下面主要关心其磁导率的频率特性、饱和特性以及温度特性等。
饱和特性是选择EMI 吸收磁性材料的一项重要参数。图 2.2 中,B-H 曲线随H增大而趋向平缓,其微分磁导率减小,从而使电感减小,这种效应就称为磁性材料的饱和。而磁场强度H 是由电流通过线圈引起的,它满足以下关系:
H ∝NI (2.1)
其中N 为线圈匝数;I 为电流。
所以在选择EMI 抑制器件磁芯或磁环时,要注意考虑材料的磁饱和问题;尤其对于工作电流较大的设备,须综合考虑电感量、线圈匝数及材料特性的选择,电感量一般不宜太大。
频率特性反映了磁性材料的磁导率随频率的变化情况。磁性材料的磁导率并非恒定不变,而是随频率的升高而变化的。定义初始磁导率µI为直流磁导率。图 2.3 为两种典型软铁磁性材料的磁导率-频率特性曲线。MnZn 材料的初始磁导率很高,约为1200~8000 左右,但随着频率的升高,磁导率下降很快;NiZn 材料的初始磁导率较低,约为80~800,但随着频率的升高,磁导率缓慢增大。因此,在选用材料时,若干扰电流的频率 f 大于临界频率 f 0 (见图 2.3)时,宜采用NiZn 材料;反之应选用MnZn 材料。具体选用时,由于各种材料的具体特性不同,因此临界频率 f 0 不容易准确给出,但应根据干扰频率的主要分布频段,低频干扰采用MnZn 材料,高频干扰采用 NiZn 材料。
图 2.3 铁磁性材料磁导率~频率特性
温度特性反映磁性材料的初始磁导率随温度的变化关系。军用电子设备的环境温度范围为-55℃~+85℃,为了满足在此温度范围内正常工作,必须考虑磁性材料的温度特性。衡量材料温度特性的关键指标称为居里温度。图 2.4 为某种材料的温度特性:当温度超越居里温度后,磁导率会急剧下降,磁性材料转变为非磁性材料,导致该磁芯的电感量急剧减小,直至失去电感特性。
图 2.4 磁性材料的温度特性
本实验装置中电磁铁选用了整块的软铁加工成铁芯,防止由于剩磁过大而使使铁芯无法释放,铁芯的截面定为圆型,半径取经验值 r =22mm,保证足够大的吸力。
2.2 毕奥—萨伐尔定律
毕奥.萨伐尔 (Felix Savart, 1791-1841,法国物理学家.),分析了许多电流回路产生磁场的实验数据,总结出一条说明两者之间关系的普遍定律,称为毕奥-萨伐尔定律,即:电流元 Idl 在真空中给定场点 P 所激发的磁感强度 dB 的大小,与电流元的大小 Idl 成正比,与电流元的方向和由电流元到场点 P 的位矢 r 间的夹角(dl,r)之正弦成正比,并与电流元到点 P 的距离 r 之平方成反比[11]。亦即:
dB∝Idl∝sin〖(dl,r)∝1/r^2 〗
dB∝(Idl sinᵠ)/r^2 (2.3)
毕奥-萨伐尔定律给出了一段电流元 Idl 与它所激发的磁感强度 dB 之间的大小关系:
dB=μ/4π (Idl sin〖(dl,r)〗)/r^2 (2.4)
这里提到的位矢 r,标示磁场中点 P 相对于电流元 Idl 的位置,它的方向从电流元所在处指向点 P,它的大小就是电流元到点 P 的距离,(dl,r)是指电流元 Idl 与 r 之间小于180°的夹角,也可表示为 θ=(dl,r)。
考虑到电流元 Idl、位矢 r 和磁场 dB 三者的方向,电流元的磁场可写成矢量形式:
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