Из многолетней технической практики нам известно, что индуктивность катушки сильно зависит от характеристик среды, где эта катушка находится. Если в катушку из медной проволоки, обладающую известной индуктивностью L0, добавить ферромагнитный сердечник, то при прочих прежних обстоятельствах токи самоиндукции (экстратоки замыкания и размыкания) в данной катушке многократно увеличатся, эксперимент это подтвердит, что и будет означать возросшую в несколько раз индуктивность, которая теперь станет равна L.
Допустим, что окружающая среда, вещество, заполняющее пространство внутри и вокруг описанной катушки, однородно, и порождаемое текущим по ее проводу током, магнитное поле локализовано только в этой обозначенной области, не выходя за ее границы.
Если катушка имеет тороидальную форму, форму замкнутого кольца, то данная среда вместе с полем окажется сосредоточена только внутри объема катушки, ибо снаружи тороида практически полностью магнитное поле отсутствует. Справедливо данное положение и для длинной катушки — соленоида, у которого все магнитные линии так же сосредоточены внутри — по оси.
Для примера допустим, что индуктивность некоторого контура или катушки без сердечника в вакууме равна L0. Тогда для такой же катушки, но уже в однородном веществе, которое заполняет пространство, где присутствуют магнитные силовые линии данной катушки, индуктивность пусть будет равна L. В этом случае получится, что отношение L/L0 – это есть ни что иное, как относительная магнитная проницаемость названного вещества (иногда говорят просто «магнитная проницаемость»).
Становится очевидно: магнитная проницаемость — это величина, которая характеризует магнитные свойства данного вещества. Она зачастую зависит от состояния вещества (и от условий окружающей среды, таких как например температура и давление) и от его рода.
Введение термина «магнитная проницаемость», применительно к веществу, размещенному в поле магнитном, аналогично введению термина «диэлектрическая проницаемость» для вещества находящегося в поле электрическом.
Значение магнитной проницаемости, определяемое по приведенной выше формуле L/L0, может быть выражена и как отношение абсолютных магнитных проницаемостей данного вещества и абсолютной пустоты (вакуума).
Фактически видим, что среда (магнетик) влияет на индуктивность контура, и это однозначно свидетельствует о том, что изменение среды приводит к изменению магнитного потока Ф, пронизывающего контур, а значит и к изменению индукции В, применительно к любой точке магнитного поля.
Это происходит потому, что среда намагничивается, и сама начинает обладать магнитным полем. Вещества, способные таким образом намагничиваться, называют магнетиками.
Физическая картина явления
Из вышеизложенного становится ясно, что различные вещества (магнетики) под действием магнитного поля контура с током намагничиваются, и в результате получается магнитное поле, являющееся суммой магнитных полей — магнитного поля от намагниченной среды плюс от контура с током, потому оно отличается по величине от поля только контура с током без среды. Причина намагничивания магнетиков кроется в существовании мельчайших токов внутри каждого их атома.
По значению магнитной проницаемости, вещества классифицируются на диамагнетики (меньше единицы — намагничиваются против приложенного поля), парамагнетики (больше единицы — намагничиваются по направлению приложенного поля) и ферромагнетики (сильно больше единицы — намагничиваются, и обладают намагниченностью после отключения приложенного магнитного поля).
Ферромагнетикам свойственен гистерезис, поэтому понятие «магнитная проницаемость» в чистом виде к ферромагнетикам не применимо, но в некотором диапазоне намагничивания, в некотором приближении, можно выделить линейный участок кривой намагничивания, для которого получится оценить магнитную проницаемость.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Предлагаемая методика и соответствующая ей программа (MUCalculator.exe) предназначены для измерения и расчета магнитной проницаемости материалов магнитопроводов импульсных блоков питания. Это позволяет использовать магнитопроводы без маркировки или с неизвестной маркировкой.
На страницах сайта и на страницах радиолюбительских журналов опубликовано множество описаний импульсных блоков питания. Один из основных элементов такого устройства — импульсный трансформатор, от правильного расчета которого зависят работоспособность, надежность и долговечность блока и питаемого прибора. В описаниях этих устройств указаны материал и типоразмер магнитопровода, а также намоточные данные трансформатора, поэтому проблем с изготовлением устройства не возникает. А как быть радиолюбителю, который решил повторить устройство, но не может найти нужный магнитопровод? На помощь приходят методики и программы расчета импульсного трансформатора [1, 2]. Зачастую у радиолюбителя накапливаются трансформаторы от различных блоков питания телевизоров, компьютеров и прочей бытовой техники. Если магнитопровод имеет маркировку, то нужную для расчета информацию находят в справочниках [3, 4] или на сайтах в Интернете (особенно для зарубежных ферритов). Эти параметры подставляют в формулы или вводят в программы. Но попадаются магнитопроводы, которые не имеют никаких опознавательных знаков (а если и имеют, то что-либо определить по ним трудно). Предлагаемая методика была разработана именно для таких магнитопроводов.
Она основана на известной формуле расчета индуктивности тороидальной обмотки
Для практических расчетов более удобна формула, полученная из (2), в которой индуктивность выражена в микрогенри, а размеры — в миллиметрах:
Кроме индуктивности, для расчета магнитной проницаемости материала магнитопровода нужно еще знать параметры l и S. Следует учесть, что формула (3) приближенная и дает наиболее точный результат для тороидальных (кольцевых) магнитопроводов. Для других типов (Ш-образный, П-образный, броневой), которые имеют разветвленную магнитную цепь, сложно вывести точные формулы, связывающие индуктивность, магнитную проницаемость и размеры магнитопровода. Поэтому расчеты ведут, используя так называемые эквивалентные размеры l и S ([5], с. 20—36), которые подставляют в формулу (3). Для радиолюбительской практики такой точности достаточно. В таблице перечислены формулы для определения l и S для наиболее распространенных типов магнитопроводов [5].
Работу ведут в определенной последовательности.
1. На исследуемый магнитопровод наматывают пробную обмотку, например, из 10…20 витков провода диаметром 0,3…0,4 мм (их число и диаметр роли не играют). Важно, чтобы витки равномерно по всей длине разместились на магнитопроводе. Для удобства расчета по формуле (3) лучше намотать 10 витков. Затем измеряют индуктивность пробной обмотки в микрогенри. Если магнитопровод состоит из нескольких частей (Ш-образный, П-образный, броневой), то его нужно сжать, чтобы устранить или минимизировать немагнитный зазор, который уменьшает индуктивность пробной обмотки и занижает вычисленное значение магнитной проницаемости материала. Также следует учесть влияние инструментов, стягивающих болтов и шпилек, поэтому желательно, чтобы они были изготовлены из немагнитных материалов.
3. Измеренную в микрогенри индуктивность, число витков w, а также значения l и S подставляют в формулу (3) и определяют магнитную проницаемость материала магнитопровода.
После запуска программы MUCalculator.exe открывается ее окно (рис. 6). В его верхней части расположена строка меню, содержащая два пункта: Файл и Справка. Пункт меню Файл состоит из команд: Сохранить — сохраняет текущий расчет в текстовом файле внутри папки с программой, Печать — печатает текущий расчет на системном принтере, Рассчитать — выполняет расчет магнитной проницаемости выбранного магнитопровода, Выход — выход из программы без сохранения текущего расчета. Пункт меню Справка информирует пользователя о программе и ее авторе. Часть окна программы ниже строки меню состоит из пяти панелей (рис. 6):
8 — выбор типа магнитопровода, 7 — ввод его размеров, 1 — вывод изображения чертежа магнитопровода, 2 — расчет, 3 — вывод результата расчета. Последняя панель имеет три кнопки: 6 — очистка полей ввода, 5 — вызов справки, 4 — выход из программы.
Ю. ИЛИТИЧ, пгт. Верховина Ивано-Франковской обл., Украина
Радио, №4 2011г стр. 30-32
ЛИТЕРАТУРА 1. Косенко С. Расчет импульсного трансформатора двухтактного преобразователя Радио, 2005, № 4. с. 35-37, 44. 2. Москатов Е, Методика и программа расчета импульсного трансформатора двухтактного преобразователя. — Радио, 2006, № 6, с. 35-37 3. Куневич А. В., Сидоров И. Н. Индуктивные элементы на ферритах. Ферритовые сердечники в узлах радиоаппаратуры. Справочник домашнего мастера. — Л.: Лениздат, 1997. 4. Сидоров И. Н., Христинин А. А., Скорняков С. В. Малогабаритные магнитопрово-ды и сердечники. — М.: Радио и связь, 1989. 5. Гликман И. Я., Русин Ю. С, Горский А. Н. Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. — М.: Радио и связь, 1991.
Программа для определения проницаемости проверялась на WIN XP SP3, необходим Net framework 3.0
На этой странице порассуждаем о тороидальных магнитопроводах из ферритов, распылённого железа, электротехнической стали и их способности противостоять постоянному току.
Зависимость приведена при температуре изделия +25 гр.С.
Интересующие нас параметры из datasheet-а производителя:
Переходим к незамысловатым формулам!
Поскольку рабочий режим магнитопровода мы выбираем в линейной области петли гестерезиса, то в качестве значения µ можно использовать паспортную характеристику начальной магнитной проницаемости сердечника.
Теперь можно рисовать калькулятор для расчёта магнитной индукции в катушке с учетом выбранного типа сердечника и конкретного количества витков обмотки.
ТАБЛИЦА РАСЧЁТА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В КАТУШКЕ С ТОРОИДАЛЬНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ.
Давайте посчитаем этот параметр.
РАСЧЁТ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СЕРДЕЧНИКА С ЗАЗОРОМ.
Таблица даёт приблизительную, но, в большинстве своём, приемлемую точность расчёта при величинах длины воздушного зазора 0,2-2 мм.
Определив ниже магнитную проницаемость сердечника с зазором, следует ввести это значение в предыдущий калькулятор и заново произвести вычисления магнитной индукции и индуктивности катушки.
Для наглядности приведу два графика петли гистерезиса Ш-образного ферритового сердечника марки N87 без немагнитного воздушного зазора и с зазором около 1 мм. Феррит ETD 59/31/22, достаточно крупный, с средней длиной магнитного контура le = 139 мм. Механизмы влияния зазора у Ш-образных и тороидальных сердечников абсолютно идентичны.
Эквивалентная магнитная проницаемость сердечника с зазором уменьшилась и составила величину 160 единиц. Соответственно, уменьшился и наклон петли, позволяя сердечнику работать при гораздо больших значениях напряжённости магнитного поля вдали от области магнитной индукции насыщения сердечника. А учитывая то, что значение напряжённости H прямо пропорционально, протекающему через катушку току, можно с уверенностью сказать, что область безопасных индукций теперь соответствует более чем на порядок большим токам в обмотке.
Линейная область петли гистерезиса также заметно увеличилась, что позволяет увеличить максимальные рабочие значения магнитной индукция в сердечнике вплоть до 0,85-0,9 от значения справочной характеристики Bнас (Bs).
Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость вещества
Проведение второго опыта дает понять, что наличие магнитного потока значительно больше, чем в первом. Если повторить процесс, но с задействованием сердечника разной толщины, то получаем максимальный поток при полном заполнении соленоида железом, то есть при плотно навитой обмотке на сердечнике. Имеем, что:
Увеличение магнитного потока при введении сердечника в соленоид обусловлено появлением магнитного потока, создаваемого совокупностью ориентированных амперовых молекулярных токов, и присоединение его к уже имеющемуся магнитному потоку от тока обмотки соленоида. Происходит ориентировка молекулярных токов под влиянием магнитного поля, их суммарный момент больше не равняется нулю, потому как происходит возникновение дополнительного магнитного поля.
Магнитная проницаемость. Измерения
Величина μ характеризует магнитные свойства среды и называется магнитной проницаемостью (относительной магнитной проницаемостью).
Она является безразмерной характеристикой вещества. Если происходит увеличение потока Φ в μ раз, это говорит о том, что магнитная индукция B → в сердечнике во столько же раз больше, чем в вакууме при том же токе в соленоиде. Запись примет вид:
Если формула B → = μ H → применится в опыте с сердечником, тогда при его отсутствии:
Равенство B → = μ B 0 → выполняется, поэтому
Магнитная восприимчивость вещества
Обычно связь вектора намагниченности J → и вектора напряженности в каждой точке магнетика обозначается:
χ является магнитной восприимчивостью. Величина безразмерная. Если вещество неферромагтиное и обладает небольшим полем, то χ не зависит от напряженности, является скалярной величиной.
Анизотропные среды предполагают χ в качестве тензора, направления J → и H → не совпадают.
Связь между магнитной восприимчивостью и магнитной проницаемостью
Из определения вектора напряженности магнитного поля:
Напряженность приобретает вид:
При сравнении B → = μ μ 0 H → и H → = B → μ 0 1 + χ → B → = μ 0 ( 1 + χ ) H → :
Следует применить выражение, которое показывает связь напряженности магнитного поля и намагниченности, то есть:
Далее произведем поиск поля в центре витка с током, так как необходимо вычислить намагниченность в этой точке.
Произведем подстановку d H = 1 4 π I d l R 2 в H = ∮ d H :
В природе существует несколько видов силовых полей. Одним из них является магнитное поле (МП). В физике под ним понимают силу, действующую на перемещающиеся электрические заряды, обладающие магнитным моментом. Каждое тело в том или ином виде характеризуется восприимчивостью к такого роду полю.
Для понимания процесса можно провести эксперимент. Если взять кольцо индуктивности и пропустить через него электрический ток, то вокруг него возникнет электромагнитное поле. Если в катушку вставить железный сердечник, то магнитные свойства усилятся. Другими словами, железо усиливает магнитное поле, созданное током, протекающим по виткам. Получается, что появляется дополнительный источник магнетизма — железо. По принципу суперпозиции векторы источников складываются. Возникает усиленное поле.
Допустим, магнитная индукция поля, создаваемая только током, имеет величину B0, а веществом — B1. Вектор магнитной индукции в материале будет складываться из этих двух величин: B = B0 + B1. Основываясь на эксперименте, физики решили ввести новую величину, которая характеризует, насколько вещество изменяет магнитное поле. Этот параметр было решено обозначить символом μ и назвать магнитной проницаемостью. Её единицей измерения стала безразмерная величина.
Таким образом, физический смысл магнитной проницаемости вещества заключается в величине, равной отношению модуля вектора магнитной индукции поля в материале к создаваемому теми же токами полю без дополнительных элементов. Для вакуума формула магнитной проницаемости имеет вид μ = B / B0. По сути параметр является магнитным аналогом диэлектрической проницаемости. Но если диэлектрики всегда ослабляют поле, то магнетики его усиливают.
Виды проницаемости и формулы
Восприимчивость к магнетизму зависит от вида среды и определяется её свойствами. Поэтому принято говорить о способности к проницаемости конкретной системы, имея в виду состав, состояние, температуру и другие исходные данные.
Существует четыре вида проницаемости:
Если среда однородная и изотропная, то проницаемость определяется по формуле:μ = В/(μoН), где: B — магнитная индукция; H — напряжённость; μo — константа. Постоянный коэффициент в формуле водится для записи уравнения магнетизма в рациональной форме для проведения расчётов. Знак его всегда постоянный. Он позволяет связать между собой относительную магнитную проницаемость и абсолютную.
Магнитная восприимчивость связана с проницаемостью простым выражением μ = 1 + χ. Эта формула справедлива, если все параметры будут измеряться в СИ. В единицах СГС равенство примет вид μ = 1 + 4πx. Например, проницаемость вакуума равняется единице, так как x = 0. Она безразмерна и помогает оценить способность намагничивания материала в МП.
Если на материал одновременно воздействует постоянное и переменное магнитное поле, то для описания процесса вводят дополнительное понятие — дифференциальную проницаемость. Наибольшее значение дифференциального параметра всегда будет превышать статическую составляющую μ = (1/μо)*(dB/dH). Эта формула по своему виду напоминает выражение, описывающее трение.
Разделение веществ
В пятидесятые годы девятнадцатого столетия Фарадей исследовал влияние веществ на МП. В итоге он пришёл к выводу, что все материалы без исключения влияют на поле. Отсюда следует, что любое вещество является источником своего МП, но при условии его помещения во внешнее поле. Это явление было названо намагниченностью.
По результатам своего исследования Фарадей разделил все физические элементы на три класса, дав определение каждому из них:
