Материалы радиоэлектронных средств

Величину термо-ЭДС пары разнородных проводников А и Б при разности температуры контактов в один градус характеризуют значением ОТНОСИТЕЛЬНОЙ УДЕЛЬНОЙ ТЕРМО-ЭДС SА-Б, В/К. Практически измерить всегда можно только суммарную термо-ЭДС одного проводника относительно другого при некоторой разности температуры Т, обозначаемую А-Б, В (ИНТЕГРАЛЬНУЮ ТЕРМО-ЭДС). Эти величины связаны между собой:

При этом SА-Б = SА - SБ = SА-В - SБ-В,

где SА, SБ - абсолютные удельные термо-ЭДС металлов А и Б, SА-В, SБ-В - относительные удельные термо-ЭДС металла А относительно металла В, металла Б относительно металла В соответственно.

Следовательно, нет необходимости знать абсолютные удельные термо-ЭДС, достаточно иметь значения относительных удельных термо-ЭДС относительно некоторого третьего материала, чтобы рассчитать интегральную термо-ЭДС в цепи, содержащей последовательно соединенные разнородные проводники. В технике обычно определяют удельную термо-ЭДС относительно меди, как основного проводникового материала. Однако, сложность в том, что и сама удельная термо-ЭДС зависит от температуры, причем зависимость эта в широком диапазоне температур обычно нелинейная, а для магнитных металлов - и немонотонная.

Явление возникновения термо-ЭДС используется для преобразования разности температур в электрическое напряжение в термопарах (спаях двух разнородных проводников) для измерения температуры и для получения электрической энергии в термоэлектрических генераторах. Это же явление в низковольтных электрических сигнальных цепях постоянного тока порождает дополнительную помеху.

В проводниках на переменном токе, как известно, существует ПОВЕРХНОСТНЫЙ ЭФФЕКТ (скин-эффект), выражающийся в том, что под действием создаваемого переменным током магнитного поля ток вытесняется из толщи проводника к его поверхности. В бесконечно толстом проводнике плотность тока j=i/S экспоненциально уменьшается по мере удаления от поверхности (рис. 5.2, а):

,

где j0 - плотность тока у поверхности проводника, А/м2; x - расстояние от поверхности, м.

Параметр экспоненты

где - удельное сопротивление материала проводника, Омм; f - частота тока, Гц; 0= 4 10-7 Гн/м - магнитная постоянная; - относительная магнитная проницаемость материала проводника.

Изменение плотности тока по толщине для проводника конечной толщины иллюстрирует рис. 5.2, б.



Рисунок 5.2 - Поверхностный эффект:

а) плотность тока в проводнике бесконечной толщины; б) то же в проводнике толщиной h.

Вследствие неравномерного распределения тока по толщине проводника в нем возрастают потери энергии по сравнению с потерями на постоянном токе. Для уменьшения потерь известен ряд приемов и рекомендаций:

- для проводников на переменном токе использовать только немагнитные материалы;

- увеличивать суммарную поверхность проводника в том же сечении металла, заменяя проводник круглого сечения лентой, скруткой нескольких изолированных более тонких проводников или трубой;

- снижать шероховатость поверхности проводника качественной обработкой, а для защиты от коррозии покрывать благородными металлами.

Важность учета поверхностного эффекта иллюстрирует табл. 3, где указаны значения параметра экспоненты L в зависимости от частоты в медных проводниках. Если на низких частотах поверхностным эффектом можно пренебречь, то на частоте 10 кГц величина 2L одного порядка с диаметрами проводов в источниках вторичного питания на основе высокочастотных преобразователей, на частоте 100 МГц 95 % тока протекает в поверхностном слое толщиной 20 мкм, на частоте 10 ГГц (СВЧ диапазон с длиной волны 3 см) тот же слой составляет всего 2 мкм.

Таблица 3 - Параметр экспоненты

f, Гц	1	100	104	106	108
, мм	66	6,6	0,66	0,066	0,0066

Следует отметить, что изложенное верно лишь для уединенных прямолинейных проводников. В электромагнитных элементах (трансформаторах, дросселях, катушках индуктивности) на ток в проводнике действует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми витками и всеми обмотками, поэтому потери в проводнике на переменном токе еще более возрастают. В наибольшей степени влияние совокупного магнитного поля проявляется в электромагнитных элементах без магнитопровода.

5.2 Материалы высокой проводимости

Медь - основной материал для проводников в радиоэлектронике. Ее параметры при нормальных условиях:

- плотность 8890 кг/м3;

- удельное сопротивление (отожженной "стандартной") 0,0172 мкОмм;

- температурный коэффициент удельного сопротивления 4,310-3 К-1;

- термо-ЭДС относительно платины 1,410-6 В/К;

- коэффициент теплопроводности 400 Вт/мК;

- температурный коэффициент линейного расширения 16,410-6 К-1;

- температура плавления 1083 оС;

- предел прочности на разрыв: литой - 200 МПа, деформированной - до 500 МПа, отожженной - 200...280 МПа;

- относительное удлинение перед разрывом от 0,5 до 50 %, в зависимости от состояния;

- твердость (число Бринелля) - от 38 до 120.

В сухом воздухе медь почти не окисляется до температуры +200 оС, во влажном воздухе, особенно содержащем примеси (морские соли, сера и ее соединения и т. п.) наблюдается медленная коррозия.

Медные детали с чистой поверхностью хорошо паяются мягкими и твердыми припоями с применением неактивных флюсов. Свариваемость затруднена вследствие высокой теплопроводности.

Медь применяется в электротехнике, радиоэлектронике, связи для изготовления разнообразных проводов и кабелей, токоведущих деталей приборов, корпусов полупроводниковых приборов, печатных плат.

Алюминий является вторым по значению проводниковым материалом. Его основные параметры:

- плотность 2700 кг/м3;

- удельное сопротивление 0,028 мкОм.м;

- температурный коэффициент удельного сопротивления 4,1.10-3 К-1;

- коэффициент теплопроводности 209 Вт/мК;

- температурный коэффициент линейного расширения 2410-6 К-1;

- температура плавления +650 оС;

- предел прочности на разрыв: от 80 МПа (мягкий) до 170 МПа (твердый);

- относительное удлинение перед разрывом от 12-14 % (твердый) до 30-33 % (мягкий);

- число Бринелля - от 25 (мягкий) до 33 (твердый).

На воздухе алюминий всегда покрыт тонкой пленкой оксида Al2O3, защищающей его от дальнейшего окисления. При обычной температуре алюминий не реагирует с водой и водяным паром, окисью углерода и углекислым газом.

Алюминий можно паять только специальными припоями с применением высокоактивных флюсов. Сваривается аргоно-дуговой и электроконтактной сваркой.

Соотношение между плотностями и удельными сопротивлениями меди и алюминия таково, что из двух проводников равной длины и равного электрического сопротивления алюминиевый должен иметь сечение в 1,63 раза больше, чем медный, однако масса алюминиевого проводника будет в 2 раза меньше. Кроме того, стоимость алюминия в несколько раз ниже стоимости меди. Однако при ограничении на габариты сопротивление алюминиевого проводника и потери мощности в нем при прохождении тока будут в 1,63 раза больше, чем у медного проводника. Поэтому в электротехнике применяют преимущественно алюминиевые кабели и провода, а обмотки электрических машин изготавливают из меди. В радиоэлектронике и связи определяющим фактором становится технологичность выполнения соединений, поэтому применяют медь, как легко паяющийся материал. В полупроводниковой электронике используют алюминий, так как медь при контакте с кремнием легко диффундирует в него и ухудшает параметры полупроводниковых структур.

Основные виды проводниковых изделий для радиоэлектроники: обмоточные провода; монтажные провода; радиочастотные кабели.

5.3 Обмоточные провода

Обмоточные провода предназначены для изготовления обмоток электрических машин (электродвигателей, генераторов и прочих), электромагнитных элементов (электромагнитов, реле, пускателей), индуктивных элементов (трансформаторов, дросселей, катушек индуктивности). Общим для всех перечисленных элементов является то, что обмотки в них размещаются в окнах магнитопроводов, и магнитопровод и обмотка как бы взаимно охватывают друг друга. Поэтому обмотка всегда может занимать лишь ограниченный объем и иметь ограниченное поперечное сечение. Очевидно, чем выше в этом сечении будет доля проводникового материала, иначе говоря, коэффициент заполнения окна магнитопровода проводниковым материалом, тем меньше сопротивление обмотки и меньше потери мощности в ней. Следовательно, электрическая изоляция витков обмотки друг от друга должна быть возможно тоньше.

Минимальной толщиной при заданных изолирующих свойствах обладает эмалевая изоляция. Эмаль обмоточного провода представляет собой сплошной тонкий слой полимерного материала, нанесенный на медную проволоку и прочно с ней сцепленный. При изгибах и растяжении провода эмаль не должна отслаиваться и растрескиваться. Эмаль должна длительно сохранять свои электроизоляционные свойства при повышенных температурах.

Промышленностью выпускаются несколько десятков марок обмоточных проводов в эмалевой изоляции. Большинство из них - круглые медные, но есть и провода прямоугольного сечения, и алюминиевые.

Примеры марок обмоточных проводов:

- ПЭВ-1 - медный круглый с высокопрочной изоляцией из лака винифлекс, длительная рабочая температура +105 оС;

- ПЭТ-155 - то же, изолированный теплостойким лаком на полиэфиримидной основе, длительная рабочая температура +155 оС;

- ПЭТ-200 - то же, изолированный лаком на полиамидной основе, длительная рабочая температура +200 оС;

- ПЭВТЛ-1 - то же, изолированный полиуретановым лаком, лудящийся;

- ПЭСА - алюминиевый с полиформалевой изоляцией;

- ПЭВП - медный прямоугольный с поливинилацеталевой изоляцией.

Круглые медные провода выпускаются диаметром по меди от 0,02 до 2,50 мм, алюминиевые - 0,08...2,5 мм; прямоугольные имеют размеры сторон сечения от 0,52 до 3,5512,5 мм. Толщина эмалевой изоляции составляет от 0,007 до 0,07 мм в зависимости от диаметра (поперечного размера) провода. Электрическая прочность изоляции оценивается пробивным напряжением, которое для проводов разных марок и разных диаметров составляет от 100 до 4400 В. В эмалевой изоляции допускаются микродефекты в количестве от 3 до 15 на длине 15 м. Изоляция выдерживает навивание на стержень диаметром от одного до четырнадцати диаметров провода, в зависимости от марки, или растяжение от 8 % до разрыва без растрескивания и отслоения.

Допустимая плотность тока в обмоточном проводе с эмалевой изоляцией составляет от 30 А/мм2 для миниатюрных тороидальных трансформаторов и дросселей до менее 1 А/мм2 в крупногабаритных изделиях. Величина ее обусловлена максимальной рабочей температурой изоляции и условиями охлаждения обмотки.

Кроме проводов с эмалевой изоляцией, выпускаются другие типы проводов:

- с эмалево-волокнистой и волокнистой изоляцией (кабельная бумага, хлопчатобумажные, полиэфирные, шелковые нити);

-со стекловолокнистой и асбестовой изоляцией;

- с пластмассовой и пленочной изоляцией.

Для радиоэлектроники и связи выпускают высокочастотные обмоточные провода, называемые "литцендрат", представляющие собой скрутку из нескольких (от 3 до 1075) отдельных изолированных эмалью проволок диаметром от 0,03 до 0,56 мм, некоторые имеют поверх скрутки оплетку из хлопчатобумажных, шелковых, полиэфирных нитей. Среди этих проводов наибольшую ценность с точки зрения технолога представляют провода с полиуретановой эмалью (марки ЛЭП, ЛЭПКО, ЛЭПШД), так как их можно лудить и паять без зачистки изоляции.

Вторым важнейшим медным проводниковым материалом являются монтажные провода и кабели.

Монтажный одножильный провод представляет собой одну или несколько свитых вместе круглых медных проволок (жилу), покрытую слоем пластмассовой изоляции. Проволоки могут быть разных диаметров, голые или покрытые другим металлом (оловом, серебром). Поверх жилы часто находится оплетка из хлопчатобумажных или синтетических нитей, служащая для тепловой изоляции пластмассовой оболочки от жилы при пайке. Поверх пластмассовой иногда выполняют оболочку из переплетенных нитей, а также электромагнитный экран: оплетку из переплетенных медных луженых или посеребренных проволок.

Примеры марок монтажных проводов:

- МШВ - с однопроволочной жилой, оплетенной хлопчатобумажными нитями, в поливинилхлоридной изоляции;

- МГШВ - то же гибкий (с многопроволочной жилой);

- МГШП - то же в полиэтиленовой изоляции;

- МГШПЭ - то же экранированный;

- МПО - с многопроволочной жилой в изоляции из облученного полиэтилена;

- МПО33-12 - с многопроволочной жилой из голых медных проволок в оплетке несколькими слоями ленты из фторопласта-4.

Максимальная рабочая температура проводов с поливинилхлоридной изоляцией +60 оС, с полиэтиленовой изоляцией - до +85 оС, с изоляцией из облученного полиэтилена - до +100 оС, с фторопластовой изоляцией - от +120 до +250 оС.

Для вычислительной техники выпускаются плоские (ленточные) провода и кабели. В них несколько (от 3 до 60) отдельных жил расположены параллельно в одной плоскости и механически объединены общей изоляцией. Например, провод ПВП может иметь от 24 до 60 жил диаметром 0,2 мм при толщине провода 0,75 мм; шаг жил в плоскости провода - от 0,32 до 0,63 мм. Изоляция изготовлена из полиэтилена.

Для удобства монтажа и ремонта аппаратуры изоляцию проводов окрашивают в разные цвета.

Радиочастотные кабели предназначены для соединения приемных и передающих антенн с передатчиками и приемниками, а также для межприборного и внутриприборного монтажа в радиотехнических средствах, работающих на частотах свыше 1 МГц. Из всех радиочастотных наиболее широко применяются кабели коаксиальные.

Коаксиальный кабель устроен следующим образом: центральный проводник (одно- или многопроволочная медная голая или покрытая оловом или серебром жила), вокруг него изоляция, в сечении имеющая вид кольца, поверх изоляции выполнена оплетка из медных голых или луженых, или посеребренных проволок, поверх оплетки обычно нанесена защитная непрозрачная пластмассовая оболочка.

Основные параметры коаксиального кабеля: волновое сопротивление, Ом, и коэффициент затухания, дБ/км, в зависимости от частоты. На величины этих параметров оказывают влияние вид и качество изоляции, а также соотношение диаметров: внутреннего оплетки и наружного центрального проводника. Различают кабели со сплошной изоляцией, в которых весь объем между оплеткой и центральным проводником заполнен изоляционным материалом, и с воздушной изоляцией, в которых на центральный проводник с определенным шагом нанизаны изоляционные колпачки или шайбы или объем заполнен пористой пластмассой.

Примеры марок радиочастотных коаксиальных кабелей:

- РК50-0,6-21 - с семипроволочным центральным медным проводником со сплошной изоляцией из фторопласта-4 без оболочки;

- РК50-1-11 - с однопроволочным посеребренным центральным медным проводником со сплошной полиэтиленовой изоляцией и в оболочке из полиэтилена;

- РК75-1-12 - с лужеными внутренним и внешним проводниками;

- РК100-7-13 - с полиэтиленовой изоляцией в поливинилхлоридной оболочке.

Обозначение марки состоит из букв РК (радиочастотный коаксиальный) и трех чисел. Первое число означает номинальное волновое сопротивление в Ом, второе - номинальный диаметр изоляции в миллиметрах, третье - группу изоляции и порядковый номер разработки.

5.4 Материалы высокого удельного сопротивления

Материалы высокого удельного сопротивления применяются в прецизионных (особо точных) резисторах, в переменных резисторах, в нагрузочных и нагревательных элементах.

Для прецизионных резисторов необходимы материалы, отличающиеся высокой стабильностью, поэтому при достаточно большом удельном сопротивлении они должны обладать возможно меньшими температурным коэффициентом удельного сопротивления и термо-ЭДС по отношению к меди. Таковы сплавы системы медь-никель, легированные другими металлами. Удельное сопротивление их составляет около 0,45 мкОмм, ТКС = (1...10)10-6 К-1, термо-ЭДС относительно меди равна (-0,2...+1) мкВ/К. Примеры сплавов: МНМц3-12 - манганин, МНМц40-1,5 - константан. Сплавы выпускаются, главным образом, в виде проволоки диаметром 0,02...6 мм, голой или изолированной эмалью: обычным лаковой или стеклянной (тонким слоем легкоплавкого стекла).

Материалы для переменных резисторов должны обладать также высокой износостойкостью и хорошими контактными свойствами. Медно-никелевые сплавы удовлетворяют этим требованиям, поэтому их применяют для изготовления не только постоянных, но и переменных резисторов.

Материалы для нагрузочных и нагревательных элементов должны быть, прежде всего, жаростойкими, т. е. не окисляться при высокой температуре. Точность и стабильность от них обычно не требуется, но желательно высокое удельное сопротивление. К этим материалам принадлежат сплавы на никелевой основе (нихромы) и сплавы на железной основе.

Примеры марок нихромов: Х20Н80, Х15Н60-Н, ХН60Ю3 (остальное железо). Удельное сопротивление их 1,05...1,20 мкОмм, ТКС = (90...160)10-6 К-1, длительная рабочая температура до 1000 оС, сплавы немагнитны.

Сплавы на железной основе дешевле нихромов, имеют несколько большее значение удельного сопротивления (до 1,4 мкОмм), и такую же или несколько более высокую длительную рабочую температуру, однако менее технологичны из-за повышенной хрупкости в холодном состоянии, и большей частью ферромагнитны. Примеры сплавов: Х13Ю4, Х15Ю5, Х23Ю5Т, Х27Ю5Т.

Сплавы на никелевой и железной основах выпускаются в виде проволоки, прутков, лент. Из нихромовой проволоки диаметром 0,02...0,4 мм изготавливают провод, изолированный высокопрочной эмалью, применяют ее также для износостойких переменных резисторов.

МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОГО УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ БЛАГОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ (серебра, золота, платины, палладия) из-за высокой стоимости применяют в особо ответственных случаях для изготовления высокоточных сопротивлений, работающих в условиях повышенной температуры и влажности в агрессивных средах, а также В КОНТАКТЕ С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ. Они имеют удельное сопротивление в диапазоне от 0,1 до 1,2 мкОмм, температурный коэффициент удельного сопротивления от менее 110-6 К-1 (сплав СрМц1008) до 1810-4 К-1 (ПлН4,5), термо-ЭДС в паре и медью от + 0,5 мкВ/К, высокую износостойкость и хорошие контактные свойства (ПдСр40).

В непроволочных резистивных элементах (непроволочные пленочные и композиционные резисторы, композиционные нагревательные элементы) резистивный материал используется либо в виде тонкой пленки, нанесенной на диэлектрическое основание, либо в виде порошкообразной композиции (смеси с изоляционным порошком), спрессованной в виде стержня.

Для изготовления пленочных резисторов используют кремниевые резистивные сплавы типа РС (сплавы кремния с хромом, никелем, железом), сплавы типа МЛТ (Si-Fe-Cr-Ni-Al-W), углерод.



6. Контактные материалы

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТАКТ - это место перехода тока из одной токоведущей детали в другую. Электрические цепи радиоэлектронных средств содержат множество таких контактов. Одни контакты замыкаются во время сборки прибора и более не размыкаются, их называют монтажными или неподвижными. Другие замыкаются и размыкаются относительно редко, таковы контакты выключателей, переключателей, разъемов. Третьи замыкаются и размыкаются до сотен раз в секунду, например, контакт между щеткой и коллекторными пластинами в электродвигателе. Замыкание-размыкание одних контактов происходит при отсутствии тока и напряжения в цепи (разъемы, монтажные контакты), другие контакты коммутируются под током (реле, выключатели, переменные резисторы).

Различают КОНТАКТЫ ЦЕЛЬНОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ и КОНТАКТЫ ИСТИННЫЕ. В цельнометаллических контактах, полученных пайкой или сваркой токоведущих деталей, физическая граница между материалами контактирующих тел отсутствует, так как она была разрушена в результате расплавления и перемешивания материалов при сварке или устранена за счет смачивания проводника припоем и его диффузии в проводник при пайке. Истинные контакты образуются вследствие сближения и взаимного прижатия контактирующих тел, и физическая граница между телами при нормальном функционировании контакта сохраняется. Исчезнуть она может только при перегрузке и оплавлении контакта, который станет цельнометаллическим, но размыкаться уже не сможет.

В зависимости от условий работы различают истинные контакты ЗАЖИМНЫЕ, РАЗРЫВНЫЕ и СКОЛЬЗЯЩИЕ. В реальных конструкциях контактов наблюдается обычно сочетание признаков разных типов контактов.

В дальнейшем будем рассматривать истинные контакты, так как процессы, происходящие в них, наиболее сложны и часто определяют качество функционирования РЭС.

6.1 Основы контактирования

В истинных контактах основные явления происходят на рабочей поверхности контактных тел. Поверхность эта всегда в той или иной степени шероховатая и может быть покрыта пленкой оксидов и иных загрязнений. Рассмотрим прохождение тока через замыкающиеся контакты.

На рис. 6.1а изображена замыкающаяся контактная пара, включающая две плоские пружины 1, закрепленные консольно и параллельно друг другу. На свободных концах пружин укреплены контактные тела 2, своими рабочими полусферическими поверхностями обращенные друг к другу. В исходном состоянии пружины параллельны, и расстояние между ними таково, что между контактами есть воздушный зазор. Для замыкания к одной из пружин прикладывается внешняя сила F, изгибающая пружину до такой степени, чтобы контакты сблизились до соприкосновения и часть силы F (контактное усилие Fк) передавалось от верхнего контакта нижнему, а через него - нижней пружине, которая также изгибается, но в меньшей степени, чем верхняя. Так устроены и работают контакты многих реле и переключателей.

Если посмотреть такую замкнутую контактную пару на просвет, в месте соприкосновения полусфер есть непрозрачный участок, определяющий КАЖУЩУЮСЯ ПЛОЩАДЬ ПОВЕРХНОСТИ КОНТАКТИРОВАНИЯ Sкаж. Плотность коммутируемого тока jкаж= I/Sкаж обычно невелика, измеряется десятыми долями А/мм2. Однако на самом деле в месте соприкосновения контактов ток протекает через весьма малые по площади участки.

На рис. 6.1,б изображена замкнутая контактная пара в разрезе и при большом увеличении. Поверхности контактных тел шероховатые, поэтому соприкасаются они лишь в некоторых местах выступающих шероховатостей 3. В эти места стягиваются линии тока, поэтому плотность тока в местах истинного контактирования намного больше, чем в самих контактных телах. С другой стороны, сопротивление проводника R= l/S, где - удельное сопротивление материала, l - длина и S - поперечное сечение проводника, следовательно, сопротивление в месте истинного контактирования из-за малости сечения будет велико. Это как бы добавочное сопротивление в цепи с замкнутым контактом называется ПЕРЕХОДНЫМ, или КОНТАКТНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ. Рассчитать точную величину переходного сопротивления невозможно, так как на него оказывает влияние ряд факторов. Во-первых, шероховатость поверхности контактов. Если она велика, количество мест истинного контактирования уменьшается. Если шероховатость уменьшить, будут сказываться микронеровности поверхности, и количество мест истинного контактирования также уменьшится. Следовательно, шероховатость поверхности контактных тел должна быть оптимальной для данных условий. Во-вторых, на величину площади сечения в месте истинного контактирования влияют контактные усилия и свойства материала. Под действием усилия, приходящегося на каждую область истинного контактирования, выступающие шероховатости сплющиваются, и площадь контактирования возрастает. В то же время из-за понижения высоты сплющивающихся выступов контакты сближаются, и начинают соприкасаться новые выступы, в результате возрастает общая площадь истинного контактирования и снижается переходное сопротивление. Однако чрезмерное усилие может вызвать скалывание частиц и механический износ контактов, или даже деформирование контактных тел.



Рисунок 6.1- К принципу действия контактов:

а) - замыкающаяся контактная пара: 1 - контактные пружины, 2 - полусферические контакты;

б) - прохождение тока через контакты (в разрезе): 3 - место истинного контактирования, 4 - линии тока.

При протекании тока в переходном сопротивлении rп выделяется тепловая мощность Рп=rпI2, причем выделяется она в местах истинного контактирования, приводя к локальному повышению температуры (перегреву). Тепловая мощность отводится за счет теплопроводности в контактные тела и затем рассеивается в окружающем пространстве. Очевидно, локальный перегрев тем меньше, чем меньше коммутируемый ток и переходное сопротивление и чем больше теплопроводность и площадь поверхности контактов.

В результате локального перегрева снижается прочность и упругость металла в местах истинного контактирования, выступающие шероховатости сплющиваются, переходное сопротивление уменьшается, уменьшается выделяемая тепловая мощность, снижается температура перегрева, иначе говоря, происходит стабилизация переходного сопротивления в данных условиях тока, контактного усилия и температуры окружающей среды. При превышении допустимой температуры возможно сваривание контактов с исчезновением переходного сопротивления, но и с утратой способности к размыканию. Поэтому максимальный допустимый коммутируемый ток не должен превышаться.

Многие металлы и сплавы на воздухе окисляются. Оксидные пленки - плохие проводники или диэлектрики, их наличие на контактных поверхностях препятствует контактированию. Окисление ускоряется с ростом температуры. Кроме оксидов, на поверхности многих металлов образуются пленки сульфидов - часто еще более прочные и менее проводящие, чем оксиды. При повышении температуры скорость образования оксидов и сульфидов возрастает, однако при достаточно высокой температуре (в местах истинного контактирования) некоторые оксиды восстанавливаются до металла.

Кроме оксидов и сульфидов, на поверхностях контактных тел могут находиться и пленки иного происхождения: загрязнения или специальная смазка. Пленка жидкого смазочного состава уменьшает трение и, следовательно, механический износ контактов при замыкании и размыкании, а также защищает поверхность металла от контакта с атмосферой, предотвращает окисление.

При замыкании контактов, покрытых непроводящими твердыми пленками, прохождение тока возможно в результате:

- механического продавливания или сдирания пленки выступающими шероховатостями;

- электрического пробоя напряжением, имеющимся на разомкнутых контактах;

- прохождения тока через неповрежденную пленку вследствие туннельного эффекта (фриттинга).

Механической самозачистке контактов способствует их рациональная конструкция. Так, в контактах по рис. 8а при их соприкосновении имеет место взаимное проскальзывание в направлении, перпендикулярном направлению силы; выступающие шероховатости взаимно зацепляются, сдирая частички металла вместе с пленками, в результате ценой некоторого механического износа обеспечивается более надежное замыкание.

Электрический пробой пленок происходит, когда напряженность электрического поля в них достигает десятков и сотен вольт на микрометр толщины. Очевидно, это менее вероятно в низковольтных цепях. Если же пробой происходит, то пленка частично восстанавливается до металла, частично разрушается за счет энергии пробоя.

Фриттинг не сопровождается разрушением пленки, однако ток через пленку проходит вследствие высокой напряженности электрического поля в ней. Это явление нежелательно, так как приводит к большому (до 0,5 В) падению напряжения между контактами, отдельные атомы увлекаются в проводящий канал и образуют мостики между контактами, затрудняющие размыкание и ухудшающие условия последующих замыканий.

В контактах при замыкании и размыкании наблюдается ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗНОС (ЭРОЗИЯ), вызываемый плавлением, испарением, распылением и переносом под действием электромагнитных полей материала с одного контакта на другой. При эрозии на одном контакте образуется кратер, на другом - выступ, затрудняющие последующие коммутации. Характер и выраженность эрозии зависят от материала контактов, силы тока, величины и формы коммутируемого напряжения, от направления коммутации (замыкание или размыкание), от характера нагрузки в коммутируемой цепи. Так, емкостная нагрузка подавляет эрозию при размыкании контакта, но усиливает при замыкании, индуктивная нагрузка действует наоборот. Поэтому в состав коммутируемых электрических цепей часто вводят дополнительные элементы, способствующие снижению электрической нагрузки на контакты в моменты коммутации. Пример защиты контакта в цепи с мощной активно-индуктивной нагрузкой изображен на рис. 6.2.



Рисунок 6.2 - Защита контакта в цепи с активно-индуктивной нагрузкой.

Параллельно размыкающемуся контакту S включены конденсатор С и резистор R. В момент размыкания S напряжение на образующемся контактном промежутке US(t)~ It/C + IR, что, очевидно, много меньше, чем

возникающие при отсутствии RC-цепи. При замыкании S конденсатор, заряженный в паузе до Um, разряжается через контакт током

На рис. 6.3 изображена защита цифрового устройства от дребезга контактов. В момент коммутации существует непродолжительный (единицы миллисекунд) отрезок времени, когда контактные тела соприкоснулись (при замыкании), но еще движутся один относительно другого, и в электрической цепи это проявляется как хаотичное изменение состояния "замкнуто-разомкнуто". Схема по рис. 6.3, в позволяет устранить дребезг.

Рисунок 6.3 - Защита от дребезга контакта:

а), б) - схема и временная диаграмма срабатывания замыкающегося контакта; в) - схема формирования сигнала от переключающего контакта.

6.2 Основные свойства контактных материалов

Необходимые свойства контактных материалов должны обеспечивать хорошее контактирование и высокую износостойкость, уменьшая влияние трех главных видов износа контактов: эрозии, коррозии, сваривания.

Перечислим необходимые основные свойства и характеристики контактных материалов:

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ: высокие электро- и теплопроводность, высокие параметры дуги (напряжение и минимальный ток, при которых дуга возникает и может существовать), значение работы выхода электрона и потенциала ионизации; высокое поверхностное натяжение в жидком состоянии; малые угол смачивания, атомный объем и термо-ЭДС в паре с медью;

МЕХАНИЧЕСКИЕ: высокие твердость, пределы прочности на сжатие и на сдвиг, умеренные модуль упругости и пластичность, низкий коэффициент трения;

ТЕРМИЧЕСКИЕ: высокие температуры рекристаллизации, плавления, кипения, высокие теплоемкость, скрытая теплота плавления и испарения, низкая упругость пара при температурах дуги;

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ: высокий электродный потенциал, малое химическое сродство к элементам среды, малая механическая и электрическая прочность пленок - продуктов коррозии;

СТРУКТУРНЫЕ: простой вид кристаллической решетки; для сплавов - структура твердого раствора, для композиций - тонкодисперсное распределение фаз.

В зависимости от величины коммутируемого тока контакты подразделяются на СЛАБОТОЧНЫЕ (на ток до единиц ампер) и СИЛЬНОТОЧНЫЕ (ток от единиц до тысяч ампер).

6.3 Материалы для слаботочных контактов

Слаботочные контакты обычно изготавливаются из благородных и тугоплавких металлов, преимущественно серебра, платины, палладия, золота, вольфрама и сплавов типа твердых растворов на их основе.

СЕРЕБРО широко применяется в контактах разных мощностей, за исключением прецизионных контактов с малой силой контактного нажатия. Самые высокие значения коэффициента теплопроводности и удельной электропроводности наряду с достаточно высокой теплоемкостью обеспечивают по сравнению с другими металлами наименьший нагрев контактов и быстрый отвод тепла. Серебро имеет невысокие твердость и механическую прочность в отожженном состоянии, но они могут быть значительно повышены пластическим деформированием. Пленка оксида серебра - непрочная и полупроводящая, поэтому мало сказывается на контактировании. Главный недостаток этого металла - легкость образования на поверхности прочной и непроводящей пленки сульфида серебра Ag2S в результате взаимодействия с сероводородом, всегда присутствующим в атмосферном воздухе, а также выделяемым резиной и некоторыми пластмассами.

Серебро пластично, хорошо обрабатывается, паяется мягкими припоями и сваривается. В контактах применяется в виде заклепок, расклепанных в отверстии контактодержателя, напаянных пластин либо тонких гальванических покрытий.

Для повышения прочности и износостойкости серебро легируют медью, никелем, кадмием, цирконием и другими металлами. Примеры марок серебра и его сплавов для контактов: Ср999; СрМ925 (92,5 % Ag, остальное Cu и примеси), СрН-0,1 (0,1 % Ni), CpKд56-14 (14 % Cd). Сплавы серебро-золото устойчивы к образованию оксида, а при содержании золота не менее 50 % - и сульфида серебра.

ЗОЛОТО в чистом виде используется лишь в виде тонких гальванических покрытий для редко коммутируемых контактов разъемов или в прецизионных контактах, работающих при малых механических и электрических нагрузках. Золото пластично, не окисляется, не образует соединений с серой, но склонно, как и серебро, к эрозии и свариванию. Для улучшения механических свойств золото легируют серебром, никелем, магнием, цирконием, платиной, палладием.

ПЛАТИНА в чистом виде редко применяется для контактов, но служит основой для хороших контактных сплавов, придавая им высокую дугостойкость и коррозионную стойкость. Платину легируют никелем, иридием, родием, рутением, вольфрамом, молибденом. Применяют для контактов, работающих в особо тяжелых условиях (высокая частота коммутации, высокая температура, агрессивная среда и т. п.).

ПАЛЛАДИЙ уступает платине как контактный материал, однако дешевле ее, поэтому используется как заменитель платины. Легируют палладий серебром, никелем, кобальтом, иридием, медью (до 40 % Cu).

Из-за высокой стоимости благородные металлы, кроме серебра, используются преимущественно в виде гальванических покрытий толщиной до 20 мкм, причем твердость, механическая прочность и стойкость к эрозии получается значительно выше, чем в толстых слоях того же металла. Выпускаются также биметаллические полуфабрикаты (полосы, проволока, заклепки), сердцевина которых выполнена из неблагородного металла или сплава (меди, бронзы, латуни), а сверху имеется оболочка из тонкого слоя серебра, золота или их сплавов.

6.4 Материалы для сильноточных контактов

Для сильноточных контактов применяют медь и ее сплавы, никель, сплавы серебра, однако они не обладают достаточной износостойкостью. Основной материал сильноточных контактов - металлокерамические композиции.

Композиционный материал для контактов состоит из двух и более компонентов (фаз), из которых один значительно более тугоплавкий, а другой имеет более высокие электро- и теплопроводность. Изготавливают такие контакты методами порошковой металлургии. По одной схеме порошкообразные компоненты, отмеренные в нужной пропорции, перемешивают, затем прессуют заготовки, обычно в виде таблеток круглой или прямоугольной формы, затем заготовки спекают в печах в защитной атмосфере. По второй схеме прессуют и спекают пористые заготовки из одного тугоплавкого компонента, затем пропитывают их расплавом относительно легкоплавкого компонента. Готовые контакты припаивают твердыми припоями к контактодержателям. Контакты, изготовленные по второй схеме, имеют лучшие характеристики.

В настоящее время наиболее широко используют композиции серебро-оксид кадмия, серебро-никель, серебро-графит, серебро-вольфрам, серебро-оксид меди, медь-вольфрам, медь-графит и другие.

При работе механические нагрузки при повышенной температуре воспринимает тугоплавкая прочная фаза, а малое переходное сопротивление и теплопроводность обеспечивает более легкоплавкая фаза (серебро или медь).

6.5 Материалы для скользящих контактов

В скользящих контактах контактирующие детали принципиально неодинаковы по устройству, функциям и условиям эксплуатации. В потенциометрах и реостатах одним из контактных тел служит обмотка из проволоки высокого удельного сопротивления (манганин, константан, нихром) или резистивная композиция (в непроволочных потенциометрах). Скользящие контакты для ползунков потенциометров изготавливают из износостойких контактных материалов - родия, сплавов палладий-медь, палладий-иридий и другие.

В коллекторных электрических машинах электрическая нагрузка на контакты велика и носит индуктивный характер, механическая нагрузка также значительна и обусловлена высокой скоростью вращения ротора (до 500 с-1), поэтому коллекторные пластины изготавливают из износостойкой кадмиевой бронзы БрКд1, а щетки - из угольно-графитных композиций. При работе щетки изнашиваются, но в то же время притираются к коллекторным пластинам, благодаря чему переходное сопротивление снижается.

Из-за повышенного износа и распыления материала щеток коллекторные электрические машины нуждаются в регулярном обслуживании, включающем чистку контактных поверхностей и замену щеток при необходимости. Коммутация индуктивной нагрузки с высокой частотой вызывает искровые разряды между размыкающимися пластиной и щеткой, следствием которых являются эрозия контактных поверхностей и электромагнитные помехи. Поэтому в электрическую цепь коллекторной машины включают помехоподавляющие фильтры, способствующие уменьшению износа контактов и одновременно снижающие уровень электромагнитных помех.



7. Магнитные материалы

Магнитными называются материалы, применяемые в технике с учетом их магнитных свойств и способные накапливать, хранить и трансформировать магнитную энергию. В магнитном веществе магнитные моменты отдельных атомов упорядочены; спонтанный магнитный момент отличен от нуля. Такими свойствами, как известно, обладают металлы группы железа: железо, никель, кобальт, а также их сплавы и некоторые химические соединения.

Вследствие упорядоченности магнитных моментов атомов магнитные материалы имеют значения относительной магнитной проницаемости > 1, в то время как у немагнитных материалов (диамагнетиков и парамагнетиков) ~ 1.

Состояние магнитной упорядоченности разрушается при нагревании материала выше точки Кюри Тк, однако при охлаждении ниже точки Кюри оно восстанавливается.

По характеру магнитного упорядочивания магнитные материалы подразделяются на ферромагнетики и ферримагнетики. При ферромагнитном упорядочивании магнитные моменты атомов ориентированы параллельно, в результате спонтанный магнитный момент максимален. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и их сплавы. Ферримагнитное упорядочивание наблюдается в ферритах (соединениях оксида железа Fe2O3 с оксидами некоторых металлов) и характеризуется наличием двух и более вложенных друг в друга магнитных подрешеток, магнитные моменты которых различны по величине и ориентированы в противоположных направлениях, а результирующий магнитный момент определяется как векторная сумма составляющих и всегда меньше наибольшей по модулю составляющей и даже может быть нулевым (в веществах, называемых антиферромагнетиками). Поэтому магнитные свойства ферримагнетиков всегда слабее, чем магнитные свойства ферромагнетиков.

Особенностью магнитных материалов, обусловливающей их многообразные технические применения, является то, что магнитная упорядоченность в общем случае наблюдается не во всем произвольном объеме материала, а лишь в отдельных небольших областях, называемых ДОМЕНАМИ. Направления магнитных моментов разных доменов равновероятны, поэтому результирующий момент достаточно большого объема материала может быть равным нулю, что и наблюдается в размагниченном состоянии материала.

7.1 Основные свойства и параметры магнитных материалов

Рассмотрим процесс намагничивания магнитного материала под действием внешнего магнитного поля. Пусть в исходном состоянии материал полностью размагничен, тогда его рабочая точка находится в начале координат плоскости Н-В, где Н, А/м, - напряженность магнитного поля; В, Тл, - магнитная индукция.

На рис. 7.1, а-д показано, как под действием появившегося внешнего магнитного поля Н перестраивается исходная доменная структура (рис. 7.1, а), причем, по мере роста напряженности вначале (рис. 7.1, б-г) намагничивание происходит вследствие смещения границ домена, вектор намагниченности которого имеет наименьший угол относительно вектора внешнего поля. Левый на рисунке домен растет за счет соседних и при достаточно большой напряженности внешнего поля полностью поглощает собой весь объем материала. При дальнейшем росте напряженности вступает в действие механизм вращения вектора намагниченности домена в направлении вектора внешнего поля.

На рис.7.1, е процесс намагничивания показан в координатах Н-В, причем выделяются четыре характерные области, отделенные друг от друга на графике штриховыми линиями, область I - область слабых полей (H 0,1 А/м), характеризуется обратимым смещением границ доменов в магнитном поле и линейной зависимостью В(Н) ; после снятия поля рабочая точка материала возвращается в начало координат.

Область II (область средних полей) характеризуется необратимым смещением границ доменов, скорость dB/dH возрастает и достигает максимума, после снятия внешнего поля материал переходит в состояние с остаточной намагниченностью, величина которой определяется остаточной индукцией Вr.

В области III (сильных полей) начинается вращение вектора намагниченности по полю, которое может быть как обратимым, так и необратимым. Рост индукции замедляется, приближается и достигается состоянием технического насыщения.

При дальнейшем возрастании напряженности (область IV) наблюдается так называемый парапроцесс, индукция растет слабо, почти как в вакууме, так как возможности намагничивания материала исчерпаны.

Рисунок 7.1 - Процесс намагничивания магнитного материала: а)-д) - стадии намагничивания доменной структуры; е) - график намагничивания.



Кривая, которую описывает рабочая точка полностью размагниченного материала при однократном намагничивании в направлении возрастания напряженности, называется НАЧАЛЬНОЙ КРИВОЙ НАМАГНИЧИВАНИЯ. Линия, по которой перемещается рабочая точка намагниченного материала после снятия внешнего поля, называется КРИВОЙ ВОЗВРАТА.

Для технических применений представляет интерес многократное намагничивание материала периодическими импульсами внешнего поля. На рис.7.2 изображены траектории однополярного периодического намагничивания в области средних и сильных полей полем Н(t). Точкам 0-10 временной диаграммы Н(t) соответствуют рабочие точки магнитного материала в плоскости В-Н.



Рисунок7.2 - Однополярное периодическое намагничивание

Намагничивание фронтом первого импульса 0-1 происходит по начальной кривой в точку 1, 3, 5, затем следует частичное размагничивание по кривой возврата в точку 2, 4. Второй импульс перемагничивает материал по частной кривой 2, 4, 6 1, 3, 5 и возвращает по той же кривой возврата. Третий импульс - сложной формы, с частичным размагничиванием в точку 6, затем следует переход к частному циклу 8, 107, 9. Траектории намагничивания и размагничивания не совпадают, это явление называют ГИСТЕРЕЗИСОМ (запаздыванием), а замкнутую фигуру, описываемую рабочей точкой - петлей (циклом) гистерезиса.

Величина

где Н, В - приращение напряженности поля и, соответственно, вызванное им приращение индукции; 0 - магнитная постоянная, называется ОБРАТИМОЙ (относительной) МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ материала при однополярном перемагничивании. Для цикла 2, 4 1, 3, 5

=(В1, 3, 5 - В2, 4)/ oН1, 3, 5.

В области слабых полей траектории намагничивания и размагничивания (возврата) совпадают, поэтому в этой области определяют НАЧАЛЬНУЮ МАГНИТНУЮ ПРОНИЦАЕМОСТЬ материала

н=Вm/oНm,

где Нm, Вm - амплитуды напряженности и магнитной индукции; Нm 0,1 А/м.

При намагничивании в магнитном материале запасается энергия магнитного поля где V - объем материала.

При размагничивании часть магнитной энергии выводится из материала. Разность этих энергий определяет необратимые потери энергии на перемагничивание (на гистерезис). Удельные (на единицу объема) потери энергии за цикл перемагничивания пропорциональны площади гистерезисного цикла. Чем больше площадь, заключенная между восходящей и нисходящей ветвями петли гистерезиса, тем выше потери энергии на гистерезис в данном материале и в данном электромагнитном режиме. На рис. 7.3 приведен пример определения потерь энергии на гистерезис.

Рисунок 7.3 - К определению энергии потерь на гистерезис

- энергия, вводимая при намагничивании;

- энергия, вводимая при размагничивании;

Sг - площадь петли гистерезиса.

Магнитные материалы применяются и в знакопеременных магнитных полях. На рис.7.4 изображено семейство пяти симметричных петель гистерезиса одного материала, наблюдаемых при перемагничивании переменными синусоидальными магнитными полями с амплитудами Нm1 < Нm2 < Нm3 < Нm4 < Hm5. Амплитудам напряженности соответствуют амплитуды индукции Вm1(Нm1)-Вm5(Нm5). В области слабых и средних полей петля гистерезиса похожа на эллипс или искаженный овал, в области сильных полей выявляются резкие переходы от восходящей ветви к нисходящей. Вершины петель, определяемые как точки, наиболее удаленные от начала координат, лежат на ОСНОВНОЙ КРИВОЙ НАМАГНИЧИВАНИЯ. Эта кривая подобна начальной кривой, но не совпадает с ней. В местах пересечения петли с осями координат отмечают характерные точки, значения индукции и напряженности в этих точках есть ОСТАТОЧНАЯ ИНДУКЦИЯ Вr, и КОЭРЦИТИВНАЯ (задерживающая) сила Нc. При данной амплитуде напряженности Нm (или индукции Вm) остаточная индукция Вr и коэрцитивная сила Нс являются важными параметрами материала. В частности, коэрцитивную силу определяют как напряженность магнитного поля, обратную первоначальной, которую нужно приложить к материалу для его полного размагничивания.

В каждой точке основной кривой намагничивания может быть определена относительная магнитная проницаемость материала при симметричном перемагничивании.

= Вm/0Нm.

Эта величина больше обратимой магнитной проницаемости при однополярном перемагничивании (при той же амплитуде индукции).



Рисунок 7.4 - Симметричное перемагничивание

Диапазон изменения индукции при симметричном перемагничивании В=Вm-(-Вm) = 2Вm, в то время как при однополярном перемагничивании В=Вm--Вr < Bm. Площадь петли гистерезиса при симметричном перемагничивании существенно больше площади частного цикла при однополярном перемагничивании (при той же амплитуде индукции).

Зависимость магнитной проницаемости от амплитуды напряженности магнитного поля изображена на рис. 7.5.

В области слабых полей =н, в области средних полей магнитная проницаемость с ростом амплитуды напряженности магнитного поля возрастает, достигает максимума max и в области сильных полей начинает убывать. При неограниченном возрастании Нm магнитная проницаемость стремится к единице.

Аналогично зависит от амплитуды напряженности магнитного поля обратимая магнитная проницаемость r.

Перемагничивание магнитного материала - процесс инерционный. С повышением частоты внешнего магнитного поля запаздывание индукции относительно изменения напряженности возрастает, изменяется форма петли гистерезиса: она расширяется в горизонтальном направлении и сужается в вертикальном, то есть, возрастает коэрцитивная сила Нс и уменьшается амплитуда индукции Вm. Магнитная проницаемость с ростом частоты уменьшается. Особенно быстро изменяются с ростом частоты магнитные свойства электропроводящих магнитных материалов, так как в них, помимо инерционности процессов перемагничивания, размагничивающее действие оказывают вихревые токи.

Магнитные материалы, применяемые в технике, характеризуются относительно небольшим диапазоном значений индукции насыщения: от 0,25 Тл (ферриты) до 2,4 Тл (сплавы с высокой индукцией насыщения). Коэрцитивная же сила изменяется в очень широких пределах: от долей до сотен тысяч А/м. В столь же широких пределах (от единиц до сотен тысяч) изменяется и магнитная проницаемость.

Все магнитные материалы подразделяются, в зависимости от величины коэрцитивной силы, на МАГНИТОМЯГКИЕ (Нс<4000 А/м) и МАГНИТОТВЕРДЫЕ (Нс>4000 А/м). Магнитомягкие материалы применяются в переменных магнитных полях для изготовления магнитопроводов трансформаторов, дросселей, электрических машин, сердечников катушек индуктивности и других изделий. Магнитотвердые материалы используют для изготовления постоянных магнитов и носителей магнитной записи.

В зависимости от формы петли гистерезиса различают материалы с ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ПЕТЛЕЙ ГИСТЕРЕЗИСА (ППГ) и с НЕПРЯМОУГОЛЬНОЙ ПЕТЛЕЙ ГИСТЕРЕЗИСА (НПГ). Мерой прямоугольности служит КОЭФФИЦИЕНТ ПРЯМОУГОЛЬНОСТИ kп=Вr/Вm. Обычно к материалам с ППГ относят такие, у которых kп 0,80. Материалы с ППГ применяют нечасто, лишь в тех случаях, когда особая форма петли гистерезиса позволяет получить новые функциональные возможности.

По составу и структуре магнитные материалы могут быть металлами и сплавами, керамикой (ферриты), а также композициями. Композиция представляет собой двухфазную структуру, в которой магнитная фаза имеет вид мелких магнитных частиц, равномерно распределенных в диэлектрическом связующем. Между соседними частицами имеются немагнитные и непроводящие промежутки.

Магнитные металлы и сплавы обладают высокой электропроводностью и являются проводниками электрического тока. Ферриты имеют невысокую электропроводность и по этому параметру относятся к полупроводникам. Электропроводность композиций определяется электропроводностью связующего и обычно низкая, поэтому их относят к диэлектрикам.

Известно, что во всяком проводящем замкнутом контуре, находящемся в переменном магнитном поле, по закону электромагнитной индукции наводится э. д. с. индукции и возникает электрический ток. Этот ток создает свое магнитное поле, направленное противоположно внешнему, тем самым ослабляя его. Прохождение тока по проводящему контуру сопровождается потерями энергии на сопротивление контура.

Очевидно, в магнитопроводе, изготовленном из проводящего или полупроводящего материала и находящемся в переменном магнитном поле, возникают такие токи, называемые ВИХРЕВЫМИ. Таким образом, к потерям энергии на перемагничивание добавляются ПОТЕРИ НА ВИХРЕВЫЕ ТОКИ. Рассмотрим образование этих потерь и пути их уменьшения более подробно.

На рис. 7.6, а изображен магнитопровод сечением S с обмоткой, содержащей W витков. На обмотку поступает переменное напряжение U(t) = Umsint, создающее в магнитопроводе магнитный поток Ф(t) = SB(t). Для простоты примем квадратную форму сечения магнитопровода со стороной а (рис.7.6, б).

Пусть магнитопровод изготовлен из сплошного куска металла или сплава с удельным электрическим сопротивлением . Тогда э. д. с. вихревого тока

а сопротивление вихревому току из-за поверхностного эффекта пропорционально периметру контура сечения:

4a.

Тогда мощность потерь на вихревые токи

Рвт 0,5евоm2/rво W 2 2S 2Bm2/8а.



Если набрать магнитопровод из n отдельных тонких электрически изолированных друг от друга пластин, мощность потерь в каждой пластине

Рвт1 W 2 2S 2Bm2/4n2а ,

мощность потерь в n пластинах

Рвтn W 2 2S 2Bm2/4nа

...