Materiale magnetice

Materiale magnetice

Generalitati

Progresele tehnicii moderne nu pot fi imaginate fara existenta materialelor magnetice si fara imbunatatiri continue aduse acestora. Fara aceste materiale nu ar fi existat iluminatul electric, telefonul, radioul, televiziunea etc.

Materialele magnetice sunt substante care deformeaza liniile campului magnetic,concentrand un mare numar de linii in spatiul ocupat de ele. Campul magnetic poseda energie si exercita forte asupra altor magneti permanenti si de conductoare parcurse de curent electric.

Materialele magnetice utilizate in electrotehnica se clasifica in materiale magnetice moi si materiale magnetice dure, cuvantul "dur" sau "moale"referindu-se lacalitatea magnetica nu la cea mecanica.

Curba de magnetizare si marimi magnetice de material:

Caracteristica starii de magnetizare a corpurilor este determinata de doua marimi:

Intensitatea campului magnetic H ce se masoara in Amper/metru(A/m)

Inductia magnetica B, produsa de campul magnetic ce se masoara in Tesla

Raportul dintre inductia magnetica B si intensitatea campului magnetic H se numeste permeabilitate magnetica si se noteaza cu . Ea are valori diferite pentru diferite materiale, la acelasi camp magnetic.

Pentru aceeasi intensitate a campului magnetic,raportul dintre permeabilitatea absoluta a unui mediu oarecare si permeabilitatea absoluta a vidului( 0)se numeste permeabilitate magnetica relativa si se noteaza cu r. Permeabilitatea magnetica relativa este o constanta de material, adimensionala. Permeabilitatea magnetica absoluta se exprima in weber/amper*metru (Wb/A*m) sau henry/metru (H/m).

Din punct de vedere macroscopic materialele feromagneticese caracterizeaza prin curbe de magnetizareB=f(H). Principalele marimi ale curbei de magnetizare sunt:

Inductia si campul maxim (Bm,Hm)

Inductia si campul de saturatie (Bs,Hs)

Inductia remanenta (Br) si campul coercitiv(Hc)

(desen hiterezis: a-noramal;b-cu suprafata redusa;c-cu suprafata si ramanenta mare)

Observatii:

Materialele magentice moi sunt caracterizate prin ciclu de hiterezis ingust. Ele au permeabilitate magnetica mare, se magnetizeaza usor chiar in campuri slabe si pierd complet magnetismul la incetarea actiunii campului exterior, datorita campului corcitiv mic, si au inductie de remanenta redusa.

Materialele magnetic dure se caracterizeaza prin camp coercitiv si inductie de remanenta mari. Ciclul de hiterezis are o forma lata. El se traseaza ridicandu-semai intai curba de prima magnetizare

Dupa ce s-a ajuns cu inductia in punctual +Bs se reduce intensitateaH a campului si se constataca si inductia B scade dar are valori mai mari decat le-a avut la prima magnetizare pentru acelasi camp. Variatia inductiei ramane in urma variatiei campului magnetic. Fenomenul se numeste "histerezis"(dupa cuvantul grecesc care inseamna ramanere in urma).

Pentru H=0, inductia nu este nula,ci are o anumita valoare numita inductie remanenta Br . inductia remanenta se explica prin aceea ca o parte din magnetii moleculari raman orientate si nu revin la starea de dezordine existenta inainte de magnetizare.

Schimbandu-se sensul lui H(prin inversarea sensuluicurentului in circuitul de magnetizare) inductia B continua sa scada pana cand ajunge la valoarea zero pentru un camp -Hc , numit camp coercitiv. Considerandu-se procesul de magnetizare pana in punctul -Bs si apoi micsorandu-se intensitatea campului magnetic din nou pana la zero, inductia -Bs. Schimbandu-se sensul campului (prin schimbarea sensului curentului in circuitul de magnetizare)se continua procesul de magnetizare pana in punctual de hiterezi.suprefata inchisa de aceasta curbaeste proportionalacu energia consumata pentru modificarea starii de magnetizare a materialului, energie care apare sub forma de pierderi,determinand incalzirea materialului.

Aplicatiile materialelor magnetice in electonica si electrotehnica

Inductante;

Prin bobina se intelege un conductor electric astfel infasurat,incat sa formeze una sau mai multe spire, cu scopul de a crea un camp magnetic.

Inductanta se poateinterpreta in doua moduri:

Ca proprietate a unui circuit electric de aseopune oricareivariatii a curentului electricce-l parcurge;

Ca proprietate a bobineide a acumula energie in camp magnetic.

Inductanta unei bobine depinde de permeabilitateamiezului bobinei.

Exemplu:

Bobinele ce ferita sunt mult mai utilizate in domeniul telecomunicatiilor. Faptul camiezuleste filetat si se poate deplasa in interiorul bobinei permite schimbarea in limite destul de mari a inductantei, simplificand operatiile de reglaj. De asemenea, bobinelecu miez de ferita au campulfoarte concentrate in miezul lor, ceea ce reduce mult inductanta intre bobinele alaturate.   Principiul inductiei electromagnetice

O mica bobina conductoare este conectata la un aparat de masura fara sa fie strabatuta de nici un curent electric. Acul aparatului nu se misca. Atunci cand inroducem o bara magnetica in bobina, acul aparatului inregistreaza o miscare intr-o anumita directie. Miscarea magnetului creeaza un curent care circula in sens opus. Acest curent, care isi schimba sensul, este un curent alternative. Aceasta experienta a fost realizata de fizicianul englez Michael Faraday, in 1831. el a demonstrat astfe ezistenta inductiei electromagnetice.

Transformatorul

Transformatorul electric este un aparat electromagnetic constituitdin doua sau mai multeinfasurariimobil, intre care are loc un transfer de energie electrica si care modifica parametrii puterii electromagnetice transferate de la o retea primara de current alternative,la o retea secundara, tot de current alternative.

Transformatorul are ca elemente principale doua sau mai multe bobine amplasate pe acelasi miez magnetic.

Circuitele magnetice pentru transformatoare sunt pentru flux variabil si se executa din tabla de otel laminate la cald sau la rece.tabla laminate la cald este bogat aliata cu siliciu si se izoleaza pe ambele fete cu lac.

Tabla laminate la rece este izolata pe ambele fete cu straturi de oxid sau carlit.

Miezul este confectionat din tole pentru reducerea curentilor turbionari. Consolidarea miezurilor se realizeaza prin strangere cu banda de bumbac, prin lipire sau cu buloane isolate fata de miez.

Pentru transformatoarele de cuplajintre etajele de amplificare sau etaje amplificatoare de putere, miezul se realizeaza din permalloy.

Electromagneti. Relee electromagnetice

Electromagnetiisunt dispozitivelarg utilizate in urmatoarele scopuri:

Elementede actionare a contactelor electrice;

Elemente de actionarepentru declansarea si anclansarea intrerupatoarelor automate;

Elementede comanda a diverselorsisteme la distanta;

Elemente traductoare de current sau tensiune, ca de exemplu declansatoarele electromagnetice de scurtcircuit.

Electromagnetii transforma energia campului magnetic in energie mecanica prin atragerea unei armature mobile. Un electromagnet este format dintr-o armatura fixa (miez fix) pe care se afla o bobina si o armature mobile situata la o anumita distanta de armatura fixa. Spatiul dintre cele doua armaturi se numeste intrefier.

Armatura fixa si cea mobila sunt realizatedin otel moale sau aliaje ale fierului cu alte metale cu proprietati magnetice(nichel, cobalt).

Difuzoare

Difuzorul este un traductor electroacustic care transforma curentul de audiofrecventa furnizat de un amplificator de putere in unde. Difuzoarele functioneaza in exclusivitatepe principiul interactiunii dintre un camp magnetic constant si un conductor strabatut de current electric.

Magnetul permanent care are forma circulara asigura un camp magnetic constant in intrefierulin care este introdusa bobina mobila. Bobina mobile este prinsa rigid de membrane difuzorului si este mentinuta in mijlocul intrefierului de un centraj electric. Cand bobina mobile este parcursa de current de audiofrecventa, ea se deplaseazasub influenta fortei Laplace, transmite miscarea membranei, care va genera unde sonore.

Circuitul magnetic

Circuitul inchis al liniilor de camp se numeste circuit magnetic.cauza poducerii fluxuluimagnetic este tensiunea magnetomotoare (solenatia).

Umm=NI

Daca fluxul circula numai prin fier, circuitul magnetic este pur feros. Daca circuitul magnetic are si o portiune de aer (intrefier) se numeste circuit mixt.

Orice circuit magnetic -de exemplu transformator, sau electromagnet- se poate descompune in portiuni omogene numite laturi sau sectoare. Latura este deci o portiuneneramificata si omogena de circuit magnetic, avand lungimea l, sectiunea S si permeabilitatea o r .

(Circuit magnetic:stanga-transformator electric E+l cu intrefier;dreapta-sector magnetic)

Fluxul magnetic care strabate sectiunea transversala a laturii (sectorului) magnetic se numeste flux fascicular si se noteaza cu Øf . El este egal pe toata lungimea laturii.

Tensiunea magnetica in lungul laturii esteprodusuldintre intensitatea campului magneticsi lungimea laturii:

Um=HI=Bl/ μ =(øl/S) μ=lø/ μS

Se numeste reluctanta magnetica a laturii marimea:

Rm=l/ μS=l/ μo rS[A/Vs=A/Wb]

Se poate scrie deci relatia: Um=Rm f numita legea lui Ohm pentru latura magnetica, prin analogie cu electrocinetica. Comparativ, tensiuneamagnetica corespunde cu tensiunea electrica (Umm→U), fluxul fascicular cu intensitatea curentului (ø→l) si reluctanta cu rezistenta (Rm→R).

Analogia este numai formala, pentru ca in definirea reluctantei intervine permeabilitatea magnetica μ, care variaza neliniar in functie de intensitatea campului H.

(circuit magnetic:a-simplu(fara intrefier);b-complex;c-impartirea pe sectoare)

Daca latura formeaza un circuit inchis, imbracat de o bobina cu N spire parcurse de curentul l, se poate generalize legea lui Ohm, introducand cauza producerii fluxului magnetic, adica tensiunea magnetomotoare (solenatia).

Umm=Nl=Rm f

Din care rezulta marimea fluxului magnetic

Øf=Um/Rm=Nl/Rm

Calculul circuitului magnetic

Circuitele magnetice practice, de exemplu un transformator electric, isi schimba uneori sectiunea pe parcurs si contin portiuni nemagnetice (intrefier).

Daca miezul prezinta o simetrie mediana, se imparte printr-o linie AB in doua jumatati simetrice fiind deci suficient calculul pentru una din jumatati. Se imparte circuitul magnetic in laturi omogene, deexemplu in figura ( ) se observa patru sectoare feroase (I.IV)si doua pe aer(Vsi VI).

Cum fluxul magneticramane constant pe un contur magnetic neramificat, inductia magnetica variaza cu sectiunea fiecarui sector

Ø=B S =B S

Cunoscand inductia intr-o latura, de exemplu B , in sectorul ioarecare va corespunde inductie

B =B S /S

In fiecare sector, inductiei B ii va corespunde o intensitate Hi a campului magnetic. Pentru un sector feros, H se obtine graphic din curba sa de magnetizare.

Pentru sectoarele neferoase( intrefieruri) se foloseste relatia

H =B

Cunoscand pentru fiecaresector intenstatea campului magnetic si lungimea sa se calculeaza tensiunile magnetice corespunzatoare Hl care prin insumare dau tensiunea magnetomaotoare totala (solenatia) necesara Umm=∑ Um adica Nl = H l + H l = ∑ Hili Aceasta reprezinta prin analogie a doua teorema a lui Kirchhoff aplicata la electromagnetism in care: Nl este tensiune magnetomotoare; componentele Hl sunt tensiunile magnetice in sectoarele circuitului magnetic.

Pentru calculul circuitelor ramnificate se aplica prin analogie prima teorema a lui Kirchhoff: suma algebrica a fluxurilor magnetice din punctual de ramnificare este egala cu zero:

3 deci , ∑Ф = 0