2. Теория и методика эксперимента

2.1. Кривая начального намагничивания ферромагнетика (основная кривая намагничивания ферромагнетиков)

При помещении поликристаллического образца ненамагниченного ферромагнетика во внешнее магнитное поле (например, в поле соленоида с током) происходит намагничивание вещества образца, при котором все домены данного ферромагнетика полностью или частично ориентируются в направлении вектора напряженности намагничивающего поля, как показано на рисунке 6 (поле Н₁<H₂<H₃).

В ферромагнитном образце магнитное поле характеризуется индукцией , причем ее зависимость от напряженности внешнего поля нелинейная и в общем случае неоднозначная. Линейная зависимость вида (1.10) соответствует только процессу начального намагничивания ферромагнетика.

Рисунок 6

Рисунку 6 соответствуют три характерных участка на основной кривой намагничивания, показанной на рисунке 7 сплошной линией.

На участке 1 с ростом напряженности внешнего магнитного поля у доменов, ориентация магнитных моментов которых близка к направлению поля Н, происходит обратимое смещение границ, а также увеличивается объем этих доменов. Соседние домены с антипараллельной ориентацией магнитных моментов уменьшаются.

На участке 2 описанный процесс становится интенсивным, скачкообразным (эффект Баркгаузена) и необратимым. При скачкообразном изменении индукции поля внутри доменов возникают вихревые токи, которые нагревают ферромагнетик. Это приводит к потерям энергии намагничивающего поля. Часть данной энергии преобразуется в энергию звуковых волн, возникающих при этом процессе. В конце участка 2 большинство доменов после поглощения соседних доменов оказывается сориентированным по осям легкого намагничивания, близких по направлению к направлению вектора .

На участке 3 сильное намагничивающее поле вызывает медленное монотонное вращение доменов до направления, совпадающего с направлением вектора . В результате наступает насыщение намагниченности (Н_S, B_S). Дальнейшее увеличение индукции не зависит от свойств ферромагнетика и связано только с ростом .

Рисунок 7 Рисунок 8

Магнитная проницаемость , как видно из кривой начального намагничивания (рисунок 8), возрастает в слабых полях от некоего начального значения _Н до максимального значения , которое соответствует Н = Н₀. При последующем росте намагничивающего поля магнитная проницаемость уменьшается, асимптотически стремясь к значению   , соответствующему случаю отсутствия влияния ферромагнетика на магнитное поле в занимаемом им объеме. Следует учитывать, что понятие магнитной проницаемости для ферромагнетика применимо только к кривой начального намагничивания (основной кривой намагничивания ферромагнетика).

2.2. Исследование свойств ферромагнетика с помощью петли гистерезиса на учебной установке фэл-11

При снижении напряженности внешнего поля до нуля намагниченный ферромагнетик размагничивается не полностью из-за ряда необратимых процессов (см. рисунок 7). При Н = 0 в ферромагнетике сохраняется остаточная магнитная индукция В_r. Это явление отставания индукции магнитного поля в ферромагнетике В от напряженности намагничивающего поля Н при уменьшении напряженности и называется магнитным гистерезисом.

К ферромагнетику можно приложить противоположно направленное магнитное поле, изменяя его напряженность от Н = 0 до Н = –Н_С, и таким образом получить нулевую остаточную индукцию вещества (рисунок 7). Значение Н_С напряженности внешнего магнитного поля, при котором магнитная индукция в ферромагнетике обращается в нуль, называется коэрцитивной силой ферромагнетика. Она показывает, насколько сильно ферромагнетик удерживает остаточную индукцию. Ферромагнетики с Н_С < 80 А/м называются мягкими (магнитомягкими). Эти материалы (железо, электротехническая сталь, сплавы железа с никелем типа пермаллой) обладают большой магнитной проницаемостью (_max ≥ 5000 – 50000) и используются для изготовления сердечников трансформаторов и электрических машин. Ферромагнетики с Н_С > 4000 А/м называются жесткими (магнитожесткими) и используются для изготовления постоянных магнитов (сплавы железа типа алнико и магнико).

В таблице 2.1 показаны свойства ряда ферромагнетиков.

Таблица 2.1 – Свойства некоторых ферромагнетиков

П ри перемагничивании ферромагнетиков в переменном магнитном поле Н = f(t) процесс изменения магнитной индукции поля в образце характеризуется симметричной замкнутой кривой (петлей гистерезиса), показанной на рисунке 9.

Если амплитуда напряженности поля попадает в область насыщения намагниченности ферромагнетика, петля гистерезиса называется предельной или максимальной петлей. При этом дальнейшее увеличение напряженности внешнего поля H не приводит к качественным изменениям формы петли.

В

Рисунок 9

остальных случаях речь идет о петле частного цикла. Частных циклов бесконечно много, их петли расположены внутри максимальной петли гистерезиса. Максимумы значений B и H (или J и H) частных циклов всегда расположены на основной кривой намагничивания.

Нелинейность петли гистерезиса означает, что индукция магнитного поля в ферромагнетике меняется не по закону изменения напряженности. Д

частных петель

ве ветви петли говорят о том, что любому значению напряженности Н соответствуют два значения магнитной индукции В, которые зависят от предыстории намагничивания.

Кривая, которую можно провести через вершины (В_m; Н_m) частных петель гистерезиса, практически полностью совпадает с кривой начального (основного) намагничивания. Следовательно, магнитную проницаемость ферромагнетика можно определить через В_m и Н_m, относящиеся к любой частной петле гистерезиса (рисунок 9), по формуле:

. (2.1)

Площадь петли гистерезиса позволяет определить работу перемагничивания, приходящуюся на единицу объема ферромагнетика. Бесконечно малое изменение объемной плотности энергии магнитного поля в цикле перемагничивания равно:

. (2.2)

Работа dA_n = HdB идет на изменение внутренней энергии единицы объема вещества. Тогда энергия гистерезисных потерь в одном полном цикле перемагничивания ферромагнетика равна произведению объема образца V₀ на площадь петли в координатах (В, Н), т.е.

. (2.3)

Эта энергия переходит в тепловую энергию, т.е. при перемагничивании ферромагнитный образец нагревается.

Полное размагничивание ферромагнетика возможно при перемагничивании его в переменном магнитном поле при плавном уменьшении амплитуды напряженности от Н_S до нуля в течение ряда циклов.