В некоторых магнитных материалах насыщение — это состояние, достигаемое, когда увеличение приложенного внешнего магнитного поля H не может увеличить намагниченность материала дальше, поэтому общая плотность магнитного потока B более или менее выравнивается. (Хотя намагниченность продолжает очень медленно увеличиваться с полем 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 отчетливо видно на кривой намагничивания (также называемой кривой BH или кривой гистерезиса ) вещества, как изгиб вправо кривой (см. график справа). По мере увеличения поля H поле B асимптотически приближается к максимальному значению , уровню насыщения для вещества. Технически, выше насыщения поле B продолжает увеличиваться, но с парамагнитной скоростью, которая на несколько порядков меньше ферромагнитной скорости, наблюдаемой ниже насыщения. [2]
Связь между полем намагничивания H и магнитным полем B также может быть выражена как магнитная проницаемость : или относительная проницаемость , где - проницаемость вакуума . Проницаемость ферромагнитных материалов не является постоянной величиной, а зависит от H . В насыщаемых материалах относительная проницаемость увеличивается с H до максимума, затем по мере приближения к насыщению инвертируется и уменьшается до единицы. [2] [3]
Различные материалы имеют разные уровни насыщения. Например, сплавы железа с высокой проницаемостью, используемые в трансформаторах, достигают магнитного насыщения при 1,6–2,2 тесла (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 примерно при 0,8 Тл. [7] [8]
Ферромагнитные материалы (например, железо) состоят из микроскопических областей, называемых магнитными доменами , которые действуют как крошечные постоянные магниты , которые могут изменять направление своей намагниченности. До того, как внешнее магнитное поле приложено к материалу, магнитные поля доменов ориентированы в случайных направлениях, эффективно нейтрализуя друг друга, поэтому чистое внешнее магнитное поле пренебрежимо мало. Когда внешнее намагничивающее поле H приложено к материалу, 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 материала. Это называется намагничиванием . Чем сильнее внешнее магнитное поле H , тем больше домены выравниваются, что дает более высокую плотность магнитного потока B. В конце концов, при определенном внешнем магнитном поле стенки доменов сместились настолько далеко, насколько это возможно, и домены выровнены настолько, насколько позволяет им кристаллическая структура, поэтому при увеличении внешнего магнитного поля выше этого происходит пренебрежимо малое изменение в структуре доменов. 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 ферромагнитных сердечниках электромагнитов и трансформаторов , около 2 Тл, что накладывает предел на минимальный размер их сердечников. Это одна из причин, по которой высокомощные двигатели, генераторы и трансформаторы имеют большие физические размеры; чтобы проводить большие объемы магнитного потока, необходимые для производства большой мощности, они должны иметь большие магнитные сердечники. В приложениях, в которых вес магнитных сердечников должен быть сведен к минимуму, таких как трансформаторы и электродвигатели в самолетах, часто используется сплав с высоким насыщением, такой как пермендюр .
В электронных схемах трансформаторы и индукторы с ферромагнитными сердечниками работают нелинейно , когда ток через них достаточно велик, чтобы привести их сердечники в насыщение. Это означает, что их индуктивность и другие свойства изменяются с изменениями тока возбуждения. В линейных схемах это обычно считается нежелательным отклонением от идеального поведения. Когда применяются сигналы переменного тока , эта нелинейность может вызвать генерацию гармоник и интермодуляционных искажений. Чтобы предотвратить это, уровень сигналов, подаваемых на индукторы с железным сердечником, должен быть ограничен, чтобы они не насыщались. Чтобы снизить его влияние, в некоторых типах сердечников трансформаторов создается воздушный зазор. [10] Ток насыщения , ток через обмотку, необходимый для насыщения магнитного сердечника, указывается производителями в спецификациях для многих индукторов и трансформаторов.
С другой стороны, насыщение используется в некоторых электронных устройствах. Насыщение используется для ограничения тока в трансформаторах с насыщаемым сердечником , используемых в дуговой сварке , и феррорезонансных трансформаторах, которые служат регуляторами напряжения . Когда первичный ток превышает определенное значение, сердечник вталкивается в область насыщения, ограничивая дальнейшее увеличение вторичного тока. В более сложном применении индукторы с насыщаемым 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 по кривой насыщения, управляя переменным током через индуктор. Они используются в переменных балластах люминесцентных ламп и системах управления питанием. [11]
Насыщение также используется в феррозондовых магнитометрах и феррозондовых компасах .
В некоторых аудиоприложениях насыщаемые трансформаторы или индукторы намеренно используются для внесения искажений в аудиосигнал. Магнитное насыщение генерирует гармоники нечетного порядка, обычно внося третью и пятую гармонические искажения в нижний и средний диапазон частот. [12]
