В некоторых магнитных материалах насыщение — это состояние, достигаемое, когда увеличение приложенного внешнего магнитного поля H не может далее увеличить намагниченность материала, поэтому общая плотность магнитного потока B более или менее выравнивается. (Хотя намагниченность продолжает очень медленно увеличиваться с ростом поля из-за парамагнетизма .) Насыщение является характеристикой ферромагнитных и ферримагнитных материалов, таких как железо , никель , кобальт и их сплавы. Различные ферромагнитные материалы имеют разные уровни насыщения.
Насыщение наиболее четко видно на кривой намагничивания (также называемой кривой BH или кривой гистерезиса ) вещества как изгиб справа от кривой (см. график справа). По мере увеличения поля H поле B асимптотически приближается к максимальному значению - уровню насыщения вещества. Технически, выше насыщения поле B продолжает расти, но с парамагнитной скоростью, которая на несколько порядков меньше, чем ферромагнитная скорость, наблюдаемая ниже насыщения. [2]
Связь между намагничивающим полем H и магнитным полем B также может быть выражена как магнитная проницаемость : или относительная проницаемость , где – вакуумная проницаемость . Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов не постоянна, а зависит от H. В насыщаемых материалах относительная проницаемость увеличивается с ростом H до максимума, затем по мере приближения к насыщению инвертируется и уменьшается до единицы. [2] [3]
Разные материалы имеют разную степень насыщенности. Например, сплавы железа с высокой проницаемостью, используемые в трансформаторах, достигают магнитного насыщения при 1,6–2,2 Тл (Тл), [4] , тогда как ферриты насыщаются при 0,2–0,5 Тл . [5] Некоторые аморфные сплавы насыщаются при 1,2–1,3 Тл . [6] Мю-металл насыщается при температуре около 0,8 Тл . [7] [8]
Ферромагнитные материалы (например, железо) состоят из микроскопических областей, называемых магнитными доменами , которые действуют как крошечные постоянные магниты , способные менять направление намагничивания. До того, как к материалу приложено внешнее магнитное поле, магнитные поля доменов ориентированы в случайных направлениях, эффективно нейтрализуя друг друга, поэтому чистое внешнее магнитное поле пренебрежимо мало. Когда к материалу прикладывается внешнее намагничивающее поле H , оно проникает в материал и выравнивает домены, заставляя их крошечные магнитные поля поворачиваться и выравниваться параллельно внешнему полю, складываясь вместе, чтобы создать большое магнитное поле B , которое простирается от материал. Это называется намагничиванием . Чем сильнее внешнее магнитное поле H , тем больше выравниваются домены, что приводит к более высокой плотности магнитного потока B. В конце концов, при определенном внешнем магнитном поле доменные стенки сместятся настолько далеко, насколько это возможно, и домены выровняются настолько, насколько это позволяет им кристаллическая структура, поэтому при увеличении внешнего магнитного поля в доменной структуре происходят незначительные изменения. выше этого. Намагниченность остается почти постоянной и считается насыщенной. [9] Доменная структура при насыщении зависит от температуры. [9]
Насыщение накладывает практический предел на максимальные магнитные поля, достижимые в электромагнитах и трансформаторах с ферромагнитным сердечником , величиной около 2 Тл, что накладывает ограничение на минимальный размер их сердечников. Это одна из причин, почему мощные двигатели, генераторы и трансформаторы имеют большие размеры; чтобы проводить большое количество магнитного потока , необходимого для производства большой мощности, они должны иметь большие магнитные сердечники. В устройствах, где вес магнитных сердечников должен быть сведен к минимуму, например, в трансформаторах и электродвигателях самолетов, часто используется сплав с высоким насыщением, такой как пермендур .
В электронных схемах трансформаторы и катушки индуктивности с ферромагнитными сердечниками работают нелинейно , когда ток через них достаточно велик, чтобы привести материалы их сердечников к насыщению. Это означает, что их индуктивность и другие свойства изменяются при изменении тока возбуждения. В линейных схемах это обычно считается нежелательным отклонением от идеального поведения. При подаче сигналов переменного тока эта нелинейность может вызвать генерацию гармоник и интермодуляционные искажения. Чтобы предотвратить это, уровень сигналов, подаваемых на индукторы с железным сердечником, должен быть ограничен, чтобы они не насыщались. Чтобы снизить его воздействие, в некоторых сердечниках трансформаторов создают воздушный зазор. [10] Ток насыщения , ток через обмотку, необходимый для насыщения магнитного сердечника, указывается производителями в спецификациях для многих катушек индуктивности и трансформаторов.
С другой стороны, насыщение используется в некоторых электронных устройствах. Насыщение используется для ограничения тока в трансформаторах с насыщающимся сердечником , используемых при дуговой сварке , и феррорезонансных трансформаторах, которые служат регуляторами напряжения . Когда первичный ток превышает определенное значение, сердечник перемещается в область насыщения, ограничивая дальнейшее увеличение вторичного тока. В более сложных приложениях индукторы с насыщающимся сердечником и магнитные усилители используют постоянный ток через отдельную обмотку для управления импедансом индуктора . Изменение тока в обмотке управления перемещает рабочую точку вверх и вниз на кривой насыщения, управляя переменным током через дроссель. Они используются в регулируемых балластах люминесцентных ламп и системах управления мощностью. [11]
Насыщение также используется в феррозондовых магнитометрах и феррозондовых компасах .
В некоторых аудиоприложениях насыщаемые трансформаторы или катушки индуктивности намеренно используются для внесения искажений в аудиосигнал. Магнитное насыщение генерирует гармоники нечетного порядка, обычно внося третью и пятую гармоники в диапазон нижних и средних частот. [12]
