля в вакууме.

.

0 – является физической константой, численно равной:

.

Напряженность внешнего магнитного поля не зависит от свойств среды (вещества), где создается магнитный поток. Магнитная же индукция определяется как напряженностью поля, так и свойствами среды (вещества), характеризующимися относительной магнитной проницаемостью .

Она показывает, во сколько раз проницаемость вещества больше или меньше проницаемости вакуума (эта величина показывает во сколько раз изменяется магнитная индукция в веществе).

– безразмерная величина, принимает одинаковые значения во всех системах, в то время как 0 и a зависят от выбора единиц. В системе СГСМ 0=1гс/э и численное значение a и совпадает.

В дальнейшем, говоря о магнитной индукции, будем иметь ввиду относительную проницаемость:

.

Магнитная индукция в среде (веществе):

В=H,

где a – абсолютная магнитная проницаемость вещества.

1.2.Магнитные свойства веществ

Все вещества в природе являются магнетиками, т.е. они обладают определенными магнитными свойствами и определенным образом взаимодействуют с внешним магнитным полем.

Чтобы понять магнитные свойства различных веществ и в частности материалов, из которых изготавливаются сердечники электромагнитных элементов, необходимо знать строение атомов и кристаллов твердых тел.

Изучение свойств электрических частиц показывает, что в основном магнитные свойства атома определяются магнитными свойствами электронов. Магнетизм других частиц относительно мал (например, магнитный момент атомного ядра в 1000 раз меньше магнитного момента электронной оболочки атома).



Рис. 1.6.

Как известно, атом любого вещества состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра по орбитам. Каждый движущийся электрон (носитель заряда) может быть представлен некоторым круговым контуром с током. Этот круговой ток создает орбитальный магнитный момент:

,

где i – сила тока электрона, S – площадь орбиты, обтекаемой током.

Кроме того, при движении по орбите каждый электрон обладает свойством, близким к свойствам заряженного тела, вращающегося вокруг своей оси. Следовательно, каждый электрон обладает спиновым магнитным моментом.

Суммарный собственный магнитный момент атома определяется векторной суммой орбитальных и спиновых моментов электронов, с учетом их направления.

Если на атом воздействует внешнее магнитное поле Н, то возникает прецессия орбит электронов (некоторое вращение орбит) вокруг вектора этого поля, что эквивалентно некоторому дополнительному вращению электронов (рис. 1.7.), которое создает дополнительный магнитный момент.



Рис. 1.7.

По правилу Ленца этот магнитный момент всегда направлен против внешнего поля и стремится ослабить его.

Результирующий магнитный момент единицы объема вещества называют намагниченностью вещества.

,

где m – суммарный момент атомов, занимающих объем V.

Единица СИ намагниченности [J]=ампер/метр (А/м).

Намагниченность можно рассматривать как напряженность внутреннего магнитного поля, создаваемого микротоками электронных оболочек самого вещества. Поэтому индукцию в веществе, помещенном во внешнее магнитное поле, можно представит как:

.

Таким образом вектора В, Н, J полностью характеризуют поведение вещества во внешнем магнитном поле.

– определяет магнитное поле, создаваемое магнитными моментами движущихся электронов или, грубо говоря, самим веществом.

– определяет напряженность внешнего приложенного к веществу магнитного поля (практически это поля, создаваемые различными намагничивающими катушками).

– суммарное магнитное поле в веществе, создаваемое как внешними, так и внутренними возбудителями.

Часто вектора Н и J имеют одинаковое направление, тогда можно перейти к скалярному выражению и разделить обе части равенства на Н.

.

Отношение J/H – называют магнитной восприимчивостью вещества .

.

Сравнивая выражения, можно получить:

.

По величине и знаку магнитной восприимчивости все вещества можно разделить на несколько групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики.

У диамагнетиков (=-10-5(<1)) отрицательна и мала по абсолютной величине и в большинстве случаев не зависит от температуры и напряженности внешнего поля. Вектор намагниченности у них направлен навстречу вектору напряженности внешнего поля. Т.е. такое вещество ослабляет внешнее магнитное поле и магнитная индукция в таких веществах меньше, чем в вакууме. Пример: инертные газы, вода, медь, серебро, золото, ртуть, цинк, свинец, многие органические вещества.

В парамагнетиках – положительна и имеет малое значение (=10-2…10-5 (>1)), очень сильно зависит от температуры. У этих веществ атомы обладают отличными от нуля собственными магнитными моментами, которые в отсутствии внешнего поля ориентированы равновероятно по всем направлениям и средний магнитный момент вещества равен 0. Внешнее магнитное поле преодолевает дезориентирующее действие теплового движения атомов и ориентирует магнитные моменты атомов по полю. Эта ориентация превышает диамагнитный эффект, создаваемый прецессией электронных орбит. Общая намагниченность совпадает с направлением внешнего поля и исчезает вместе с исчезновением внешнего поля. Пример: многие металлы (магний, кальций, алюминий, хром) и соли железа, кобальта, редкоземельных элементов.

Ферромагнетики – это сильномагнитные вещества, у которых  достигает порядка 103…106 (>>1) и имеет сложную зависимость от температуры и внешнего поля. Они характерны еще тем, что выше определенной температуры, называемой точкой Кюри, ферромагнитное состояние переходит в парамагнитное. Пример: железо, никель, кобальт, гадомений, редкоземельные элементы, некоторые сплавы.

1.3.Основные свойства ферромагнетиков

Физические эксперименты показали, что ферромагнитные свойства определяются нескомпенсированными спинами электронов. Ферромагнетики – это вещества с достаточно большими порядковыми номерами, у которых нарушен нормальный порядок заполнения электронных оболочек, в результате чего атомы имеют внутренние незаполненные (недостроенные) оболочки. Благодаря наличию этих оболочек атомы этих элементов обладают нескомпенсированным магнитным моментом (для полностью заполненных оболочек магнитный момент равен 0).

Однако для получения ферромагнитных свойств этого недостаточно. Эти свойства наблюдаются только в кристаллическом состоянии при обменном взаимодействии атомов в кристалле, когда электроны незаполненных слоев принадлежат одновременно и своим и соседним атомам.

Такое взаимодействие характеризуется интегралом облака (из квантовой механики), величина и знак которого в значительной степени зависят от относительного расстояния между атомами в кристаллической решетке.

При положительном значении этого интеграла обменное взаимодействие атомов приводит к параллельной ориентации нескомпенсированных спинов. Это и обеспечивает самопроизвольную (спонтанную) намагниченность каждого микроскопического облака вещества – Js, которая характеризует его ферромагнитные свойства.

При отрицательном значении интеграла нескомпенсированные спины устанавливаются антипараллельно, они взаимно компенсируются и собственный магнитный момент вещества будет равен 0. Это свойство характерно для антиферромагнетизма.

Существует две разновидности антиферромагнетизма:

1. Скомпенсированный антиферромагнетизм, при котором антипараллельные магнитные моменты соседних атомов взаимно компенсируются и суммарный магнитный момент кристалла равен нулю.

2. Нескомпенсированный антиферромагнетизм, называемый также ферримагнетизмом, при котором отсутствует полная взаимная компенсация антипараллельных магнитных моментов.

Во втором случае – ферримагнетики. Наиболее важными ферримагнетиками являются ферриты.

Вследствие частичной взаимной компенсации антипараллельных магнитных моментов соседних атомов величина индукции насыщения ферримагнетиков обычно много меньше, чем у ферромагнетиков.

Кроме обменных взаимодействий, имеющих электростатический характер, в кристаллической решетке существует так называемое взаимное взаимодействие атомов. Природа его сложна. Рассмотрим упрощенно.

Это взаимодействие приводит к тому, что в отсутствии внешнего магнитного поля объем ферромагнетика самопроизвольно разбивается на большое число областей самопроизвольной намагниченности – называемой доменами.

Обменное взаимодействие обеспечивает параллельность магнитных моментов атомов только в пределах этих областей (W=10-1…10-6 см3). Каждый домен намагничен до предельного значения, а направление намагниченности соседних доменов не совпадают.

Поэтому ферромагнетик в отсутствии внешнего магнитного поля размагничен несмотря на ориентирующее действие обменных сил.

Процесс образования доменов (формирование их размеров) устанавливается тогда, когда полная энергия системы доменов будет равна минимальному значению.

При этом типичной картиной расположения векторов намагниченности будет их замкнутый вид в группе соседних доменов (силовые линии магнитного поля замкнуты).



Рис. 1.8.

Ферромагнетики имеют поликристаллическую структуру т.е. структуру, в которой единичное кристаллическая решетка повторяется во всех направлениях. Они имеют в основном три типа решеток: кубическую гранецентрированную, кубическую объемноцентрированную и гексагональную и состоят из зерен – кристаллов неправильной формы (кристаллитов).

Рассмотрим единичную кристаллическую решетку железа. Всего девять атомов, восемь вершин, одна в центре. Энергия магнитного взаимодействия атомов различна по величине в разных направлениях кристалла (ребро, диагональ, грани, диагональ куба), поэтому расположение магнитных моментов областей с самопроизвольной намагниченностью в одних направлениях будет более энергетически выгодны, чем в других. Для железа направления вдоль ребер – это направление легкого намагничивания.



Рис. 1.9.

Неоднородность магнитных свойств по различным кристаллографическим направлениям называют магнитной анизотропией.

При статически неупорядоченном расположении осей отдельных кристаллов (кристаллитов) их магнитная анизотропия взаимно компенсируется и материал в целом оказывается практически анизотропным в магнитном отношении.

Для улучшения магнитных свойств некоторые магнитные материалы подвергают специальной обработке, в результате которой оси всех кристаллов получают преимущественную ориентацию в каком-либо направлении внутри образца. Этот процесс называется текстурированием, а наличие такой ориентации – текстурой.

Способов создания текстуры несколько. В основном это прокатка в холодном состоянии и термическая обработка в магнитном поле.

Очень эффективной является холодная прокатка, т.к. обработка листа в одном и том же направлении вдоль его длины обеспечивает требуемую степень однородности кристаллической структуры.

Термическая обработка и отжиг после изготовления помогает уменьшить напряжение внутри материала и получить требуемую ориентацию зерен.

Отжиг в атмосфере водорода устраняет некоторые неметаллические примеси (С, О2, N), присутствие которых в сплаве мешает получению желаемой кристаллической структуры.

Термическая обработка в магнитном поле очень действенный и обычно последний этап процесса подготовки. Сплав нагревают до области температур близких к точке Кюри, а затем медленно охлаждают в магнитном поле, с напряженностью в несколько эрстед. По мере охлаждения материала магнитное поле вызывает в нем высокую степень ориентации зерен и дает хорошие магнитные свойства.

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13




Похожие:

Содержание краткие сведения о теории магнетизма и магнитных материалах 4 iconВ разделе представлены краткие ответы на часто задаваемые вопросы по Баллистической Теории Ритца. Приводимые материалы сжато излагают суть теории Ритца

Содержание краткие сведения о теории магнетизма и магнитных материалах 4 iconДокументы
1. /Краткие сведения о микросхемах/fig-281.doc
2. /Краткие...

Содержание краткие сведения о теории магнетизма и магнитных материалах 4 iconМ. Г. Мордовин 2009г. Подпись И. О. Фамилия
Краткие сведения о лицах, входящих в состав органов управления эмитента, сведения о банковских счетах, об аудиторе, оценщике и о...
Содержание краткие сведения о теории магнетизма и магнитных материалах 4 iconЕжеквартальныйотче т открытое акционерное общество "Станкозавод"
Краткие сведения о лицах, входящих в состав органов управления эмитента, сведения о банковских счетах, об аудиторе, оценщике и о...
Содержание краткие сведения о теории магнетизма и магнитных материалах 4 iconЕжеквартальныйотче т открытое акционерное общество "Станкозавод"
Краткие сведения о лицах, входящих в состав органов управления эмитента, сведения о банковских счетах, об аудиторе, оценщике и о...
Содержание краткие сведения о теории магнетизма и магнитных материалах 4 iconЕжеквартальныйотче т открытое акционерное общество "Станкозавод"
Краткие сведения о лицах, входящих в состав органов управления эмитента, сведения о банковских счетах, об аудиторе, оценщике и о...
Содержание краткие сведения о теории магнетизма и магнитных материалах 4 iconЕжеквартальныйотче т открытое акционерное общество "Станкозавод"
Краткие сведения о лицах, входящих в состав органов управления эмитента, сведения о банковских счетах, об аудиторе, оценщике и о...
Содержание краткие сведения о теории магнетизма и магнитных материалах 4 iconЕжеквартальныйотче т открытое акционерное общество "Станкозавод"
Краткие сведения о лицах, входящих в состав органов управления эмитента, сведения о банковских счетах, об аудиторе, оценщике и о...
Содержание краткие сведения о теории магнетизма и магнитных материалах 4 iconЕжеквартальныйотче т открытое акционерное общество "Станкозавод"
Краткие сведения о лицах, входящих в состав органов управления эмитента, сведения о банковских счетах, об аудиторе, оценщике и о...
Содержание краткие сведения о теории магнетизма и магнитных материалах 4 iconЕжеквартальныйотче т открытое акционерное общество "Станкозавод"
Краткие сведения о лицах, входящих в состав органов управления эмитента, сведения о банковских счетах, об аудиторе, оценщике и о...
Содержание краткие сведения о теории магнетизма и магнитных материалах 4 iconЕжеквартальныйотче т открытое акционерное общество "Станкозавод"
Краткие сведения о лицах, входящих в состав органов управления эмитента, сведения о банковских счетах, об аудиторе, оценщике и о...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов