5.3. Напряженность магнитного поля

При одинаковой ориентации элементарные токи сцеплены с контуром а – б – в – г только на участке а – г (рис. 5.10, б). Учитывая это, выражение для общего магнитного момента элементарных токов имеет вид

.

Подставив это значение момента в (5.25), легко получить

I_B = M·l.

Теперь выражение (5.24) принимает вид

или

. (5.26)

Выражение (5.26) показывает, что магнитное поле в веществе можно рассматривать как результат действия токов в проводах. Правую часть равенства (5.26) называют напряженностью магнитного поля Н, единица измерения А/м

. (5.27)

Напряженность Н как характеристика магнитного поля не зависит от свойств среды, а определяется только величиной токов в проводах.

5.4. Магнитная проницаемость вещества.

Выразим магнитную индукцию В через напряженность Н и намагниченность М магнитного поля

.

Напряженность магнитного поля определяется токами в проводах, а намагниченность – действием внешнего магнитного поля, созданного токами, поэтому Н и М пропорциональные величины. Коэффициент пропорциональности обозначают символом и называют магнитной восприимчивостью .

Магнитная восприимчивость выражает способность вещества намагничиваться под действием внешнего магнитного поля. С учетом магнитной восприимчивости выражение (5.27) принимает вид

В этой формуле первое слагаемое характеризует магнитное поле вакууме В₀. Магнитное поле в веществе увеличивается на величину второго слагаемого. Перепишем последнее выражение в виде

. (5.28)

Величина

(5.29)

называется абсолютной магнитной проницаемостью.

Отношение

(5.30)

называют относительной магнитной проницаемостью. Относительная магнитная проницаемость показывает во сколько раз магнитное поле в веществе сильнее (или слабее), чем в вакууме при прочих равных условиях. У диамагнитных веществ немного меньше единицы, например у висмута = 0,99983. У парамагнитных веществ немного больше единицы, например, у платины = 1,00036. У ферромагнитных веществ на несколько порядков больше единицы, может достигать значений 10⁴ и даже 10⁶.

5.5. Основные характеристики ферромагнитных

материалов

Способность ферромагнитных веществ намагничиваться и усиливать внешнее магнитное поле широко применяется в электротехнике. Для практического применения веществ важно знать их характеристики намагничивания. Эти характеристики получают опытным путем, исследуя зависимость

На рис. 5.11, а приведено ферромагнитное кольцо с обмоткой в виде витков провода. Если увеличивать ток в витках, то Н и В будут возрастать от нулевых значений по кривой начальной намагниченности (рис. 5.11, б). Участок «оа» кривой есть начальная область, «аб» - область интенсивного намагничивания, «бв» - колено кривой, «вг» - участок насыщения, на котором намагниченность практически постоянная.

Получив состояние магнитного насыщения, начнем уменьшать напряженность внешнего магнитного поля Н. Магнитная индукция также начнет уменьшаться, но по кривой 1 – В_r – Н_с (рис.5.12, а), которая не совпадает с кривой начальной намагниченности. При Н = 0 магнитная индукция имеет остаточное значение В_r. Размагничивание запаздывает по сравнению с уменьшением напряженности поля. Это явление называют магнитным гистерезисом.

Ферромагнитные вещества отличаются наличием сильных магнитных связей между молекулами. Это приводит к образованию микроскопически малых областей, в пределах которых магнитные моменты молекул ориентированы в одну сторону. Такие области имеют общий магнитный момент и называются самопроизвольно намагниченными (доменами).

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты самопроизвольно намагниченных областей направлены беспорядочно. Общий магнитный момент всего объема тела равен нулю.

В намагничивании ферромагнитного вещества участвуют не отдельные молекулы, как в диамагнитных и парамагнитных веществах, а целые области, обладающие значительным магнитным моментом.

Магнитное насыщение означает, что все магнитные моменты ориентированы по направлению внешнего поля. Остаточная намагниченность В_r объясняется тем, что при снятии внешнего поля некоторая часть магнитных моментов сохраняет приобретенное при намагничивании направление.

Изменив направление тока в катушке рис. 5.11, а и, следовательно, направление внешнего поля увеличим напряженность поля. Магнитная индукция уменьшается до нуля, а затем изменяет направление на обратное (рис. 5.12, а). Величину напряженности поля Н_с, необходимую для устранения остаточной намагниченности, называют коэрцитивной (задерживающей) силой.

При периодическом изменении напряженности поля зависимость _{приобретает петлевой (гистерезисный) характер. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, выделяющейся в единице объема ферромагнитного материала за один цикл перемагничивания.}

_{Различают несколько типов гистерезисных петель – симметричную, предельную (рис. 5.12, а) и несимметричную (частный цикл) (рис.5.12, б). Для каждой симметричной петли максимальное положительное значение В равно максимальному отрицательному значению В и соответственно Нmax равно |- Hmax|. Если изменять Н периодически, но так, что значение Нmax не равно |- Hmax|, то зависимость сохранит петлевой характер, но центр петли не совпадает с началом координат. Такие петли принято называть частными петлями гистерезиса или частными циклами.}

Предельной гистерезисной кривой или предельным циклом, называют симметричную гистерезисную петлю, снятую при очень больших Н_max .

Геометрическое место вершин симметричных гистерезисных петель принято называть основной кривой намагничивания. Начальная и основная кривые намагничивания настолько близко расположены друг к другу, что практически их можно считать совпадающими (рис. 5.12, б).

Безгистерезисной кривой намагничивания называют зависимость В от Н, возникающую, когда в процессе намагничивания ферромагнитного материала его периодически постукивают или воздействуют полем, имеющим синусоидальную составляющую. При этом гистерезис как бы снимается.

Все ферромагнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие материалы имеют малое значение коэрцитивной силы Н_с и малую площадь гистерезисной петли. К таким материалам относятся:

-технически чистое железо (низкоуглеродистые стали),

-листовая электротехническая сталь (железокремнистая),

-железоникелевые стали (пермаллой).

Кривые намагничивания этих материалов приведены на рис.5.13, б.

Их применяют во всех устройствах, которые могут работать при периодически изменяющемся магнитном потоке (трансформаторах, электрических двигателях, индуктивных катушках т. п.), что обусловлено малыми потерями на перемагничивание.

Магнитотвердые материалы имеют большое значение коэрцитивной силы и большую площадь гистерезисной петли. В группу магнитотвердых материалов входят углеродистые стали, вольфрамовые сплавы и др. Из магнитотвердых материалов изготавливают постоянные магниты.

Сердечники катушек индуктивности, при их применении в области высоких частот, могут изготавливаться из магнитодиэлектриков или из ферритов.

Магнитодиэлектрики – это материалы, полученные путем смешения мелкоизмельченного порошка магнетита, железа или пермаллоя с диэлектриком. Смесь формуют и запекают. Каждую ферромагнитную крупинку обволакивает пленка из диэлектрика. Благодаря этому сердечники из магнитодиэлектриков не насыщаются, их относительная магнитная проницаемость имеет значение от нескольких единиц до нескольких десятков.

Ферриты – это материалы, которые изготовляют из окислов меди или цинка и окислов железа или никеля. Смесь формуют и запекают. По электрическим свойствам ферриты являются полупроводниками. Их магнитные свойства определяются технологией изготовления и могут быть самыми различными.