Materiale Feromagnetice

MATERIALE FEROMAGNETICE

Scopul lucrarii

Scopul acestei lucrari de laborator este determinarea dependentei permeabilitatii complexe relative magnetice a materialelor feromagnetice in functie de frecventa, precum si evidentierea curbei de histerezis care caracterizeaza aceste materiale.

I. Introducere teoretica

Câteva metale (Fe, Ni, Co) sau aliajele lor sunt materiale reprezentative pentru clasa materialelor feromagnetice. Acestea se caracterizeaza (la temperaturi inferioare temperaturii Curie) prin domenii (Weiss) magnetizate spontan la saturatie, dar orientate dezordonat în absenta unui câmp magnetic exterior. Plasarea acestor materiale în câmp magnetic are ca rezultat orientarea momentelor dipolare ale domeniilor în directia câmpului exterior. În medii magnetice se pot scrie relatiile:

(1)

iar aspectul liniilor de câmp ale vectorilor si (din material) sunt exemplificate în Figura 1 pentru un cilindru feromagnetic plasat în câmpul (definit în absenta materialului).

Figura 1. Aspectul liniilor de câmp pentru un cilindru feromagnetic.

Caracteristicile cele mai importante ale materialelor feromagnetice sunt curbele de magnetizare B = f(H) obtinute prin aplicarea unui câmp progresiv crescator unui material initial demagnetizat.

În Figura 2 sunt prezentate calitativ pentru un aliaj moale din punct de vedere magnetic pe baza de fier dependentele tipice ale permeabilitatii statice (câmpul aplicat este crescut lent) si inductia în material.

În cazul câmpurilor alternative se disting în general doua regimuri tipice de functionare:

- regimul de “semnal mic” cu amplitudine redusa a câmpului alternativ H~ aplicat, suprapus sau nu, peste un câmp continuu H=;

- regimul de “semnal mare” în care valoarea câmpului este suficienta pentru ca materialul sa descrie un ciclu de histerezis.

Figura 2. Dependentele m(H) si B(H) pentru un aliaj moale

din punct de vedere magnetic

În Figura 3 sunt prezentate aceste regimuri posibile, definindu-se permeabilitatile uzuale: initiala (I), reversibila (II) si de amplitudine (III).

Figura 3. Permeabilitatile uzuale pentru materialele feromagnetice

Datorita pierderilor de energie prin curenti indusi (Foucault), histerezis, magnetizare, permeabilitatea magnetica a materialului se defineste (în complex simplificat) ca fiind:

(2)

unde B si H sunt fazorii inductiei si câmpului alternativ aplicat, iar dm este unghiul de pierderi.

Din relatia (2) rezulta ca are în general semnificatia definita în Figura 3, iar defineste factorul de calitate Qm al materialului.

A. Caracterizarea materialelor feromagnetice la semnal mic

Pentru a caracteriza un material feromagnetic la semn mic (B~ < 1 mT) se utilizeaza 2 bobine cu aceeasi geometrie a bobinajului (preferabil toroidala pentru a neglija cu buna aproximatie câmpul de dispersie), una având ca miez materialul feromagnetic de studiat, iar cealalta un miez nemagnetic de aceleasi dimensiuni.

În Figura 4 sunt prezentate schitele celor 2 bobine.

Figura 4. Cele doua bobine cu miez nemagnetic, respectiv

feromagnetic si schemele lor echivalente

Scriind impedantele celor doua bobine rezulta:

Z0 = r0 + jwL0;

Zm = r0 + jwL = r0 + m L0 = r0 + w L0 + jw L0 = r + jw L0 (3)

unde:

r0 este rezistenta de pierderi prin efect Joule, proximitate, dielectrici, etc. în conductorul de bobinaj;

r – rezistenta serie echivalenta a bobinei cu miez r = r0 + rm = r0 + w L0, rm fiind rezistenta de pierderi datorata prezentei miezului magnetic;

L si L0 - inductanta cu si fara miez a bobinei;

m - permeabilitatea (initiala) complexa a miezului;

- frecventa de masura.