¿Por qué la saturación del núcleo del inductor depende de la temperatura?

Esta es principalmente una pregunta de física del estado sólido, pero, para resumir esto en algo que podamos responder sin entrar en la delicadeza de la física material central:

El magnetismo ocurre cuando en un material, puedes alinear los espines de los electrones alrededor de su núcleo (o más generalmente, el espín normal de cualquier cuántico cargado); en los materiales "normales", estos están totalmente orientados al azar, y una vez que hayas alineado un Muchos de los ejes de giro apuntan en la misma dirección, se obtiene un efecto de "magnetismo" observable macroscópicamente.

La capacidad de los núcleos para almacenar energía depende de la "alineabilidad" de estos giros.

Cuanto más caliente es un material, más aleatorio es el movimiento, las posiciones y las orientaciones de los átomos en su interior; por lo tanto, calentar el material trabaja activamente en contra de su capacidad para almacenar energía en un campo magnético.

Esto, sin embargo, no explica la observación opuesta que tienes. Para aclarar un poco las cosas, me gustaría conservar la discusión de comentarios a continuación aquí, créditos a @jonk allí:

Las paredes del dominio son como superficies de pompas de jabón dispuestas para minimizar la energía. A corrientes bajas, el campo aplicado principalmente modifica las paredes para que el volumen de las burbujas que se alinean con el campo magnético crezca mucho más que el volumen dentro de las burbujas alineadas de manera opuesta. Este es un efecto suave. Pero también hay una serie de complicaciones agrupadas como efectos de Barkhausen y magnetoestricción. Las temperaturas más altas, con corrientes de magnetización bajas, permiten que las paredes de las burbujas se rompan más fácilmente sobre estas barreras de efecto Barkhausen.

Por lo tanto, la longitud restante de la ruta de vacío (la longitud de la ruta física menos las longitudes netas de la ruta de la burbuja) es un poco más corta, lo que da como resultado una inductancia ligeramente mayor. A corrientes más altas, la mayoría de las paredes de las burbujas han hecho todo el movimiento que pueden hacer, así como todos los efectos agrupados de Barkhausen y de magnetoestricción, y ahora el efecto de la temperatura es reducir el volumen neto alineado de la burbuja debido a todo el exceso continuo. empujones (perturbación de los volúmenes de burbujas alineados existentes). Estos dos extremos explican los comportamientos opuestos.

@Tobalt argumenta

A altas temperaturas, tanto el intercambio magnético como la anisotropía magnética disminuyen. Esto conduce a: a) energía de pared de dominio reducida yb) ancho de pared de dominio aumentado. Ambos conducen a la fijación de la pared del dominio inferior, que a su vez c) disminuye la coercitividad d) aumenta la dM/dH, es decir, la permeabilidad

Afortunadamente, @jonk también enlaza con el capítulo de conferencias de Feynman sobre materiales magnéticos. Me gustaría citar una cosa de eso:

A altas temperaturas, la energía térmica del sistema es mayor que la energía magnética, EmJ. La temperatura de Curie donde los diferentes dominios magnéticos se cancelan y la permeabilidad relativa cae hacia cero. y la energía almacenada no se puede aumentar, por lo que L colapsa a cero, 0 no el flujo magnético. Hay un equilibrio termomagnético a esta temperatura. Calentar los imanes a esta temperatura también los desmagnetiza.

Entre 0'K absoluto y la temperatura de Curie, existe una tasa de cambio de temperatura para cualquier estructura de dominio magnético molecular que controle la permeabilidad.$\dfrac{\Delta M}{M}=k~ T^{\frac{3}2}~~~~~~~~~~$ referencia (31)

Las cualidades magnéticas de las partículas cargadas tienen una interacción compleja de fuerzas que se maximizan en el cero absoluto, 0'K y tienen cero magnetismo en la temperatura de Curie.

El aire no se satura (todavía)

Esto no ocurre en el vacío de material excitado por un bucle de alambre, y también podemos despreciar el aire para esta aplicación.

Los aceros para transformadores (CRGOS de acero de grano orientado laminado en frío) suelen ser de 1,2 T hasta exóticos 1,9 T (Est), mientras que un espacio de aire en 7 Tesla MRI puede succionar una silla plegable de metal a través de una cafetería a velocidades de hasta 60 MPH.

Anécdota del director del NRC (Consejo Nacional de Investigación de Canadá) que me informó en Winnipeg sobre la capacidad de la primera IRM no magnética (hidráulica) del mundo para su uso en quirófanos

Tomar una respiración profunda

Un electrón que se mueve alrededor de un punto fijo tiene un momento angular.$L=m_erv$que también está definido por el área y alrededor de un cable que es excitado por la corriente por unidad de longitud.

Las partículas cargadas tienen un espín nuclear, como un trompo que tiene una órbita con precesión a un ritmo más lento. Este momento dipolar magnético produce un flujo magnético y la fuerza magnética a lo largo del cable creada por el flujo de carga eléctrica o la corriente. La energía de cada peonza es también una permeabilidad absoluta, y la suma de todas las peonzas es la permeabilidad neta del material. Los momentos tienen distintos ángulos de giro, descubiertos por Stern y Gerlach en 1922.

crédito

La tasa de cambio de$\mu_r$con la temperatura depende del tipo de material y los espacios entre las partículas magnéticas y la proporción de aislamiento y conductividad a las partículas magnéticas. El microondas tiene una relación más alta de material conductor/aislante que crea los espacios iguales necesarios en las partículas magnéticas de ferrita.$\mu/\epsilon$.

El resultado es la rodilla de la curva donde$\mu_r$Las gotas del 10% se utilizan a menudo para la inductancia a la corriente nominal. Por encima de esto, en la ferrita energética, el margen de fuga térmica crítica es la cifra clave de mérito que permite el envejecimiento de los materiales. Aquí es donde la tasa de cambio de temperatura se eleva por encima del estado estacionario con una pérdida rápida de inductancia e impedancia ya que el calor no se puede eliminar lo suficientemente rápido. Esto se debe a que los inductores generalmente son accionados por fuentes de voltaje conmutadas y no pueden conmutarse con fuentes de corriente a menos que se detecten y limiten activamente.

Otros Enriques

Otro hecho extraño es que las paredes de dominio del cristal de cuarzo (XTAL como en los osciladores) pueden tener una inductancia equivalente a más de 1 Henry, pero el excelente aislamiento del cuarzo crea un efecto piezoeléctrico, vibraciones resonantes electromagnéticas con una pequeña capacitancia "movible" de femptofaradios. No se puede saturar de corriente porque entre las paredes del dominio existen valores “Henry y fF” de varios kV, para una potencia Xtal de 10 uW que no se puede aprovechar. Esta es la razón por la que los poderes de Xtal son minúsculos, ya que hay un voltaje de ruptura o un flashover dentro del cristal debido a las impurezas moleculares.

Otro hecho interesante

Si observa temperaturas por encima de la habitación, Tempco tiene un PTC muy pequeño y luego cambia a NTC (malo) por encima de 350 mA pero satura -10% alrededor de 450 mA. Esto significa que si su corriente RMS excede esto un poco, correrá hasta 100'C y estará cerca de una falla descontrolada. Una característica que agregué a un suministro Lambda 1U 180W para mi diseño de confiabilidad fue aplicar epoxi a un termistor a la ferrita XFMR para conducir un pequeño transistor a un LM317 para regular la corriente en 2 ventiladores en serie de 48V, cuando alcanzó 50'C comenzaron los fanáticos. A 60 °C, funcionaría a RPM completas, lo que solo ocurriría en un ambiente de 40 °C con mi diseño de spoiler y plenum turbulento, por lo que nunca excede o incluso se acerca a la temperatura crítica.

**Entonces, para mayor confiabilidad, incluya detección de ferrita térmica ** para limitación de corriente o regulación de voltaje o ventiladores controlados por temperatura que normalmente no necesitan funcionar.

Pregunta:

¿Por qué la saturación del núcleo del inductor depende de la temperatura?

Responde en 5 palabras:

La permeabilidad depende de la temperatura .

En general, la permeabilidad no es una constante, ya que puede variar con la posición en el medio, la frecuencia del campo magnético aplicado, la humedad, la temperatura y otros parámetros.

Coeficiente de temperatura de la permeabilidad magnética de: Archivo de la biblioteca de investigación del NIST

Correlación de campo magnético y corriente, ley de Ampere: B = f(u * I)