Geçirgenlik (elektromanyetizma) - Permeability (electromagnetism)

Geçirgenliklerin basitleştirilmiş karşılaştırması: ferromıknatıslar ( μ f ), paramagnetler ( μ p ), boş alan ( μ 0 ) ve diamagnetler ( μ d )

Olarak elektromanyetizma , geçirgenlik ölçüsüdür mıknatıslanma bir yanıt olarak bir malzemenin elde eder uygulanan manyetik alan . Geçirgenlik tipik olarak (italik) Yunan harfi μ ile temsil edilir . Terim, Eylül 1885'te Oliver Heaviside tarafından icat edildi . Geçirgenliğin tersi manyetik isteksizliktir.

Olarak SI birimleri, geçirgenlik ölçülür Henries başına metre (lH / m) veya eşdeğer olarak Newton başına amper kare (N / 2 ). Manyetik sabit veya boş alanın geçirgenliği olarak da bilinen geçirgenlik sabiti μ 0 , klasik bir vakumda bir manyetik alan oluştururken manyetik indüksiyon ve mıknatıslama kuvveti arasındaki orantıdır .

Malzemelerin yakından ilişkili bir özelliği, uygulanan bir manyetik alana tepki olarak bir malzemenin manyetizasyon derecesini gösteren boyutsuz bir orantı faktörü olan manyetik duyarlılıktır .

Açıklama

Elektromanyetizmada, yardımcı manyetik alan H , bir B manyetik alanının , dipol göçü ve manyetik dipol yeniden oryantasyonu dahil olmak üzere, belirli bir ortamdaki manyetik dipollerin organizasyonunu nasıl etkilediğini temsil eder . Geçirgenlik ile ilişkisi

geçirgenlik, nerede μ , bir olan skaler orta ise izotropik veya ikinci sıra tensör bir için anizotropik ortam.

Genel olarak, geçirgenlik ortamdaki konuma, uygulanan manyetik alanın frekansına, neme , sıcaklığa ve diğer parametrelere göre değişebileceğinden sabit değildir . Bir de doğrusal olmayan bir ortam , geçirgenlik manyetik alan gücüne bağlı olabilir. Geçirgenlik, frekansın bir fonksiyonu olarak gerçek veya karmaşık değerler alabilir. İçinde ferromanyetik malzemeleri arasındaki ilişki B ve H arzetmektedir doğrusalsızlık ve histerezis : B bir tek değerli fonksiyonu değildir H , fakat malzemenin tarihi de bağlıdır. Bu malzemeler için bazen şu şekilde tanımlanan artımlı geçirgenliği dikkate almak yararlıdır.

Bu tanım, örneğin bir manyetik devrenin değişen doygunluğunu hesaplayan Newton-Raphson yinelemeli çözüm şemasında olduğu gibi , doğrusal olmayan malzeme davranışının yerel doğrusallaştırmalarında yararlıdır .

Geçirgenlik, birim uzunluk başına endüktanstır . Olarak SI birimleri, geçirgenlik ölçülür Henries metre başına (lH / m = J / (A 2 ⋅m) = N / A 2 ). Yardımcı manyetik alan H , birim uzunluk başına akım boyutlarına sahiptir ve metre başına amper (A/m) birimleriyle ölçülür . Böylece μ H ürünü , birim alan başına akım (H⋅A/m 2 ) boyutlarına sahiptir . Ancak endüktans, birim akım başına manyetik akıdır , bu nedenle ürün, birim alan başına manyetik akı, yani manyetik akı yoğunluğu boyutlarına sahiptir. Bu, metre kare (V⋅s/m 2 ) veya teslas  (T) başına weber ( volt - saniye ) cinsinden ölçülen manyetik alan B'dir .

B , hareketli bir q yükü üzerindeki Lorentz kuvvetiyle ilgilidir :

Yük q verilmiştir coulomb (C), hız v içinde metre başına saniyede (m / s), bu yüzden güç olduğu F olduğu newton (N):

H , manyetik dipol yoğunluğu ile ilgilidir. Bir manyetik dipol, elektrik akımının kapalı bir dolaşımıdır. Dipol momentinin boyutları akım çarpı alan, birimler amper-metre kare (A⋅m 2 ) ve döngü etrafındaki akım çarpı döngü alanına eşit büyüklüğe sahiptir. H dipol bir mesafede alan birim uzunluk başına mevcut boyutlara sahiptir mesafe küpü, bölü dipol momenti ile orantılıdır büyüklüğe sahiptir.

Bağıl geçirgenlik ve manyetik duyarlılık

Sembolü ile gösterilen bağıl geçirgenlik, belirli bir ortamın geçirgenliğinin boş alanın geçirgenliğine oranıdır μ 0 :

burada 4 π  × 10 −7  H/m, boş uzayın manyetik geçirgenliğidir . Göreceli geçirgenliği açısından, manyetik duyarlılık olduğu

Numarası χ m, a, boyutsuz bir miktarı da adlandırılan, hacimsel ya da toplu ayırmak için, duyarlılık χ p ( manyetik kütle ya da belirli bir duyarlılık) ve χ M ( mol veya mol kütle yatkınlık).

diamanyetizma

Diamanyetizma , bir nesnenin , harici olarak uygulanan bir manyetik alana karşı bir manyetik alan yaratmasına neden olan ve böylece itici bir etkiye neden olan özelliğidir. Spesifik olarak, bir harici manyetik alan, elektronların çekirdeklerinin etrafındaki yörünge hızını değiştirir, böylece manyetik dipol momentini harici alana zıt yönde değiştirir . Diamagnetler, manyetik geçirgenliği μ 0'dan az olan (göreceli geçirgenliği 1'den az) malzemelerdir.

Sonuç olarak, diamanyetizma, bir maddenin yalnızca harici olarak uygulanan bir manyetik alan varlığında sergilediği bir manyetizma biçimidir . Süperiletkenler güçlü bir etki gösterse de, çoğu malzemede genellikle oldukça zayıf bir etkidir.

paramanyetizma

Paramanyetizma , yalnızca harici olarak uygulanan bir manyetik alanın varlığında meydana gelen bir manyetizma şeklidir . Paramanyetik malzemeleri manyetik alanlara çekilirler, bu nedenle daha göreceli manyetik geçirgenliğe sahip bir (eşdeğer ya da, bir pozitif manyetik duyarlılık ).

Uygulanan alan tarafından indüklenen manyetik moment , alan kuvvetinde doğrusaldır ve oldukça zayıftır . Etkiyi algılamak için tipik olarak hassas bir analitik terazi gerektirir. Ferromıknatıslardan farklı olarak , paramanyetler, harici olarak uygulanan bir manyetik alanın yokluğunda herhangi bir mıknatıslanma tutmaz, çünkü termal hareket , dönüşlerin onsuz rasgele yönlendirilmesine neden olur . Böylece, uygulanan alan kaldırıldığında toplam manyetizasyon sıfıra düşecektir. Alanın varlığında bile, yalnızca küçük bir indüklenmiş manyetizasyon vardır, çünkü spinlerin yalnızca küçük bir kısmı alan tarafından yönlendirilecektir. Bu kesir alan kuvvetiyle orantılıdır ve bu doğrusal bağımlılığı açıklar. Ferromıknatısların çektiği çekim doğrusal değildir ve çok daha güçlüdür, bu nedenle örneğin buzdolabındaki mıknatıslarda kolayca gözlemlenebilir.

jiromanyetizma

Cayromanyetik ortam için (bkz. Faraday dönüşü ), mikrodalga frekans alanındaki alternatif bir elektromanyetik alana manyetik geçirgenlik yanıtı, aşağıdaki şekilde ifade edilen diyagonal olmayan bir tensör olarak ele alınır:

Bazı yaygın malzemeler için değerler

Ferromanyetik malzemelerin geçirgenliği alan kuvvetine göre büyük ölçüde değiştiğinden aşağıdaki tablo dikkatli kullanılmalıdır. Örneğin, %4 Si çeliği, 2.000'lik bir başlangıç ​​bağıl geçirgenliğine (0 T'de veya yakınında) ve maksimum 35.000'e sahiptir ve gerçekten de, herhangi bir malzemenin yeterince yüksek bir alan kuvvetinde göreceli geçirgenliği 1'e (manyetik doygunlukta) doğru eğilim gösterir. .

Seçilen malzemeler için manyetik duyarlılık ve geçirgenlik verileri
Orta Duyarlılık,
hacimsel, SI, χ m
Geçirgenlik, μ (H/m) Bağıl geçirgenlik,
maks. , μ / μ 0
Manyetik alan Frekans,
maks.
Metglas 2714A (tavlanmış) 1.26 × 10 0 1 000 000 0,5 T'de 100 kHz
Demir (H içinde tavlanmış %99.95 saf Fe) 2.5 × 10 -1 200 000
kalıcı 8000 1,25 × 10 -1 100 000 0,002 T'de
NANOPERM® 1.0 × 10 -1 80 000 0,5 T'de 10 kHz
Mu-metal 6,3 × 10 −2 50 000
Mu-metal 2,5 × 10 −2 20 000 0,002 T'de
Kobalt-demir
(yüksek geçirgenliğe sahip şerit malzemesi)
2,3 × 10 −2 18 000
Demir (%99.8 saf) 6,3 × 10 −3 5000
Elektrik çeliği 5.0 × 10 −3 4000 0,002 T'de
Ferritik paslanmaz çelik (tavlanmış) 1.26 × 10 −32,26 × 10 −3 1000 – 1800
Martensitik paslanmaz çelik (tavlanmış) 9,42 × 10 −41.19 × 10 −3 750 – 950
Ferrit (manganez çinko) 4,4 × 10 −42.51 × 10 −2 350 – 20 000 0.25 mT'de Yaklaşık. 100Hz – 4MHz
Ferrit (nikel çinko) 1.26 × 10 -52,89 × 10 −3 10 – 2300 ≤ 0.25 mT'de Yaklaşık. 1 kHz – 400 MHz
Ferrit (magnezyum manganez çinko) 4,4 × 10 −46,28 × 10 −4 350 - 500 0.25 mT'de
Ferrit (kobalt nikel çinko) 5.03 × 10 -51,57 × 10 −4 40 – 125 0.001 T'de Yaklaşık. 2 MHz – 150 MHz
Mo-Fe-Ni toz bileşimi
(molypermalloy tozu, MPP)
1,76 × 10 -56,91 × 10 −4 14 – 550 Yaklaşık. 50Hz – 3MHz
Nikel demir tozu bileşiği 1,76 × 10 -52.01 × 10 −4 14 – 160 0.001 T'de Yaklaşık. 50Hz – 2MHz
Al-Si-Fe toz bileşimi (Sendust) 1,76 × 10 -52.01 × 10 −4 14 – 160 Yaklaşık. 50Hz – 5MHz
Demir tozu bileşiği 1,76 × 10 -51.26 × 10 −4 14 – 100 0.001 T'de Yaklaşık. 50Hz – 220MHz
Silikon demir tozu bileşiği 2.39 × 10 -51.13 × 10 −4 19 – 90 Yaklaşık. 50Hz – 40MHz
Karbonil demir tozu bileşiği 5.03 × 10 −64,4 × 10 -5 4 – 35 0.001 T'de Yaklaşık. 20 kHz – 500 MHz
Karbon çelik 1.26 × 10 −4 100 0,002 T'de
Nikel 1.26 × 10 -47,54 × 10 −4 100 – 600 0,002 T'de
Martensitik paslanmaz çelik (sertleştirilmiş) 5.0 × 10 -51,2 × 10 −4 40 – 95
Östenitik paslanmaz çelik 1.260 × 10 −68,8 × 10 −6 1.003 – 1.05
neodimyum mıknatıs 1,32 × 10 −6 1.05
Platin 1.256 970 × 10 −6 1.000 265
Alüminyum 2.22 × 10 -5 1.256 665 × 10 −6 1.000 022
Odun 1.256 637 60 × 10 −6 1.000 000 43
Hava 1.256 637 53 × 10 −6 1.000 000 37
Beton (kuru) 1
Vakum 0 4 π  × 10 −7 ( μ 0 ) 1, tam olarak
Hidrojen -2,2 × 10 -9 1.256 6371 × 10 −6 1.000 0000
teflon 1.2567 × 10 −6 1.0000
Safir −2.1 × 10 −7 1.256 6368 × 10 −6 0,999 999 76
Bakır -6,4 × 10 -6 veya
-9,2 × 10 -6
1.256 629 × 10 −6 0,999 994
Suçlu -8,0 × 10 -6 1.256 627 × 10 −6 0,999 992
Bizmut −1,66 × 10 −4 1.256 43 × 10 −6 0,999 834
pirolitik karbon 1.256 × 10 −6 0.9996
süper iletkenler -1 0 0
Ferromıknatıslar (ve ferrimıknatıslar) için manyetizasyon eğrisi ve buna karşılık gelen geçirgenlik

İyi bir manyetik çekirdek malzemesi yüksek geçirgenliğe sahip olmalıdır.

İçin pasif manyetik asma 1 altındaki görece düşük bir geçirgenliği (negatif yatkınlık karşılık gelir) gereklidir.

Geçirgenlik manyetik alana göre değişir. Yukarıda gösterilen değerler yaklaşık değerlerdir ve yalnızca gösterilen manyetik alanlarda geçerlidir. Sıfır frekans için verilirler; uygulamada, geçirgenlik genellikle frekansın bir fonksiyonudur. Frekans göz önüne alındığında, geçirgenlik, faz içi ve faz dışı yanıta karşılık gelen karmaşık olabilir .

karmaşık geçirgenlik

Yüksek frekanslı manyetik etkilerle başa çıkmak için kullanışlı bir araç, karmaşık geçirgenliktir. Lineer bir malzemede düşük frekanslarda, manyetik alan ve yardımcı manyetik alan, bir miktar skaler geçirgenlik yoluyla birbirleriyle basit bir şekilde orantılıyken, yüksek frekanslarda bu miktarlar, bir miktar gecikme süresi ile birbirine tepki verecektir. Bu alanlar fazör olarak yazılabilir , öyle ki

burada faz gecikmesidir den .

Geçirgenliği, manyetik akı yoğunluğunun manyetik alana oranı olarak anlayarak, fazörlerin oranı şu şekilde yazılabilir ve basitleştirilebilir.

böylece geçirgenlik karmaşık bir sayı olur.

Tarafından Euler formül karmaşık geçirgenliği dikdörtgen forma polar tercüme edilebilir,

Karmaşık geçirgenlik gerçek parçaya göre hayali oranı denir kayıp tanjantı ,

bu, malzemede ne kadar güç kaybolduğuna karşı ne kadar depolandığına dair bir ölçüm sağlar.

Ayrıca bakınız

Notlar

  1. ^ Östenitik paslanmaz çeliğin geçirgenliği, kendisine uygulanan mekanik zorlamanın geçmişine büyük ölçüde bağlıdır, örneğin soğuk işleme ile

Referanslar

Dış bağlantılar