Sättigung (magnetisch) – Wikipedia

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Der Zustand beim Erhöhen eines angelegten magnetischen H-Feldes erhöht die Magnetisierung bei einigen magnetischen Materialien nicht weiter

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In einigen magnetischen Materialien gesehen, Sättigung ist der Zustand, in dem ein Anstieg des angelegten externen Magnetfeldes erreicht wird H. kann die Magnetisierung des Materials nicht weiter erhöhen, also die gesamte magnetische Flussdichte B. mehr oder weniger abflachen. (Aufgrund des Paramagnetismus nimmt sie mit dem Feld sehr langsam weiter zu.) Die Sättigung ist ein Merkmal ferromagnetischer und ferrimagnetischer Materialien wie Eisen, Nickel, Kobalt und deren Legierungen. Unterschiedliche ferromagnetische Materialien haben unterschiedliche Sättigungsgrade.

Beschreibung[edit]

Die Sättigung ist am deutlichsten in der zu sehen Magnetisierungskurve (auch genannt BH Kurve oder Hysteresekurve) eines Stoffes als Biegung rechts von der Kurve (siehe Grafik rechts). Als die H. Feld erhöht sich, die B. Feld nähert sich asymptotisch einem Maximalwert, dem Sättigungsgrad für die Substanz. Technisch gesehen ist oberhalb der Sättigung die B. Das Feld nimmt weiter zu, jedoch mit der paramagnetischen Rate, die mehrere Größenordnungen kleiner ist als die ferromagnetische Rate unterhalb der Sättigung.[2]

Die Beziehung zwischen dem Magnetisierungsfeld H. und das Magnetfeld B. kann auch als magnetische Permeabilität ausgedrückt werden:

μ=B./.H.{ displaystyle mu = B / H}

oder der relative Permeabilität

μr=μ/.μ0{ displaystyle mu _ {r} = mu / mu _ {0}}

, wo

μ0{ displaystyle mu _ {0}}

ist die Vakuumpermeabilität. Die Permeabilität ferromagnetischer Materialien ist nicht konstant, sondern hängt davon ab H.. In sättigbaren Materialien nimmt die relative Permeabilität mit zu H. bis zu einem Maximum, wenn es sich der Sättigung nähert, kehrt es sich um und nimmt gegen eins ab.[2][3]

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Unterschiedliche Materialien haben unterschiedliche Sättigungsgrade. Beispielsweise erreichen in Transformatoren verwendete Eisenlegierungen mit hoher Permeabilität eine magnetische Sättigung von 1,6 bis 2,2 Teslas (T),[4] Ferrate sättigen sich bei 0,2–0,5 T. T.[5] Einige amorphe Legierungen sättigen bei 1,2–1,3 T. T.[6]Mu-Metall sättigt sich bei etwa 0,8 T. T.[7][8]

Aufgrund der Sättigung ist die magnetische Permeabilität μf einer ferromagnetischen Substanz erreicht ein Maximum und nimmt dann ab

Erläuterung[edit]

Ferromagnetische Materialien (wie Eisen) bestehen aus mikroskopischen Bereichen, die als magnetische Domänen bezeichnet werden und wie winzige Permanentmagnete wirken, die ihre Magnetisierungsrichtung ändern können. Bevor ein externes Magnetfeld an das Material angelegt wird, werden die Magnetfelder der Domänen in zufällige Richtungen ausgerichtet, wodurch sie sich effektiv gegenseitig aufheben, sodass das externe Nettomagnetfeld vernachlässigbar klein ist. Bei einem externen Magnetisierungsfeld H. Wird es auf das Material aufgebracht, dringt es in das Material ein und richtet die Domänen aus, wodurch sich ihre winzigen Magnetfelder drehen und parallel zum externen Feld ausrichten und sich zu einem großen Magnetfeld addieren B. welches sich aus dem Material heraus erstreckt. Dies nennt man Magnetisierung. Je stärker das externe Magnetfeld H.Je mehr sich die Domänen ausrichten, desto höher ist die magnetische Flussdichte B.. Schließlich haben sich bei einem bestimmten externen Magnetfeld die Domänenwände so weit wie möglich bewegt, und die Domänen sind so ausgerichtet, wie es die Kristallstruktur zulässt, so dass sich die Domänenstruktur beim Erhöhen des externen Magnetfelds vernachlässigbar ändert darüber. Die Magnetisierung bleibt nahezu konstant und soll gesättigt sein.[9] Die Domänenstruktur bei Sättigung hängt von der Temperatur ab.[9]

Effekte und Anwendungen[edit]

Die Sättigung begrenzt praktisch die maximalen Magnetfelder, die in Elektromagneten und Transformatoren mit ferromagnetischem Kern von etwa 2 T erreicht werden können, wodurch die minimale Größe ihrer Kerne begrenzt wird. Dies ist ein Grund, warum Hochleistungsmotoren, Generatoren und Netztransformatoren physikalisch groß sind. Um die großen Mengen an Magnetfluss zu leiten, die für die Hochleistungserzeugung erforderlich sind, müssen sie große Magnetkerne aufweisen. Bei Anwendungen, bei denen das Gewicht von Magnetkernen auf ein Minimum beschränkt werden muss, wie z. B. Transformatoren und Elektromotoren in Flugzeugen, wird häufig eine Legierung mit hoher Sättigung wie Permendur verwendet.

In elektronischen Schaltkreisen arbeiten Transformatoren und Induktivitäten mit ferromagnetischen Kernen nichtlinear, wenn der Strom durch sie groß genug ist, um ihre Kernmaterialien in die Sättigung zu treiben. Dies bedeutet, dass ihre Induktivität und andere Eigenschaften mit Änderungen des Antriebsstroms variieren. In linearen Schaltungen wird dies normalerweise als unerwünschte Abweichung vom idealen Verhalten angesehen. Wenn Wechselstromsignale angelegt werden, kann diese Nichtlinearität die Erzeugung von Harmonischen und Intermodulationsverzerrungen verursachen. Um dies zu verhindern, muss der Pegel der an Eisenkerninduktoren angelegten Signale begrenzt werden, damit sie nicht gesättigt werden. Um die Auswirkungen zu verringern, wird in einigen Arten von Transformatorkernen ein Luftspalt erzeugt.[10] Das SättigungsstromDer Strom durch die Wicklung, der zur Sättigung des Magnetkerns erforderlich ist, wird von den Herstellern in den Spezifikationen für viele Induktivitäten und Transformatoren angegeben.

Andererseits wird die Sättigung in einigen elektronischen Geräten ausgenutzt. Die Sättigung wird verwendet, um den Strom in zu begrenzen Transformatoren mit sättigbarem Kern, verwendet beim Lichtbogenschweißen und Ferroresonanttransformatoren, die als Spannungsregler dienen. Wenn der Primärstrom einen bestimmten Wert überschreitet, wird der Kern in seinen Sättigungsbereich gedrückt, wodurch weitere Erhöhungen des Sekundärstroms begrenzt werden. In einer anspruchsvolleren Anwendung verwenden sättigbare Kerninduktoren und Magnetverstärker einen Gleichstrom durch eine separate Wicklung, um die Impedanz eines Induktors zu steuern. Durch Variieren des Stroms in der Steuerwicklung wird der Arbeitspunkt auf der Sättigungskurve auf und ab bewegt und der Wechselstrom durch die Induktivität gesteuert. Diese werden in Vorschaltgeräten mit variablem Fluoreszenzlicht und Leistungsregelungssystemen verwendet.[11]

Die Sättigung wird auch in Fluxgate-Magnetometern und Fluxgate-Kompassen ausgenutzt.

In einigen Audioanwendungen werden absichtlich sättigbare Transformatoren oder Induktivitäten verwendet, um eine Verzerrung in ein Audiosignal einzuführen. Die magnetische Sättigung erzeugt Harmonische ungerader Ordnung, die typischerweise eine Verzerrung der dritten und fünften Harmonischen in den unteren und mittleren Frequenzbereich einführen.[12]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ Steinmetz, Charles (1917). “Abb. 42”. Theorie und Berechnung elektrischer Schaltkreise. McGraw-Hill.CS1-Wartung: ref = harv (Link)
  2. ^ ein b Bozorth, Richard M. (1993) [Reissue of 1951 publication]. Ferromagnetismus. Eine klassische Neuauflage von IEEE Press. Wiley-IEEE Press. ISBN 0-7803-1032-2.CS1-Wartung: ref = harv (Link)
  3. ^ Bakshi, VU; UABakshi (2009). Grundlegende Elektrotechnik. Technische Veröffentlichungen. S. 3–31. ISBN 978-81-8431-334-5.
  4. ^ Laughton, MA; Warne, DF, Hrsg. (2003). “8”. Nachschlagewerk für Elektrotechniker (Sechzehnte Ausgabe). Newnes. ISBN 0-7506-4637-3.CS1-Wartung: ref = harv (Link)
  5. ^ Chikazumi, Sōshin (1997). “Tabelle 9.2”. Physik des Ferromagnetismus. Clarendon Press. ISBN 0-19-851776-9.CS1-Wartung: ref = harv (Link)
  6. ^ USA 5126907Yoshihiro Hamakawa, Hisashi Takano, Naoki Koyama, Eijin Moriwaki, Shinobu Sasaki, Kazuo Shiiki
  7. ^ “Abschirmmaterialien”. K + J Magnetics. Abgerufen 2013-05-07.
  8. ^ “Mumetal gehört zu einer Familie von drei Nickel-Eisen-Legierungen”. mumetal.co.uk. Archiviert von das Original am 07.05.2013. Abgerufen 2013-05-07.
  9. ^ ein b “Magnetische Eigenschaften von Materialien” (PDF). unlcms.unl.edu. Abgerufen 2016-03-16.
  10. ^ Rod, Elliott (Mai 2010). “Transformatoren – Die Grundlagen (Abschnitt 2)”. Anfängerleitfaden für Transformatoren. Elliott Sound Produkte. Abgerufen 2011-03-17.CS1-Wartung: ref = harv (Link)
  11. ^ Choudhury, D. Roy (2005). “2.9.1”. Moderne Steuerungstechnik. Prentice-Hall of India. ISBN 81-203-2196-0.CS1-Wartung: ref = harv (Link)
  12. ^ “Die Vorteile der harmonischen Verzerrung (HMX)”. Audient Help Desk. Abgerufen 2020-07-16.


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