CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ
2.4.2. Các tính chất đặc trưng cho vật liệu từ
Giống như điện trở của một dây dẫn, mạch từ cũng có từ trở Rm. Từ trở là một đại lượng đánh giá sự ngăn cản việc lập nên từ thông của một mạch từ. Từ trở được tính theo công thức sau:
m 1 l
R .
= S μ Trong đó: l - là độ dài của mạch từ S - là tiết diện của mạch từ
μ - là độ từ thẩm của vật liệu trong mạch từ
Số nghịch đảo của μ tương ứng với điện trở suất ρ trong mạch điện. Vậy 1/μ là từ trở suất của 1m3 vật liệu từ.
Hình 2.8 - Đường cong từ hóa của gang, thép lá, thép đúc tấm và đường cong từ thẩm của thép lá
Độ từ thẩm là số nghịch đảo của từ trở
m m
1 l
R S F
μ = = Φ
Trong đó : μ là độ từ thẩm của vật liệu từ Fm là lực từ động và Φ là từ thông.
1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (103 H/A/m) Thép lá
Thép tấm Gang
μr (Thép lá) B (T)
μr 2500 2000 1500 1000 500
Thay các giá trị của Rm và Fm và thay công thức tính mật độ từ thông (độ cảm ứng từ)
S B=Φ/ ta có công thức tính độ từ thẩm:
B [H / m]
μ = H (2.2) Vậy độ từ thẩm là tỉ số giữa cảm ứng từ B và cường độ từ trường H và có đơn vị đo
bằng Henry/met [H/m], trong đó H đo bằng Ampe/met.
Độ từ thẩm của không gian tự do μ0:
0 4 .10−7 [H / m]
μ = π Độ từ thẩm tương đối (μr):
Sự gia tăng từ thông tổng hợp là độ cảm ứng từ B khi cho sắt hoặc thép vào một mạch điện được tính là độ từ thẩm tương đối μr và công thức (2.2) được viết lại thành:
r 0 B
. H
μ μ =
Trong trường hợp của không khí và các vật liệu không từ tính khác thì μr = 1.
Tuỳ theo từng loại sắt hoặc thép mà μr = 400 ÷ 2500
Hình 2.8 mô tả sự thay đổi của độ cảm ứng từ B khi cường độ từ trường H thay đổi trên các mẫu là mạch sắt từ khép kín và đường cong từ thẩm của thép lá. Đường từ hóa có thể được dùng để xác định độ cảm ứng từ B đối với một giá trị cường độ từ trường đã cho. Từ đó, độ từ thẩm tương đối của mỗi mẫu có thể được tính và vẽ trên đồ thị đường từ hóa này.
Đường đứt nét trong Hình 2.8 mô tả độ từ thẩm tương đối μr của thép lá. Độ từ thẩm tương đối không phải là đại lượng không đổi, nó phụ thuộc vào cường độ từ trường H. Đối với thép lá độ từ thẩm cực đại đạt được ở cường độ từ trường xấp xỉ 250A/m.
b. Đường cong từ hóa:
Đặc trưng cho tính chất của vật liệu từ ta có đường cong từ hóa B = f (H) biểu thị mối quan hệ giữa độ cảm ứng từ B và cường độ từ trường H (xem Hình 2.9).
Khi độ cảm ứng từ B và cường độ từ trường H trong cuộn dây thay đổi với số gia là ΔB và ΔH thì số gia của độ từ thẩm ΔB / ΔH sẽ trở nên quan trọng.
Điều cần biết ở đây là ta muốn đạt được một giá trị độ từ thẩm lớn nhất khi độ cảm ứng từ B cực đại với cường độ từ trường H có thể nhỏ nhất. Một quan hệ quan trọng khác là các giá trị thay đổi của B và H trong Hình 2.10. Độ nghiêng của đường cong từ hóa tại một điểm bất kỳ được gọi là gia lượng từ thẩm Δμ.
Δμ =ΔB/ΔH
Độ gia từ thẩm quan trọng trong ứng dụng mà ở đó yêu cầu sự thay đổi rất nhỏ của cường độ từ trường H và sự thay đổi lớn của cảm ứng từ B.
Hình 2.9 – Độ từ thẩm là tỉ số của B/H c. Hiện tượng trễ
Đường cong từ hóa biểu thị quan hệ giữa độ cảm ứng từ B và cường độ từ trường H của vật liệu từ khi ta đặt nó trong từ trường, xem Hình 2.10.
Như biểu thị trong Hình 2.10 ta có:
Bs - cảm ứng từ bão hòa.
Bd - cảm ứng từ dư.
Hc - lực kháng từ.
Đường cong 0-a-b-c xảy ra khi vật liệu từ ban đầu là không bị nhiễm từ và cường độ từ trường tăng từ 0 lên. Khi ta giảm cường độ từ trường từ Hmax xuống đến 0 thì vật liệu từ vẫn còn giữ lại một số từ thông. Độ cảm ứng từ còn lại trong vật liệu từ đã nhiễm từ khi cường độ từ trường giảm xuống đến 0 gọi là độ cảm ứng từ dư (đoạn o-d): (Bd).
Để giảm độ cảm ứng từ dư đến 0, ta cần cung cấp một cường độ từ trường âm.
Cường độ từ trường cần thiết (o-e) để giảm độ cảm ứng từ dư đến 0 được gọi là lực kháng từ (HC). Khi tiếp tục tăng giá trị ngược của cường độ từ trường H, thì độ cảm ứng từ B cũng tăng theo chiều âm đến giá trị bão hòa, ta có đường cong từ hóa mới (đoạn e- f). Một lần nữa, cường độ từ trường ngược lại giảm đến 0 thì độ cảm ứng từ cũng giảm đến giá trị cảm ứng từ dư (đoạn o-g). Và để giảm độ cảm ứng từ đến 0, ta lại phải tăng cường độ từ trường theo chiều dương đến trị số HC (đoạn o-h) và đây cũng chính là lực
ΔH ΔB ΔB
a ΔH
b ΔB
c ΔH
H B
0
kháng từ. Tiếp tục tăng cường độ từ trường theo chiều dương ta được đoạn "h-c" của đồ thị. Như vậy, đồ thị B/H có dạng một vòng khép kín. Vòng này đối xứng với độ lớn +Bmax = -Bmax, và +Hmax = -Hmax.
Hình 2.10 - Vòng từ trễ (Khi cường độ từ trường giảm từ Hmax đến 0, độ cảm ứng từ còn dư lại. Nếu H đổi hướng thì cảm ứng từ dư cũng đổi hướng)
Vòng từ trễ chứng minh rằng, một ít năng lượng được hấp thụ vào trong vật liệu từ để thắng lực ma sát và làm thay đổi sự sắp xếp thẳng hàng của các đomen từ. Năng lượng này là nguyên nhân làm nóng lõi cuộn dây, và nó chính là năng lượng lãng phí. Diện tích phủ kín vòng từ trễ tỉ lệ thuận với năng lượng hao phí này. Hình (2.11) biểu diễn 3 vòng từ trễ tiêu biểu cho 3 loại vật liệu sắt từ.
Vòng từ trễ Hình 2.11-(a) là của sắt mềm. Vòng từ trễ Hình 2.11-(b) mô tả vòng từ trễ tiêu biểu của chất thép cứng, và diện tích của nó lớn là nguyên nhân dẫn đến tổn thất của lõi lớn. Tuy nhiên, vì độ cảm ứng từ dư của chất thép cứng lớn nên nó rất thuận lợi cho nam châm vĩnh cửu.
Vòng từ trễ Hình 2.11-(c) là của Ferit. Đây là một lõi ceramic được làm từ oxit sắt.
Vòng từ trễ có hình dạng như vậy sẽ có tổn thất trễ lớn. Đặc tính độ cảm ứng B đạt tới trị số cảm ứng từ dư không đổi trong một hướng này cho phép sử dụng Ferit làm các bộ nhớ từ.
+B +Bb.
Bd
+Hmax
-Hmax
-Bb.h.
H (A/m) HC
e
f
g 0
a b
h
c
Hình 2.11 - Hình dạng của một số vòng từ trễ của các vật liệu
d. Dòng điện xoáy trong lõi sắt từ:
Như ta đã biết, một từ trường thay đổi sẽ cảm ứng một sức điện động trong một dây dẫn đặt trong từ trường đó. Do vậy, một lõi sắt từ đặt trong một cuộn dây sẽ cảm ứng một sức điện động và tạo ra một dòng điện lưu thông trong lõi sắt từ được gọi là dòng điện xoáy. Dòng điện xoáy làm nóng lõi sắt từ và nó giữ vai trò quan trọng trong tổng tổn thất của cuộn dây. Để hạn chế dòng điện xoáy, lõi sắt từ làm việc với dòng điện xoay chiều luôn được chế tạo từ các lá mỏng. Bề mặt của các lá mỏng này được quét vecni hoặc một lớp sơn cách điện mỏng lên cả hai mặt để tăng điện trở của chúng đối với dòng điện xoáy. Bằng cách này các tổn thất do dòng điện xoáy không còn đáng kể.