Относительная магнитная проницаемость - важный параметр, характеризующий способность вещества намагничиваться в магнитном поле. От этого свойства зависят многие характеристики электротехнических устройств. Давайте разберемся, что такое магнитная проницаемость, как она влияет на работу оборудования и как можно ее использовать.
Определение относительной магнитной проницаемости
Относительная магнитная проницаемость μ - это безразмерная величина, показывающая, во сколько раз магнитная индукция B в данном веществе больше, чем в вакууме:
μ = B/H
где Н - напряженность магнитного поля.
Относительная магнитная проницаемость связана с абсолютной магнитной проницаемостью μа соотношением:
μ = μа/μ0
где μ0 = 4π·10-7 Гн/м - магнитная постоянная.
В отличие от абсолютной, относительная магнитная проницаемость - безразмерная величина. Она показывает, во сколько раз магнитные свойства данного вещества отличаются от свойств вакуума.
Аналогом магнитной проницаемости в электростатике является диэлектрическая проницаемость ε, характеризующая поляризуемость диэлектрика в электрическом поле.
Влияние магнитной проницаемости на индуктивность
Из опытов М.Фарадея известно, что индуктивность катушки зависит от свойств среды, в которой она находится. Если поместить катушку в однородное вещество, то при протекании тока вокруг нее будет создаваться магнитное поле, локализованное внутри этого вещества.
Под действием магнитного поля катушки вещество намагничивается и создает собственное дополнительное поле. В результате суммарное магнитное поле внутри вещества оказывается сильнее, чем в вакууме при том же токе в катушке.
Это приводит к увеличению магнитного потока через катушку и росту ее индуктивности. Чем легче намагничивается вещество, тем выше его магнитная проницаемость и индуктивность катушки в этом веществе.
Причина намагничивания вещества во внешнем магнитном поле - существование микроскопических токов внутри атомов и молекул. Именно магнитные моменты атомов, выстраиваясь по направлению поля, и создают намагниченность.
Таким образом, магнитная проницаемость характеризует способность вещества намагничиваться и усиливать внешнее магнитное поле.
Типы магнитных материалов
По величине относительной магнитной проницаемости различают несколько основных типов магнитных материалов:
- Диамагнетики (μ < 1) - слабо намагничиваются в магнитном поле, ослабляя его. Примеры: медь, золото, кремний.
- Парамагнетики (μ > 1) - намагничиваются по направлению магнитного поля. Примеры: алюминий, вольфрам, кислород.
- Ферромагнетики (μ >> 1) - легко намагничиваются, сохраняют остаточную намагниченность. Примеры: железо, кобальт, никель.
- Сверхпроводники (μ = 0) - полностью выталкивают магнитное поле из своего объема.
Магнитная проницаемость вакуума равна 1. Для воздуха в технических расчетах также принимают μ = 1.
Наиболее важной группой являются ферромагнетики, обладающие высокой магнитной проницаемостью. Именно их используют для создания постоянных магнитов, электромагнитов и магнитопроводов.
Однако зависимость μ(H) у ферромагнетиков нелинейна из-за гистерезиса. Поэтому величина μ может быть определена только приближенно в ограниченном диапазоне намагничивающего поля H.
Влияние магнитной проницаемости на работу электротехнических устройств
Высокая магнитная проницаемость ферромагнетиков широко используется в электротехнике для улучшения характеристик различных устройств.
Помещение ферромагнитного сердечника в катушку приводит к резкому росту ее индуктивности. Это свойство применяется в дросселях, трансформаторах, электрических машинах.
Благодаря высокой магнитной проницаемости ферромагнетики используют для создания замкнутых магнитопроводов, направляющих магнитный поток по заданной траектории с минимальным рассеянием.
В сердечники силовых трансформаторов часто помещают ферриты – магнитомягкие материалы, обладающие гигантской магнитной проницаемостью при слабых полях.
Применение электротехнической стали с высокой μ позволяет уменьшить потери на вихревые токи и гистерезис в стали, повысив КПД трансформаторов и электрических машин.
Измерение магнитной проницаемости
Для измерения магнитной проницаемости материалов используются специальные приборы – пермеаметры. В них образец помещается в зазор между полюсами электромагнита.
Стандартные методы позволяют исследовать μ в широком диапазоне частот и напряженностей магнитного поля. Определяют начальную, максимальную и эффективную магнитную проницаемость.
Для ферромагнетиков строят петлю гистерезиса, отражающую нелинейную зависимость μ(H). Изучают зависимость магнитной проницаемости от температуры, давления и других факторов.
Особое внимание уделяют исследованию магнитных свойств анизотропных и композитных материалов, перспективных для применения в технике.
Применение материалов с заданной магнитной проницаемостью
Для различных устройств требуются материалы с определенными значениями μ. Это достигается подбором химического состава и структуры сплавов, а также методами термической и механической обработки.
Для СВЧ-техники разработаны ферриты со сверхвысокой проницаемостью и минимальными потерями. Перспективны нанокристаллические сплавы, магнитные жидкости, материалы с перестраиваемой структурой.
Заданная магнитная проницаемость может быть получена в композитах, керамике, пластмассах с введением порошков ферромагнитных материалов.
Влияние внешних факторов на магнитную проницаемость
Магнитная проницаемость сильно зависит от температуры. При нагреве выше точки Кюри ферромагнетики теряют свои свойства.
Пластическая деформация и механические напряжения могут значительно изменить μ за счет наведения анизотропии и перестройки доменной структуры.
Облучение высокоэнергетическими частицами приводит к распаду твердых растворов в ферромагнетиках и резкому падению магнитной проницаемости.
Таким образом, внешние воздействия можно использовать для управления магнитными свойствами перспективных материалов в технических устройствах.
Перспективы использования магнитной проницаемости
Интенсивные исследования магнитных материалов открывают новые возможности применения их уникальных свойств, связанных с высокой магнитной проницаемостью.
Разработка метаматериалов и фотонных кристаллов со сверхвысокой μ на определенных частотах позволит создать компактные СВЧ-устройства нового поколения.
Использование магнитной проницаемости в spintronics открывает перспективы революционных магнитных устройств записи и хранения информации.
Эффекты магнитного резонанса и гипертермии активно применяются в медицинской диагностике и лечении онкологических заболеваний.
