Warum hängt die Sättigung des Spulenkerns von der Temperatur ab?

Dies ist hauptsächlich eine Frage der Festkörperphysik, aber um es auf etwas zu reduzieren, das wir beantworten können, ohne auf die Finesse der Kernmaterialphysik einzugehen:

Magnetismus tritt auf, wenn Sie in einem Material die Spins von Elektronen um ihren Kern herum ausrichten können (oder allgemeiner die Spinnormale eines geladenen Quants) – in „normalen“ Materialien sind diese völlig zufällig ausgerichtet, und sobald Sie a ausgerichtet haben Wenn viele der Spinachsen in die gleiche Richtung zeigen, erhält man einen makroskopisch beobachtbaren Effekt "Magnetismus".

Die Fähigkeit von Kernen, Energie zu speichern, hängt von der "Ausrichtbarkeit" dieser Spins ab.

Je heißer ein Material ist, desto zufälliger sind die Bewegung, Positionen und Ausrichtungen der Atome im Inneren; Das Erhitzen von Material wirkt also aktiv seiner Fähigkeit entgegen, Energie in einem Magnetfeld zu speichern.

Dies erklärt jedoch nicht die gegenteilige Beobachtung, die Sie haben. Um die Dinge ein wenig zu klären, möchte ich die Kommentardiskussion unten hier beibehalten, Credits an @jonk dort:

Domänenwände sind wie Seifenblasenoberflächen, die so angeordnet sind, dass sie Energie minimieren. Bei niedrigen Strömen verändert das angelegte Feld hauptsächlich die Wände, so dass das Volumen der Blasen, die sich mit dem Magnetfeld ausrichten, viel größer wird als das Volumen innerhalb der entgegengesetzt ausgerichteten Blasen. Dies ist ein glatter Effekt. Aber es gibt auch eine Reihe von Komplikationen, die als Barkhausen- und Magnetostriktionseffekte in einen Topf geworfen werden. Höhere Temperaturen bei niedrigen Magnetisierungsströmen ermöglichen es den Blasenwänden, leichter über diese Barrieren des Barkhausen-Effekts zu schnappen.

Die verbleibende Vakuumweglänge (die physikalische Weglänge abzüglich der Nettoblasenweglänge) ist also etwas kürzer, was zu einer etwas höheren Induktivität führt. Bei höheren Strömen haben sich die meisten Blasenwände so weit wie möglich bewegt, ebenso wie alle konzentrierten Barkhausen- und Magnetostriktionseffekte, und jetzt besteht die Wirkung der Temperatur darin, das ausgerichtete Nettoblasenvolumen aufgrund all der überschüssigen Kontinuität zu reduzieren Gedränge (Beunruhigung vorhandener ausgerichteter Blasenvolumina.) Diese beiden extremen Enden erklären die gegensätzlichen Verhaltensweisen.

@ Tobalt argumentiert

Bei hohen Temperaturen nehmen sowohl der magnetische Austausch als auch die magnetische Anisotropie ab. Dies führt zu: a) reduzierter Domänenwandenergie und b) erhöhter Domänenwandbreite. Beide führen zu einer geringeren Domänenwandverankerung, was wiederum c) die Koerzitivfeldstärke verringert und d) dM/dH, dh die Permeabilität, erhöht

Hilfreicherweise verlinkt @jonk auch auf das Kapitel der Feynman-Vorlesungen über magnetische Materialien. Eines möchte ich daraus zitieren:

Bei hohen Temperaturen ist die thermische Energie des Systems größer als die magnetische Energie EmJ. Die Curie-Temperatur, bei der sich die verschiedenen magnetischen Domänen aufheben und die relative Permeabilität gegen Null fällt. und die gespeicherte Energie kann nicht erhöht werden, so dass L auf Null zusammenbricht, 0 nicht der magnetische Fluss. Bei dieser Temperatur herrscht ein thermisch-magnetisches Gleichgewicht. Das Erhitzen von Magneten auf diese Temperatur entmagnetisiert ebenfalls.

Zwischen absolut 0°K und der Curie-Temperatur existiert für jede molekulare magnetische Domänenstruktur eine Temperaturänderungsrate, die die Permeabilität steuert$\dfrac{\Delta M}{M}=k~ T^{\frac{3}2}~~~~~~~~~~$ Nr. (31)

Magnetische Eigenschaften geladener Teilchen haben eine komplexe Wechselwirkung von Kräften, die am absoluten Nullpunkt, 0'K, maximiert sind und bei der Curie-Temperatur einen Magnetismus von Null aufweisen.

Luft ist (noch) nicht gesättigt

Dies tritt nicht im Vakuum von Material auf, das durch eine Drahtschleife angeregt wird, und wir können Luft für diese Anwendung ebenfalls vernachlässigen.

Transformatorstähle (CRGOS aus kaltgewalztem kornorientiertem Stahl) haben normalerweise 1,2 T bis zu exotischen 1,9 T (Est), während ein Luftspalt in einem 7-Tesla-MRT einen Metallklappstuhl mit einer Geschwindigkeit von bis zu 60 MPH durch einen Cafeteriaraum saugen kann.

Anekdote vom Leiter des NRC (National Research Council of Canada), der mir in Winnipeg über die Leistungsfähigkeit der weltweit ersten nichtmagnetischen (hydraulischen) MRT für den Einsatz in Operationssälen berichtete

Tief durchatmen

Ein Elektron, das sich um einen festen Punkt bewegt, hat einen Drehimpuls.$L=m_erv$die auch durch die Fläche definiert ist und um die herum ein Draht durch Strom pro Längeneinheit erregt wird.

Die geladenen Teilchen haben einen Kernspin, wie ein Kreisel, der eine Präzessionsbahn mit einer langsameren Geschwindigkeit hat. Dieses magnetische Dipolmoment erzeugt einen magnetischen Fluss und die magnetische Kraft entlang des Drahtes, die durch die elektrische Ladungsflussrate oder den Strom erzeugt wird. Die Energie jedes Kreisels ist auch eine absolute Permeabilität, und die Summe aller Kreisel ist die Nettopermeabilität des Materials. Die Momente haben unterschiedliche Spinwinkel, die 1922 von Stern und Gerlach entdeckt wurden.

Kredit

Die Änderungsrate von$\mu_r$mit der Temperatur hängt von der Materialart und den Lücken zwischen Magnetpartikeln und dem Verhältnis von Isolierung und Leitfähigkeit zu den Magnetpartikeln ab. Mikrowellen haben ein höheres Verhältnis von leitfähigem/isolierendem Material, das die notwendigen gleichen Lücken in magnetischen Ferritpartikeln erzeugt.$\mu/\epsilon$.

Das Ergebnis ist das Knie der Kurve, wo$\mu_r$10 % abfällt, wird häufig für die Induktivität bei Nennstrom verwendet. Darüber hinaus ist bei Leistungsferrit der Spielraum zum kritischen thermischen Durchgehen die Schlüsselzahl für den Wert, der die Alterung von Materialien ermöglicht. Hier steigt die Temperaturänderungsrate über den stationären Zustand mit einem schnellen Verlust von Induktivität und Impedanz, da Wärme nicht schnell genug abgeführt werden kann. Dies liegt daran, dass Induktoren normalerweise von geschalteten Spannungsquellen angesteuert werden und nicht mit Stromquellen geschaltet werden können, es sei denn, sie werden aktiv erfasst und begrenzt.

Andere Henrie

Eine weitere seltsame Tatsache ist, dass die Domänenwände von Quarzkristallen (XTALs wie in Oszillatoren) eine äquivalente Induktivität von mehr als 1 Henry haben können, aber die hervorragende Isolierung von Quarz erzeugt einen Piezoeffekt, elektromagnetische Resonanzschwingungen mit einer winzigen femptofarad "Bewegungs" -Kapazität. Es kann nicht mit Strom gesättigt werden, da zwischen den Domänenwänden Werte „Henry und fF“ mehrere kV vorhanden sind, für eine Xtal-Leistung mit 10 uW, die nicht abgegriffen werden kann. Aus diesem Grund sind die Xtal-Leistungen winzig, da es im Inneren des Kristalls zu einer Durchbruchspannung oder einem Überschlag durch molekulare Verunreinigungen kommt.

Andere interessante Tatsache

Wenn Sie bei Temperaturen über dem Raum bemerken, dass der Tempco ein sehr kleiner PTC ist, schaltet er über 350 mA auf NTC (schlecht), sättigt jedoch -10 % um 450 mA. Das bedeutet, wenn Ihr RMS-Strom diesen etwas überschreitet, werden Sie bis zu 100 ° C hochlaufen und kurz vor einem außer Kontrolle geratenen Ausfall stehen. Eine Funktion, die ich einer Lambda 1U 180W-Versorgung für mein Design für Zuverlässigkeit hinzugefügt habe, war, einen Thermistor an den Ferrit-XFMR zu kleben, um einen kleinen Transistor zu einem LM317 zu treiben, um den Strom in 2 Lüftern in Reihe von 48 V zu regulieren, wenn er 50 ° C erreicht Die Fans begannen. Bei 60 ° C würde es mit voller Drehzahl laufen, was nur in einer Umgebung von 40 ° C mit meinem Spoiler und meinem turbulenten Plenum-Design passieren würde, sodass es niemals die kritische Temperatur überschreitet oder sich ihr nähert.

**Also für zusätzliche Zuverlässigkeit, schließen Sie thermische Ferrit-Erkennung ein ** für Strombegrenzung oder Spannungsregelung oder temperaturgesteuerte Lüfter, die normalerweise nicht laufen müssen.

Frage:

Warum hängt die Sättigung des Spulenkerns von der Temperatur ab?

Antwort in 5 Worten:

Die Durchlässigkeit hängt von der Temperatur ab .

Im Allgemeinen ist die Permeabilität keine Konstante, da sie mit der Position im Medium, der Frequenz des angelegten Magnetfelds, der Feuchtigkeit, der Temperatur und anderen Parametern variieren kann.

Temperaturkoeffizient der magnetischen Permeabilität aus: Archiv der NIST-Forschungsbibliothek

Zusammenhang von Magnetfeld und Strom, Amperesches Gesetz: B = f(u * I)