Анализ основных свойств проводниковых материалов в конструкциях РЭС, страница 2

Магнитная релаксация – установление термодинамического равновесия в системе магнитных моментов вещества. Она определяется взаимодействием носителей магнитных свойств (главным образом, электронов) друг с другом и кристаллической решеткой, в результате чего происходит переход энергии движения магнитных моментов в теплоту и, как следствие, снижение внутренней энергии системы. Процесс магнитной релаксации необратим и связан с потерей энергии. С квантово-механической точки зрения процессы релаксации описываются как рассеяние магнонов (спиновых волн) друг на друге, на фононах (тепловых колебаниях решетки) и на электронах проводимости (в металлах).

В ферромагнетиках резонансные явления связаны с избирательным поглощением энергии электромагнитного поля при частотах, совпадающих с собственными частотами колебаний граничных слоев доменов или частотами прецессии магнитных моментов электронной системы ферромагнетика.

В низкочастотной области зависимости от частоты обусловлены главным образом релаксацией граничных слоев доменов, связанной с диффузией атомов примесей в случае металлов и с диффузией электронов – в случае ферритов. В радиочастотной области частотные зависимости вызваны резонансом границ между доменами  и релаксацией граничных слоев, связанной в случае ферромагнитных металлов с микроскопическими вихревыми токами, а в случае ферритов – со спин-спиновым и спин-решеточным взаимодействиями. В сверхвысокочастотной области зависимости обусловлены естественным ферромагнитным резонансом, связанным с прецессией и релаксацией магнитных моментов.

В ряде случаев зависимость  может быть и более сложной вследствие ряда эффектов: поверхностного эффекта, магнитострикционного резонанса и электромагнитного излучения и др.

Потери энергии в ферромагнетиках

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 магнитное последействие. Вкладом последнего механизма в разогрев обычно можно пренебречь.

На рис.7. и рис. 8. представлены зависимости мощности потерь от частоты и напряженности магнитного поля соответственно.

Площадь статической петли характеризует потери энергии на гистерезис, обусловленные необратимыми процессами смещения границ доменов и вращения вектора намагниченности за один цикл намагничивания. При быстром изменении напряженности поля, кроме потерь на гистерезис, возникают и быстро возрастают с ростом частоты перемагничивания потери на вихревые токи.

   , Вт/кг,

,  Вт/кг, где  - частота перемагничивания, Гц;

 - максимальная индукция, Тл;

 - коэффициент, зависящий от свойств материала;

n – коэффициент, зависящий от напряженности поля; 1,6-2 в слабых полях и 3-3,5 в средних полях.

 - коэффициент, зависящий от толщины, плотности и удельного сопротивления материала образца.

Составляющая мощности потерь на вихревые токи пропорциональна квадрату частоты, поэтому график зависимости будет иметь вид параболы. Аналогичные рассуждения можно провести для зависимости потерь от напряженности поля.

Кроме потерь на гистерезис и вихревые токи, в магнитных материалах происходят потери, связанные с отставанием изменения магнитных от изменения напряженности магнитного поля (потери на магнитную вязкость и магнитное последействие); их нельзя рассчитать аналитически и они определяются как разность полных потерь (пропорциональных площади динамической петли гистерезиса) и потерь на гистерезис и вихревые токи. Очевидно, что площадь динамической петли гистерезиса превышает площадь статической петли при той же максимальной индукции.

Энергия и мощность потерь связаны соотношением:

                                                                      

Видно, что энергия пропорциональна мощности потерь, а зависимость мощности от напряженности имеет вид параболы (рис. 8.), поэтому можно сделать вывод о том, что зависимость энергии тоже будет иметь вид гиперболы.

Как видно из этого выражения, энергия потерь пропорциональна частоте внешнего магнитного поля.

Рис. 10. Зависимость энергии потерь от напряженности поля

Рис.9. Зависимость потерь на перемагничивание ферромагнетика за один период изменения поля от частоты

Индуктивность

График зависимости индуктивности от частоты приведен на рис. 11.

Рис. 11. Зависимость индуктивности L от частоты f.

Индуктивность при малых амплитудах напряженности поля находится из выражения:

Из соотношения можно сделать вывод об обратно пропорциональной зависимости индуктивности от частоты внешнего магнитного поля.

Вывод работы: В результате хода лабораторной работы ознакомились с основными магнитными свойствами низкочастотных металлических ферромагнетиков и их зависимости от напряжённости магнитного поля и частоты. Оказалось, что при увеличении напряженности магнитного поля магнитная индукция сначала увеличивается, затем наступает насыщение: увеличение напряженности поля не вызывает увеличение магнитной индукции. При увеличении частоты потери увеличиваются пропорционально её квадрату, что делает применение ферромагнетиков при больших частотах нецелесообразным.