Magnetna prepustnost (μ): definicija, μr, enote in feromagnetni materiali
Magnetna prepustnost μ: definicija, μr, enote in feromagnetni materiali — kako delujejo, primerjava železa, niklja in visoko-prepustnih zlitin.
Prepustnost je lastnost materiala, ki opisuje, kako gosto bi bilo magnetno polje, če bi skozi material tekla enaka količina toka. Prepustnost se označuje s simbolom μ {\displaystyle \mu } 
in se meri v henrijevih na meter (H/m). V enostavni linearni snovi velja zveza med magnetnim indukcijskim vektorjem B in magnetnim poljem H: B = μ H.
Prepustnost prostega prostora (μ0) in relativna prepustnost (μr)
Prazen prostor ima konstanto prepustnost, imenovano prepustnost prostega prostora ali μ 0 {\displaystyle \mu _{0}}
. Njena vrednost je natančno 4π × 10-7 H/m (približno 1,256637×10-6 H/m).
Za praktično primerjavo večine materialov uporabljamo relativno prepustnost (simbol μ r {\displaystyle \mu _{r}}
), ki je preprosto prepustnost materiala deljena s prepustnostjo prostega prostora (μ r = μ / μ 0 {\displaystyle \mu _{r}=\mu /\mu _{0}}
).
Tipične vrednosti in klasifikacija
- Za večino snovi je μr zelo blizu 1. To pomeni, da je njihova prepustnost skoraj enaka prepustnosti prostega prostora in se pogosto zanemari pri izračunih prostorskih magnetnih polj.
- Materiali z μr < 1 so diamagnetni (zelo šibka odbojna reakcija na magnetno polje), material z μr > 1 so paramagnetni ali feromagnetni (privlačno delovanje). Relativna prepustnost je povezana tudi z magnetno susceptibilnostjo χm preko zveze μr = 1 + χm.
- Nekateri materiali so zasnovani tako, da imajo zelo veliko prepustnost — odkažejo se kot magnetna jedra ali zaščitni materiali. Primeri feromagnetnih vrednosti: železo približno 5000 in nikelj približno 600 (odvisno od zlitine, obdelave in pogojev). Obstajajo tudi zlitine (npr. mu-metal), katerih μr lahko doseže vrednosti 10^4–10^6 v določenih pogojih.
Feromagnetni materiali — značilnosti in omejitve
Feromagnetni materiali (kot je feromagnetizem) imajo veliko relativno prepustnost, vendar ta ni konstantna. Pri feromagnetikih so pomembne lastnosti:
- nenelinearnost: μ se spreminja z jakostjo magnetnega polja H (B–H krivulja); prepustnost je lahko zelo visoka pri majhnih H, nato pa upada pri bližini saturacije.
- histereza: pri spreminjanju H material ohranja magnetizacijo, kar povzroča zanko histereze in izgube energije pri izmeničnih poljih.
- saturacija: pri dovolj močnih poljih se magnetizacija nasiti in povečanje H ne poveča več sorazmerno B.
- odvisnost od temperature: nad Curiejevo temperaturo feromagnetik izgubi feromagnetne lastnosti in postane paramagneten; to bistveno spremeni μ.
Frekvenčna odvisnost in kompleksna prepustnost
Pri izmeničnih (AC) poljih postane prepustnost odvisna od frekvence. Pogosto uporabljamo kompleksno prepustnost μ = μ' − jμ'', kjer μ' predstavlja shranjeno (reagirano) magnetno energijo, μ'' pa izgube (čenost izgubo). Pri višjih frekvencah feromagnetiki kažejo povečane izgube zaradi histereze, vrtinčnih tokov in drugih mehanskih procesov; zato so za visokofrekvenčne jedra uporabljane feritne zlitine z nižjimi izgubami.
Uporaba in pomen
Visoka prepustnost je zaželena tam, kjer želimo skoncentrirati magnetni tok oziroma povečati induktivnost: transformatorji, induktorji, magnetna jedra elektromotorjev in solenoidov, ter magnetno zaslonjenje (zaščita občutljive elektronike pred zunanjimi magnetnimi polji). Pri načrtovanju je treba upoštevati nelinearnost, saturacijo, histerezo in frekvenčne izgube materiala.
Praktični nasveti
- Za približne izračune magnetnih vezij pri nizkih poljih in pri neferomagnetnih materialih pogosto zadostuje uporaba μ0 (tj. μr ≈ 1).
- Če uporabljate feromagnetne jedra, vedno preverite podatke proizvajalca (B–H krivulje, μr pri določenem magnetnem toku, saturacijska indukcija, izgube pri frekvenci).
- Za aplikacije z visokimi frekvencami raje izberite ferite ali žična jedra z nizkimi vrtinčnimi tokovi in manjšimi izgubami.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je prepustnost?
O: Prepustnost je lastnost snovi, ki opisuje, kako gosto bi bilo magnetno polje, če bi skozi snov tekla enaka količina toka.
V: Kako se meri permeabilnost?
O: Permeabilnost se meri v henrijih na meter (H/m), njen simbol pa je μ.
V: Kako se imenuje konstantna permeabilnost praznega prostora?
O: Stalna prepustnost praznega prostora se imenuje prepustnost prostega prostora ali μ0.
V: Kako merimo relativno prepustnost?
O: Relativno prepustnost lahko izračunamo tako, da prepustnost materiala delimo s prepustnostjo prostega prostora (μr = μ/μ0).
V: Ali obstajajo materiali z večjo relativno prepustnostjo od običajne?
O: Da, nekateri materiali so feromagnetni in imajo veliko večje relativne permeabilnosti kot drugi materiali, na primer železo (5000) in nikelj (600). Poleg tega so bili nekateri materiali posebej zasnovani tako, da imajo milijonkrat večjo relativno permijo kot prazen prostor.
V: Ali je treba pri izračunu magnetnih polj upoštevati specifično permijo materiala?
O: Ne, za večino materialov je njihova permijska sposobnost dovolj blizu 1, da jo lahko zanemarimo in namesto tega uporabimo permijsko sposobnost prostega prostora.
Iskati