Насыщенность (магнитная) - Saturation (magnetic)
В некоторых магнитных материалах насыщение - это состояние, достигнутое, когда увеличение приложенного внешнего магнитного поля H не может еще больше увеличить намагниченность материала, поэтому общая плотность магнитного потока B более или менее выравнивается. (Хотя намагниченность продолжает очень медленно расти вместе с полем из-за парамагнетизма .) Насыщение является характеристикой ферромагнитных и ферримагнитных материалов, таких как железо , никель , кобальт и их сплавы. Различные ферромагнитные материалы имеют разные уровни насыщения.
Описание
Насыщение наиболее четко видно на кривой намагничивания (также называемой кривой BH или кривой гистерезиса ) вещества, как изгиб вправо от кривой (см. График справа). По мере увеличения поля H поле B асимптотически приближается к максимальному значению , уровню насыщения вещества. Технически, выше насыщения, поле B продолжает увеличиваться, но с парамагнитной скоростью, которая на несколько порядков меньше ферромагнитной скорости, наблюдаемой ниже насыщения.
Связь между намагничивающим полем H и магнитным полем B также может быть выражена как магнитная проницаемость : или относительная проницаемость , где - проницаемость вакуума . Проницаемость ферромагнитных материалов не является постоянной, а зависит от Н . В насыщаемых материалах относительная проницаемость увеличивается с увеличением H до максимума, затем по мере приближения к насыщению меняется на противоположную и уменьшается в сторону единицы.
Разные материалы имеют разную степень насыщенности. Например, высокие проницаемость железо сплавы , используемые в трансформаторах достигают магнитное насыщение при 1,6-2,2 тесле (Т), в то время как ферриты насыщаются при 0,2-0,5 Т. Некоторые аморфные сплавы насыщаются при 1,2-1,3 Т. мю-металл насыщается на уровне около 0,8 Т.
Объяснение
Ферромагнитные материалы (например, железо) состоят из микроскопических областей, называемых магнитными доменами , которые действуют как крошечные постоянные магниты, которые могут изменять направление намагничивания. Перед тем как внешнее магнитное поле прикладывается к материалу, домены магнитные поля ориентированы в случайных направлениях, эффективно отменяя друг друга, так что чистый внешнее магнитное поле пренебрежимо мало. Когда к материалу прикладывается внешнее намагничивающее поле H , оно проникает в материал и выравнивает домены, заставляя их крошечные магнитные поля поворачиваться и выравниваться параллельно внешнему полю, складываясь вместе, чтобы создать большое магнитное поле B, которое простирается от материал. Это называется намагничиванием . Чем сильнее внешнее магнитное поле Н , тем больше доменов Align, что дает более высокую плотность магнитного потока B . В конце концов, при определенном внешнем магнитном поле доменные стенки сдвинулись настолько далеко, насколько это возможно, и домены выровнены настолько, насколько позволяет их кристаллическая структура, поэтому при увеличении внешнего магнитного поля наблюдается незначительное изменение доменной структуры. над этим. Намагниченность остается почти постоянной и считается насыщенной. Доменная структура при насыщении зависит от температуры.
Эффекты и использование
Насыщение накладывает практический предел на максимальные магнитные поля, достижимые в электромагнитах и трансформаторах с ферромагнитным сердечником, около 2 Тл, что накладывает ограничение на минимальный размер их сердечников. Это одна из причин , почему двигатели высокой мощности, генераторы и коммунальные трансформаторы физически велико; чтобы проводить большой магнитный поток, необходимый для производства высокой мощности, они должны иметь большие магнитные сердечники. В приложениях, в которых вес магнитных сердечников должен быть минимальным, таких как трансформаторы и электродвигатели в самолетах, часто используется сплав с высоким насыщением, такой как Permendur .
В электронных схемах трансформаторы и катушки индуктивности с ферромагнитными сердечниками работают нелинейно, когда ток через них достаточно велик, чтобы привести материалы их сердечников в состояние насыщения. Это означает, что их индуктивность и другие свойства меняются при изменении тока возбуждения. В линейных цепях это обычно считается нежелательным отклонением от идеального поведения. При подаче сигналов переменного тока эта нелинейность может вызвать генерацию гармоник и интермодуляционных искажений. Чтобы предотвратить это, уровень сигналов, подаваемых на индукторы с железным сердечником, должен быть ограничен, чтобы они не насыщались. Чтобы снизить его влияние, в некоторых типах сердечников трансформатора создается воздушный зазор. Ток насыщения , ток через обмотку требуется для насыщения магнитного сердечника, даются производителями в спецификациях для многих индукторов и трансформаторов.
С другой стороны, в некоторых электронных устройствах используется насыщение. Насыщение используется для ограничения тока в трансформаторах с насыщаемым сердечником , используемых при дуговой сварке , и феррорезонансных трансформаторах, которые служат в качестве регуляторов напряжения . Когда первичный ток превышает определенное значение, сердечник переводится в область насыщения, ограничивая дальнейшее увеличение вторичного тока. В более сложных приложениях индукторы с насыщаемым сердечником и магнитные усилители используют постоянный ток через отдельную обмотку для управления импедансом катушки индуктивности . Изменение тока в обмотке управления перемещает рабочую точку вверх и вниз на кривой насыщения, контролируя переменный ток через катушку индуктивности. Они используются в регулируемых балластах люминесцентных ламп и системах управления мощностью.
Насыщение также используется в феррозондовых магнитометрах и феррозондовых компасах .
В некоторых аудиоприложениях намеренно используются насыщаемые трансформаторы или катушки индуктивности для внесения искажений в аудиосигнал. Магнитное насыщение генерирует гармоники нечетного порядка, обычно вносящие искажения третьей и пятой гармоник в нижний и средний диапазон частот.