Почему насыщение сердечника индуктора зависит от температуры?

В основном это вопрос физики твердого тела, но если свести его к чему-то, на что мы можем ответить, не вдаваясь в тонкости физики основных материалов:

Магнетизм возникает, когда в материале вы можете выровнять спины электронов вокруг их ядра (или, в более общем смысле, нормаль спина любого заряженного кванта) — в «нормальных» материалах они совершенно случайным образом ориентированы, и как только вы выровняете Когда множество осей вращения указывают в одном направлении, вы получаете макроскопически наблюдаемый эффект «магнетизма».

Способность ядер накапливать энергетическую энергию зависит от «согласованности» этих спинов.

Чем горячее какой-либо материал, тем более случайным является движение, положение и ориентация атомов внутри; так, нагрев материала активно работает против его способности накапливать энергию в магнитном поле.

Это, однако, не объясняет противоположное вам наблюдение. Чтобы немного прояснить ситуацию, я хотел бы сохранить обсуждение комментариев ниже здесь, а здесь спасибо @jonk:

Стенки доменов похожи на поверхности мыльных пузырей, устроенные таким образом, чтобы минимизировать энергию. При низких токах приложенное поле в основном модифицирует стенки, так что объем пузырьков, выровненных с магнитным полем, становится намного больше, чем объем внутри противоположно выровненных пузырьков. Это плавный эффект. Но есть также ряд осложнений, объединенных в одну кучу, таких как эффекты Баркгаузена и магнитострикции. Более высокие температуры при низких токах намагничивания позволяют стенкам пузырьков легче ломаться над этими барьерами на основе эффекта Баркгаузена.

Таким образом, оставшаяся длина вакуумного пути (физическая длина пути за вычетом чистой длины пузырькового пути) немного короче, что приводит к немного более высокой индуктивности. При более высоких токах большинство стенок пузырьков совершили все движения, которые они могли сделать, а также все сосредоточенные эффекты Баркгаузена и магнитострикции, и теперь влияние температуры заключается в уменьшении чистого выровненного объема пузырьков из-за всех избыточных непрерывных колебаний. толкание (расшатывание существующих выровненных объемов пузырьков). Эти два крайних конца объясняют противоположное поведение.

@Тобальт спорит

При высоких температурах уменьшаются как магнитный обмен, так и магнитная анизотропия. Это приводит к: а) уменьшению энергии доменных стенок и б) увеличению ширины доменных стенок. Оба приводят к более низкому закреплению доменных стенок, что, в свою очередь, c) снижает коэрцитивную силу d) увеличивает dM/dH, т.е. проницаемость

К счастью, @jonk также ссылается на главу лекций Фейнмана о магнитных материалах. Я хотел бы процитировать одну вещь из этого:

При высоких температурах тепловая энергия системы больше, чем магнитная энергия EmJ. Температура Кюри, при которой различные магнитные домены компенсируются, а относительная проницаемость падает до нуля. и накопленная энергия не может быть увеличена, поэтому L коллапсирует до нуля, а не магнитный поток. При этой температуре наступает термомагнитное равновесие. Нагрев магнитов до этой температуры также размагничивает.

Между абсолютным 0 К и температурой Кюри существует скорость изменения температуры для любой молекулярной магнитной доменной структуры, которая контролирует проницаемость.$\dfrac{\Delta M}{M}=k~ T^{\frac{3}2}~~~~~~~~~~$ ссылка (31)

Магнитные свойства заряженных частиц имеют сложное взаимодействие сил, которые максимальны при абсолютном нуле, 0'К, и имеют нулевой магнетизм при температуре Кюри.

Воздух не насыщается (пока)

Этого не происходит в вакууме материала, возбуждаемого проволочной петлей, и мы также можем пренебречь воздухом для этого приложения.

Трансформаторные стали (холоднокатаная зерноориентированная сталь CRGOS) обычно выдерживают от 1,2 Тл до экзотических 1,9 Тл (оценка), в то время как воздушный зазор в 7 Тл МРТ может затянуть металлический складной стул через столовую на скорости до 60 миль в час.

Анекдот от главы NRC (Национального исследовательского совета Канады), который доложил мне в Виннипеге о возможностях первого в мире немагнитного (гидравлического) МРТ для использования в операционных

Сделайте глубокий вдох

Электрон, движущийся вокруг неподвижной точки, имеет угловой момент.$L=m_erv$которая также определяется площадью и вокруг провода возбуждается током на единицу длины.

У заряженных частиц есть ядерный спин, как у волчка, который движется по прецессированной орбите с меньшей скоростью. Этот магнитный дипольный момент создает магнитный поток и магнитную силу вдоль провода, создаваемую скоростью потока или тока электрического заряда. Энергия каждого волчка также является абсолютной проницаемостью, а сумма всех волчков — чистой проницаемостью материала. Моменты имеют разные углы вращения, открытые Штерном и Герлахом в 1922 году.

кредит

Скорость изменения$\mu_r$с температурой зависит от типа материала и зазоров между магнитными частицами и соотношения изоляционных и проводящих к магнитным частицам. Микроволновая печь имеет более высокое соотношение проводящего/изоляционного материала, что создает необходимые равные зазоры в ферритовых магнитных частицах.$\mu/\epsilon$.

Результатом является колено кривой, где$\mu_r$падение 10% часто используется для индуктивности при номинальном токе. Выше этого предела для мощного феррита запас до критического теплового разгона является ключевым показателем качества, позволяющим старение материалов. Здесь скорость изменения температуры превышает установившуюся с быстрой потерей индуктивности и импеданса, поскольку тепло не может отводиться достаточно быстро. Это связано с тем, что катушки индуктивности обычно управляются переключаемыми источниками напряжения и не могут переключаться источниками тока, если только они не обнаружены и не ограничены.

Другой Генри

Еще один странный факт заключается в том, что доменные стенки кристалла кварца (XTAL, как и в генераторах) могут иметь эквивалентную индуктивность более 1 Генри, но отличная изоляция кварца создает пьезоэффект, электромагнитные резонансные колебания с крошечной фемтофарадной «подвижной» емкостью. Его нельзя насытить током, потому что между значениями доменных стенок «Генри и fF» существует несколько кВ, при мощности Xtal в 10 мкВт, которую невозможно отвести. Вот почему мощности Xtal ничтожны, так как внутри кристалла возникает напряжение пробоя или перекрытие от молекулярных примесей.

Другой интересный факт

Если вы заметили, что при температурах выше комнатной, Tempco имеет очень маленький PTC, затем переключается на NTC (плохой) выше 350 мА, но насыщает -10% около 450 мА. Это означает, что если ваш среднеквадратичный ток немного превысит это значение, вы будете работать до 100 ° C и близки к безудержному отказу. Функция, которую я добавил к источнику питания Lambda 1U 180 Вт для моей конструкции для обеспечения надежности, заключалась в том, чтобы эпоксидировать термистор на ферритовом XFMR, чтобы управлять небольшим транзистором с LM317 для регулирования тока в 2 вентиляторах последовательно при 48 В, когда он достигал 50 °C. фанаты вздрогнули. При 60°C он будет работать на полных оборотах, что может произойти только при температуре окружающей среды 40°C с моим спойлером и турбулентной конструкцией нагнетателя, поэтому он никогда не превышает критической температуры и даже не приближается к ней.

**Поэтому для дополнительной надежности используйте термоферритовые датчики** для ограничения тока или регулирования напряжения или вентиляторы с контролем температуры, которые обычно не работают.

Вопрос:

Почему насыщение сердечника индуктора зависит от температуры?

Ответ в 5 словах:

Проницаемость зависит от температуры .

В общем случае проницаемость не является постоянной величиной, так как она может меняться в зависимости от положения в среде, частоты приложенного магнитного поля, влажности, температуры и других параметров.

Температурный коэффициент магнитной проницаемости из архива исследовательской библиотеки NIST.

Корреляция магнитного поля и тока, закон Ампера: B = f(u * I)