Bài giảng vật liệu kỹ thuật Điện-Điện tử: Chương 4 pdf

BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang130 VẬT LIỆU TỪ (VLT) CHƯƠNG 4.1 Các trình vật lý VLT tính chất chúng 4.1.1 Các khái niệm Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính VLT điện tích luôn chuyển động theo q đạo kín tạo nên dòng điện vòng Nói cụ thể quay điện tích tích xung quanh trục (spin điện tử) quay theo q đạo điện tử nguyên tử;mômen từ proton nơtron nhỏ hàng ngàn lần so với mômen từ điện tử Vì tính chất từ nguyên tử xác định điện tử, mômen từ hạt nhân bỏ qua.Mọi vật chất đưa vào từ trường hình thành momen từ M đó.Momen từ đơn vị thể tích J M xác định bởi: JM= → M = kM H V ( vật thể không đồng thì: Trong đó: J M= d M /dV ) → H : Vectơ cường độ từ trường [A/m] J M : Độ từ hóa [A/m] V: thể tích vật [m3] kM :Hệ số đặc trưng cho khả nhiễm từ từ trường vật kM- đại lượng không đơn vị, gọi độ từ cảm(hay hệ số phân cực từ) → Trong thể tích vật nhiễm từ tạo thành từ trường riêng Hi (theo hướng → → ngược hướng với từ trường H ) Vì B (véctơ cảm ứng từ tổng cộng vật chất) xác định tổng vectơ cảm ứng từ từ trường từ trường riêng: → → → B = B0 + Bi = μ H + μ J M = μ H + μ k M H → → → B = μ (1 + kM) H = μ0μr H Trong : μ0 = 4Π.10 −7 [H/m] μr = (1 + kM ) Heä số từ thẩm tương đối, cảm ứng từ môi trường lớn gấp lần cảm ứng từ chân không(không đơn vị) μ = μ0 μr Hệ số từ thẩm tuyệt đối [H/m] 4.1.2 Phân loại vật chất theo tính chất từ: Chương 4: VẬT LIỆU TỪ BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang131 Vật liệu từ phân loại theo phương diện nhiễm từ sở giá trị μr kM.Theo phản ứng với từ trường đặc tính xếp từ bên trong, vật chất thiên nhiên chia thành năm nhóm: nghịch từ, thuận từ, sắt từ, kháng sắt từ ferit từ Hình 4.1 Bảng tuần hồn trình bày số ngun tố từ tính nhiệt độ phịng Vật chất nghịch từ (Diamagnetic): vật chất có độ từ cảm âm không phụ thuộc vào hướng từ trường ngoàị.Chúng có μr có giá trị không đổi cường độ từ trường lớn Trong vật liệu từ trường riêng từ trường ngoaøi : μr H3 > H2 > H1 ( μ H tương ứng H1, H4 vùng bão hoà ) Đặc điểm quan hệ hệ số từ thẩm không từ trường yếu mạnh ( hình 4.8) Hệ số từ thẩm khởi đầu μ H có điểm max rõ nhiệt độ thấp nhiệt độ Quiri đôi chút 4.1.6 Vật liệu sắt từ từ trường xoay chiều: Chương 4: VẬT LIỆU TỪ BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang138 Tổn hao từ: Từ hóa sắt từ trường xoay chiều dẫn tới tổn thất lượng, làm nóng vật liệu Trong trường hợp tổng quát tổn hao từ hóa tổng tổn hao vòng từ trễ tổn hao dòng điện xoáy Tổn hao vòng từ trễ (J/m3) chu kỳ từ hóa (chính xác chu kỳ thay đổi từ trường ), đơn vị thể tích vật chất, xác định diện tích tónh vòng từ trễ : Er = ∫ H.dB t Để tính tổn hao sử dụng công thức gần có dạng: n Er = ηBm (4.1) η : Hệ số phụ thuộc vào tính chất vật liệu Bm: Cảm ứng cực đại đạt chu kỳ quan sát n : Số mũ có giá trị từ 1,6 tới phụ thuộc vào Bm Dòng điện xoáy xuất môi trường dẫn có sức điện động tự cảm tỷ lệ với tốc độ thay đổi trường Từ phân biệt từ trễ tónh với từ trễ động: vòng từ trễ tónh biểu thị tổn thất vòng, từ trễ động có thêm dòng điện xoáy, tức từ hóa trường xoay chiều, vòng từ trễ rộng Trong trường hợp tổn thất vòng từ trễ Er chu kỳ thay đổi từ trường có giá trị không đổi dãi tần số lớn, tổn thất dòng điện xoáy ET tăng tỷ lệ với tần số Đặc tính thực tế công suất tích cực (tức lượng tiêu tốn đơn vị thời gian) tỏa sắt từ từ hóa nó, Công suất tổn hao dòng điện xoáy, xác định theo công thức thực nghiệm có daïng: PT = ET.f.V = f2B V ξ (4.2) m V- thể tích mẫu ξ - hệ số, tỷ lệ với điện dẫn suất vật chất phụ thuộc vào kích thước hình học kích thước mặt cắt ngang mẫu từ hóa Theo (4.1) công suất tổn hao vòng từ trễ tính: n Pr = ηBm f.V Do PT phụ thuộc vào mũ bình phương tần số, Pr phụ thuộc vào mũ bậc tần số nên tần số cao phải tính tới PT (tức tổn thất dòng điện xoáy) trứơc Hình 4.9 Sơ đồ phân bổ dòng điện xoáy mặt cắt ngang lõi sắt từ: a/ Lõi đặc b/ Lõi ghép Chương 4: VẬT LIỆU TỪ BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang139 Dòng điện xoáy thường xuyên xuất mặt phẳng, nằm vuông góc với từ trường (hình 4.9a) Dưới tác động từ trường biến thiên mạch vòng xuất suất điện động cảm ứng tỷ lệ với thay đổi tần số: U ~ E ~f.Bm Theo định luật Jun – Lens, công suất tỏa mạch vòng xác định biểu thức: Pa = γ E2 ~ γ f2B m trùng với công thức thực nghiệm(4.2) Để giảm tổn thất dòng điện xoáy cần phải sử dụng vật liệu từ có điện trở suất cao, ráp lõi từ cách điện với Khi ráp lõi phải hướng theo đường cảm ứng từ, rõ (hình 4.9b) Công suất tiêu tán dòng điện xoáy đơn vị khối lượng tính W/Kg, có quan hệ với độ dày h sau: PT = PT = 1,64γ h f Bm V d d d- khối lượng riêng vật liệu Tổn thất tác động từ trường tồn cảm ứng dư cường độ từ trường thay đổi Kết nghiên cứu rằng,sự từ hóa sắt từ giảm xuống (sau loại bỏ từ trường ngoài) xảy không tức thời, mà sau thời gian từ vài giây tới vài phút Thời gian xác định trạng thái ổn định từ tăng lên nhanh nhiệt độ giảm xuống Hiện tượng nói gọi độ nhớt từ Bản chất vật lý tổn hao từ có nhiều điểm giống phân cực lưỡng cực tổn hao điện môị Hệ số từ thẩm phức góc tổn hao Khi đưa sắt từ vào trường xoay chiều hệ số từ thẩm phức mô tả: μ ~ = μ ’- j μ ” μ ’ gọi hệ số từ thẩm đàn hồi μ ” gọi độ từ thẩm nhớt Gọi δ μ gọi góc tổn hao từ,ta có: tg δ μ = μ ”/ μ ’ tg δ μ biểu thị qua tham số sơ đồ thay Sơ đồ có cuộn dây có lõi từ điện cảm L mắc nối tiếp với điện trở ri (hình 4.10) Chương 4: VẬT LIỆU TỪ BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang140 Hình 4.10: Sơ đồ thay biểu đồ vectơ cuộn cảm lõi từ Từ biểu đồ vectơ ta có: tg δ μ = r Ua I r = i = i Ul IωL ω.L Công suất tổn hao tích cực tính theo công thức: Pa = I2 ω L.tg δ μ Hiệu ứng bề mặt: theo định luật Lens, dòng điện xoáy sắt từ có xu hướng làm cản trở biến thiên sinh Vì từ trường riêng dòng điện xoáy thường xuyên làm yếu thay đổi từ trường chính, tức dòng điện xoáy khử tác động từ lõi, làm giảm cảm ứng hiệu hệ số từ thẩm Từ hình vẽ 4.9a ta thấy tác động khử từ dòng điện xoáy không giống phần khác tiết diện có giá trị lớn phần trung tâm Vì từ thông xoay chiều phân bổ không theo mặt cắt dây dẫn từ, cảm ứng từ có giá trị cực tiểu phần trung tâm mặt cắt,tức dòng điện xoáy che chắn trung tâm lõi khỏi xâm nhập từ thông Khi tần số thay đổi cao, hệ số từ thẩm điện dẫn suất môi trường từ hóa lớn từ trường bề mặt xuất mạnh Trong trường hợp hiệu ứng mặt thể mạnh, thay đổi cảm ứng từ theo mặt cắt lõi hướng vuông góc z với bề mặt thể phương trình: Bm = Bmo exp(-z/x) Bmo: Cảm ứng từ bề mặt lõi; Δ độ sâu xuất điện từ trường vào vật chất xác định theo công thức: B Δ= = ω.γ μ μ π f μ μ γ μ = 4π 10 −7 H / m Ví dụ: thép cacbon có μ =1000, γ = 10 Sim / m , Δ = 0,7 mm tần số 50Hz Δ = 0,005 mm tần số 106 Hz Chương 4: VẬT LIỆU TỪ BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang141 Do cảm ứng từ không phân bổ theo mặt cắt lõi từ, phải đưa trị số trung bình gọi hệ số từ thẩm hiệu dụng μ hd Nó tính sở từ hoá đồng theo mặt cắt lõi từ: μ hd= Φ μ SH Φ : từ thông S: Diện tích mặt cắt lõi từ; H: Cường độ từ trường Tần số tăng lên làm tăng sức điện động cảm ứng, đồng thời tăng ảnh hưởng dòng điện xoáy tới khử từ làm giảm hệ số từ thẩm hiệu dụng sắt từ Người ta lợi dụng suy giảm sóng điện từ truyền môi trường dẫn để tạo chắn điện từ ,dùng để bảo vệ mạch điện tử dụng cụ đo lường khỏi từ trường nhiễu radio.Để bảo vệ có hiệu độ dày chắn phải lớn độ sâu sóng điện từ xuất vật chất Δ Tại tần số radio sử dụng chắn kim loại từ, đồng, đồng thau, nhôm Tuy nhiên tần số thấp chắn loại tỏ không hiệu cần phải có độ dày lớn ( ví dụ tần số 50Hz Δ xấp xỉ 1cm).Trong trường hợp cần sử dụng chắn làm từ vật liệu sắt từ, đặc biệt làm từ permaloi có hệ số từ thẩm cao 4.1.7 Đặc điểm ferit từ: Ferit từ có tên gọi xuất phát từ ferit liên kết hoá học Fe2O3 với oxit kim loại khác Hiện người ta sử dụng hàng trăm mác ferit khác nhau,chúng khác biệt theo thành phần hoá học, cấu trúc tinh thể, tính chất từ , điện tính chất khác Ferit sử dụng rộng rãi ferit có cấu trúc spinen Thành phần hoá học ferit spinen MeFe2O4 Me ký hiệu chung cation hoá trị hai Kết nghiên cứu rằng, tồn hay biến tính chất từ xác định cấu trúc tinh thể vật liệu có xếp vị trí ion kim loại hoá trị hai sắt ion oxy Hình 4.11 Ô spinen Chương 4: VẬT LIỆU TỪ BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang142 Ô spinen khối vuông thành phần có tám đơn vị cấu trúc loại MeFe2O4, hay có 32 ion oxy, 16 ion sắt ba ion kim loại hoá trị hai (hình 4.11) 4.1.8 Cấu trúc domen màng từ mỏng: Đặc điểm màng từ mỏng có độ dày mỏng ( h