Википедија

Permeabilnost (elektromagnetizam)

Мера способности материјала да подржава формацију магнетног поља

Magnetna permeabilnost je elektromagnetna osobina materijala koja pokazuje intenzitet magnetizacije tela kada su ona izložena spoljnom magnetnom polju. Ova veličina određuje propusnost nekog materijala za magnetno polje. Što je permeabilnost veća, to lakše je uspostaviti magnetno polje u tom materijalu. Magnetna permeabilnost se označava grčkim slovom mi (μ). Termin magnetna permeabilnost izmislio je Oliver Hevisajd septembra 1885. U jedinicama SI sistema, permeabilnost se izražava u Henrijima po metru (H/m), ili u Njutnima po Amperu na kvadrat (N/A²) ili Volt*sekunda na Amper*metar (Vs/Am). Konstanta je poznata kao univerzalna magnetna konstanta ili magnetna permeabilnost vakuuma. Njena vrednost je[1] = 4π×10−7 N/A².

Pojednostavljeni uporedni pregled permeabilnosti: feromagnetika (μf), paramagnetika(μp), vakuuma (μ0) i dijamagnetika (μd)

Permeabilnost vakuuma ili univerzalna magnetska konstanta (znak ) je prirodna konstanta magnetske permeabilnosti za vakuum, koja iznosi: = 4π · 10–7 H/m[2] ili = 12.566370614 · 10–7 N/A². Jednaka je recipročnoj vrednosti umnoška dielektrične permitivnosti vakuuma ε0 i kvadrata brzine svetlosti c u vakuumu: μ0 = 1/(ε0c2).[3]

Permitivnost vakuuma ili dielektrična konstanta vakuuma (znak ε0) je prirodna konstanta koja je jednaka recipročnoj vrednosti umnoška magnetske permeabilnosti vakuuma μ0 i kvadrata brzine svtlosti c u vakuumu: ε0 = 1/(μ0c2) = 8.854187817 · 10–12 F/m.[4]

Objašnjenje

uredi

U elektromagnetizmu, pomoćno magnetno polje H predstavlja kako magnetno polje B utiče na organizaciju magnetnih dipola u datom medijumu, uključujući migraciju dipola i preusmeravanje magnetnog dipola. Njegov odnos prema permeabilnosti je

 

gde je permeabilnost, μ, skalar ako je medijum izotropan, ili tenzor drugog ranka za anizotropni medijum.

Generalno, permeabilnost nije konstanta, jer može da varira u zavisnosti od položaja u medijumu, učestalosti primenjenog magnetnog polja, vlažnosti, temperature i drugih parametara. U nelinearnom medijumu permeabilnost može da zavisi od jačine magnetnog polja. Permeabilnost u funkciji frekvencije može poprimiti realne ili kompleksne vrednosti. U feromagnetnim materijalima, odnos između B i H pokazuje nelinearnost i histerezu: B nije jednovrednosna funkcija od H,[5] već zavisi i od istorije materijala. Za ove materijale je ponekad korisno razmotriti inkrementalnu permeabilnost definisanu kao

 

Ova definicija je korisna u lokalnoj linearizaciji nelinearnog ponašanja materijala, na primer u Njutn-Rafsonovoj iterativnoj šemi rešenja koja izračunava promenljivu zasićenost magnetnog kola.

Permeabilnost je induktanca po jedinici dužine. U SI jedinicama, permeabilnost se meri u henrijama po metru (H/m = J/(A2⋅m) = N/A2). Pomoćno magnetno polje H ima dimenzije struje po jedinici dužine i meri se u jedinicama ampera po metru (A/m). Proizvod μH tako ima dimenzije induktanse pomnožene strujom po jedinici površine (H⋅A/m²). Ali induktanca je magnetni fluks po jedinici struje, tako da proizvod ima dimenzije magnetnog fluksa po jedinici površine, odnosno gustine magnetnog fluksa. Ovo je magnetno polje B, koje se meri u veberima (volt-sekundama) po kvadratnom metru (V⋅s/m²), ili teslama (T).

B je povezano sa Lorentzovom silom na pokretni naboj q:

 

Naelektrisanje q je dato u kulonima (C), brzina v u metrima u sekundi (m/s), tako da je sila F u njutnima (N):

 

H je povezano sa magnetnom dipolnom gustinom. Magnetni dipol je zatvorena cirkulacija električne struje. Dipolni moment ima dimenzije struje pomnožene površinom, jedinicu amper kvadratni metar (A⋅m²) i magnitudu jednaku struji oko petlje pomnoženu sa površinom petlje.[6] H polje na udaljenosti od dipola ima magnitudu proporcionalnu dipolnom momentu podeljenom sa rastojanjem na kub,[7] koje ima dimenzije struje po jedinici dužine.

Relativna magnetna permeabilnost

uredi

Feromagnetni materijali obično imaju permeabilnost stotine puta veće od permeabilnosti vakuuma, dajući saznanje da se magnetski tok može lako uspostaviti u tim materijalima. Feromagnetski materijali su gvožđe, čelik, nikl, kobalt, i njihove legure.

Relativna magnetna permeabilnost, koja se označava simbolom μr, je količnik permeabilnosti neke supstance i permeabilnosti vakuuma ( ):  . Magnetna susceptibilnost se može iskazati pomoću relativne magnetne permeabilnosti:  

Relativna magnetska permeabilnost dijamagnetičnih materija nešto je manja od 1, na primer relativana je magnetska permeabilnost vode 0,999991, srebra 0,9999975, bakra 0,999994. Relativna magnetska permeabilnost paramagnetičnih materija nešto je veća od 1, na primer platine 1,000265, aluminijuma 1,0000082, vazduha 1,00000037, a relativna magnetska permeabilnost feromagnetičnih materija značajno je veća od 1, na primer relativna je magnetska permeabilnost čistog željeza 5 000, a metala (legura od 77% nikla, 16% željeza, 5% bakra, 2% hroma ili molibdena) 50 000 do 80 000.[8]

Dijamagnetizam

uredi
Glavni članak: Dijamagnetizam

Dijamagnetizam je svojstvo objekta koje uzrokuje stvaranje magnetnog polja u suprotnosti sa spolja primenjenim magnetnim poljem, što uzrokuje odbojni efekat. Konkretno, spoljašnje magnetno polje menja orbitalnu brzinu elektrona oko njihovih jezgara, menjajući tako magnetni dipolni momenat u smeru koji se suprotstavlja spoljašnjem polju. Dijamagneti su materijali sa magnetnom permeabilnošću manjom od μ0 (relativna permeabilnost manja od 1).

Shodno tome, dijamagnetizam je oblik magnetizma koji supstanca pokazuje samo u prisustvu spoljašnjeg magnetnog polja. Generalno je to prilično slab efekat u većini materijala, iako superprovodnici pokazuju snažan efekat.

Paramagnetizam

uredi
Glavni članak: Paramagnetizam

Paramagnetizam je forma magnetizma koji se javlja samo u prisustvu spolja primenjenog magnetnog polja. Paramagnetne materijale privlače magnetna polja, stoga imaju relativnu magnetnu permeabilnost veću od jedinice (ili, što je isto, pozitivnu magnetnu podložnost).

Magnetni momenat indukovan primenjenim poljem je linearan po jačini polja i prilično slab. Za otkrivanje efekta obično je potrebna osetljiva analitička vaga. Za razliku od feromagneta, paramagneti ne zadržavaju nikakvu magnetizaciju u odsustvu spoljašnjeg magnetnog polja, jer termičko kretanje dovodi do toga da se spinovi randomno orijentišu bez njega. Tako će ukupna magnetizacija pasti na nulu kada se uklonjeno primenjeno polje. Čak i u prisustvu polja, postoji samo mala indukovana magnetizacija, jer će samo mali deo spinova biti orijentisan prema polju. Ova frakcija je proporcionalna jačini polja i to objašnjava linearnu zavisnost. Privlačnost koju doživljavaju feromagneti je nelinearna i mnogo jača, tako da se lako primećuje, na primer, u magnetima na frižideru.

Žiromagnetizam

uredi

Za žiromagnetske medije (pogledajte Faradejevu rotaciju) respons magnetne permeabilnosti na naizmenično elektromagnetno polje u mikrotalasnom frekvencijskom domenu tretira se kao nedijagonalni tenzor izražen kao:[9]

 

Vrednosti za neke uobičajene materijale

uredi

Sledeću tabelu treba koristiti sa oprezom, jer permeabilnost feromagnetnih materijala uveliko varira u zavisnosti od jačine polja. Na primer, 4% Si čelika ima početnu relativnu permeabilnost (na ili blizu 0 T) od 2.000 i maksimalno 35.000[10] i, zaista, relativnu permeabilnost bilo kog materijala pri dovoljno visokim trendovima jačine polja prema 1 (pri magnetna zasićenost).

Podaci o magnetnoj susceptibilnosti i permeabilnosti za odabrane materijale
Medijum Susceptibilnost,
zapreminska, SI, χm 		Permeabilnost, μ (H/m) Relativna permeabilnost,
maks., μ/μ0 		Magnetno polje Frekvencija,
maks.
Metglas 2714A (žareno) 1,26×100 1000000[11] Na 0,5 T 100 kHz
Gvožđe (99,95% čisto Fe žareno u H) 2,5×10−1 200000[12]
Permaloj 8000 1,25×10−1 100000[13] Na 0,002 T
Nanoperm[14] 1,0×10−1 80000[15] Na 0,5 T 10 kHz
Mju-Metal 6,3×10−2 50000[16]
Mju-Metal 2,5×10−2 20000[17] Na 0,002 T
Kobarlt-gvožđe
(visokopermeabilni trakasti materijal) 		2,3×10−2 18000[18]
Gvožđe (99,8% čisto) 6,3×10−3 5000[12]
Elektrotehnički čelik 5,0×10−3 4000[17] Na 0,002 T
Feritni nerđajući čelik (žaren) 1,26×10−3 – 2,26×10−3 1000 – 1800[19]
Martenzitni nerđajući čelik (žaren) 9,42×10−4 – 1,19×10−3 750 – 950[19]
Ferit (mangan cink ) 4,4×10−4 – 2,51×10−2 350 – 20 000[20] Na 0,25 mT Aproks. 100 Hz – 4 MHz
Ferit (nikal cink) 1,26×10−5 – 2,89×10−3 10 – 2300[21] Na ≤ 0,25 mT Aproks. 1 kHz – 400 MHz
Ferit (magnezijum mangan cink) 4,4×10−4 – 6,28×10−4 350 - 500[22] At 0.25 mT
Ferit (kobalt nikal cink) 5,03×10−5 – 1,57×10−4 40 – 125[23] Na 0,001 T Aproks. 2 MHz – 150 MHz
Mo-Fe-Ni prah
(molipermaloj prah, MPP) 		1,76×10−5 – 6,91×10−4 14 – 550[24] Aproks. 50 Hz – 3 MHz
Nikal gvožđe prah 1,76×10−5 – 2,01×10−4 14 – 160[25] Na 0,001 T Aproks. 50 Hz – 2 MHz
Al-Si-Fe prah (peščana prašina) 1,76×10−5 – 2,01×10−4 14 – 160[26] Aproks. 50 Hz – 5 MHz[27]
Prah gvožđa 1,76×10−5 – 1,26×10−4 14 – 100[28] Na 0,001 T Aproks. 50 Hz – 220 MHz
Prah silicijum gvožđa 2,39×10−5 – 1,13×10−4 19 – 90[29][30] Aproks. 50 Hz – 40 MHz
Prah ugljeničnog gvožđa 5,03×10−6 – 4,4×10−5 4 – 35[31] Na 0,001 T Aproks. 20 kHz – 500 MHz
Ugljenični čelik 1,26×10−4 100[17] Na 0,002 T
Nikal 1,26×10−4 – 7,54×10−4 100[17] – 600 Na 0,002 T
Martenzitni nerđajući čelik (očvrsnuo) 5,0×10−5 – 1,2×10−4 40 – 95[19]
Austenitski nerđajući čelik 1,260×10−6 – 8,8×10−6 1,003 – 1,05[19][32][note 1]
Neodijumski magnet 1,32×10−6 1,05[33]
Platina 1,256970×10−6 1,000265
Aluminijum 2,22×10−5[34] 1,256665×10−6 1,000022
Drvo 1,25663760×10−6 1,00000043[34]
Vazduh 1,25663753×10−6 1,00000037[35]
Beton (suv) 1[36]
Vakuum 0 4π × 10−7 (μ0) 1, tapno[37]
Vodonik −2,2×10−9[34] 1,2566371×10−6 1,0000000
Teflon 1,2567×10−6[17] 1,0000
Safir −2,1×10−7 1,2566368×10−6 0,99999976
Bakar −6,4×10−6 or
−9,2×10−6[34] 		1,256629×10−6 0,999994
Voda −8,0×10−6 1,256627×10−6 0,999992
Bizmut −1,66×10−4 1,25643×10−6 0,999834
Pirolitički ugljenik 1,256×10−6 0,9996
Superprovodnici −1 0 0
 
Kriva magnetizacije za feromagnete (i ferimagnete) i korespondirajuću permeabilnost

Dobar materijal magnetnog jezgra mora imati visoku permeabilnost.[38]

Za pasivnu magnetnu levitaciju potrebna je relativna permeabilnost ispod 1 (što odgovara negativnoj susceptibilnosti).

Vidi još

uredi

Napomene

uredi
  1. ^ The permeability of austenitic stainless steel strongly depends on the history of mechanical strain applied to it, e.g. by cold working

Izvori

uredi
  1. ^ The NIST reference on fundamental physical constants, Pristupljeno 11. 4. 2013.
  2. ^ The NIST reference on fundamental physical constants
  3. ^ Magnetska permeabilnost vakuuma, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
  4. ^ Dielektrična permitivnost vakuuma, [2] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
  5. ^ Jackson 1975, str. 190
  6. ^ Jackson, John David (1975). Classical Electrodynamics  (2nd izd.). New York: Wiley. ISBN 978-0-471-43132-9.  p. 182 eqn. (5.57)
  7. ^ Jackson (1975) p. 182 eqn. (5.56)
  8. ^ Relativna magnetska permeabilnost, [3] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
  9. ^ Kales, M. L. (1953). „Modes in Wave Guides Containing Ferrites”. Journal of Applied Physics. 24 (5): 604—608. Bibcode:1953JAP....24..604K. doi:10.1063/1.1721335. 
  10. ^ G.W.C. Kaye & T.H. Laby, Table of Physical and Chemical Constants, 14th ed, Longman
  11. ^ „"Metglas Magnetic Alloy 2714A", Metglas”. Metglas.com. Arhivirano iz originala 2012-02-06. g. Pristupljeno 2011-11-08. 
  12. ^ a b „"Magnetic Properties of Ferromagnetic Materials", Iron”. C.R Nave Georgia State University. Pristupljeno 2013-12-01. 
  13. ^ Jiles, David (1998). Introduction to Magnetism and Magnetic Materials. CRC Press. str. 354. ISBN 978-0-412-79860-3. 
  14. ^ Nanoperm alloys|
  15. ^ „"Typical material properties of NANOPERM", Magnetec” (PDF). Pristupljeno 2011-11-08. [mrtva veza]
  16. ^ „Nickel Alloys-Stainless Steels, Nickel Copper Alloys, Nickel Chromium Alloys, Low Expansion Alloys”. Nickel-alloys.net. Pristupljeno 2011-11-08. 
  17. ^ a b v g d „"Relative Permeability", Hyperphysics”. Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Pristupljeno 2011-11-08. 
  18. ^ „"Soft Magnetic Cobalt-Iron Alloys", Vacuumschmeltze” (PDF). www.vacuumschmeltze.com. Arhivirano iz originala (PDF) 2016-05-23. g. Pristupljeno 2013-08-03. 
  19. ^ a b v g Carpenter Technology Corporation (2013). „Magnetic Properties of Stainless Steels”. Carpenter Technology Corporation. Arhivirano iz originala 10. 05. 2017. g. Pristupljeno 29. 03. 2021. 
  20. ^ According to Ferroxcube (formerly Philips) Soft Ferrites data. https://www.ferroxcube.com/zh-CN/download/download/21
  21. ^ According to Siemens Matsushita SIFERRIT data. https://www.thierry-lequeu.fr/data/SIFERRIT.pdf
  22. ^ According to PRAMET Šumperk fonox data. https://www.doe.cz/wp-content/uploads/fonox.pdf
  23. ^ According to Ferronics Incorporated data. http://www.ferronics.com/catalog/ferronics_catalog.pdf Arhivirano na sajtu Wayback Machine (19. oktobar 2013)
  24. ^ According to Magnetics MPP-molypermalloy powder data. https://www.mag-inc.com/Products/Powder-Cores/MPP-Cores
  25. ^ According to MMG IOM Limited High Flux data. http://www.mmgca.com/catalogue/MMG-Sailcrest.pdf
  26. ^ According to Micrometals-Arnold Sendust data. https://www.micrometalsarnoldpowdercores.com/products/materials/sendust Arhivirano na sajtu Wayback Machine (10. maj 2020)
  27. ^ According to Micrometals-Arnold High Frequency Sendust data. https://www.micrometalsarnoldpowdercores.com/products/materials/sendust-high-frequency Arhivirano na sajtu Wayback Machine (30. jul 2020)
  28. ^ „Micrometals Powder Core Solutions”. micrometals.com. Arhivirano iz originala 21. 04. 2020. g. Pristupljeno 2019-08-17. 
  29. ^ According to Magnetics XFlux data. https://www.mag-inc.com/Products/Powder-Cores/XFlux-Cores
  30. ^ „Micrometals Powder Core Solutions”. micrometals.com. Arhivirano iz originala 17. 04. 2020. g. Pristupljeno 2019-08-18. 
  31. ^ „Micrometals Powder Core Solutions”. www.micrometals.com. Arhivirano iz originala 21. 03. 2020. g. Pristupljeno 2019-08-17. 
  32. ^ British Stainless Steel Association (2000). „Magnetic Properties of Stainless Steel” (PDF). Stainless Steel Advisory Service. Arhivirano iz originala (PDF) 23. 03. 2016. g. Pristupljeno 29. 03. 2021. 
  33. ^ Juha Pyrhönen; Tapani Jokinen; Valéria Hrabovcová (2009). Design of Rotating Electrical Machines. John Wiley and Sons. str. 232. ISBN 978-0-470-69516-6. 
  34. ^ a b v g Richard A. Clarke. „Magnetic properties of materials, surrey.ac.uk”. Ee.surrey.ac.uk. Arhivirano iz originala 03. 06. 2012. g. Pristupljeno 2011-11-08. 
  35. ^ B. D. Cullity and C. D. Graham (2008), Introduction to Magnetic Materials, 2nd edition, 568 pp., p.16
  36. ^ NDT.net. „Determination of dielectric properties of insitu concrete at radar frequencies”. Ndt.net. Pristupljeno 2011-11-08. 
  37. ^ by definition
  38. ^ Dixon, L H (2001). „Magnetics Design 2 – Magnetic Core Characteristics” (PDF). Texas Instruments. 

Literatura

uredi
  • Principles of Electric Circuits, 7th edition, Thomas I. Floyd, Prentice Hall. ISBN 978-0-13-098576-7. str. 385..

Spoljašnje veze

uredi
Preuzeto iz „https://sr.wiki.x.io/w/index.php?title=Пермеабилност_(електромагнетизам)&oldid=27789411”