4. Ферромагнетики

С уществует класс магнетиков, для которых  (а значит, и μ) гораздо больше единицы (μ ~ 10⁴). Эти вещества называются ферромагнетиками. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, а также ферриты. Из них изго­товляют магнитопроводы трансформаторов, сердечники катушек ин­дуктивности, постоянные магниты, экраны и т. п.

Для ферромагнетиков характерно также и то обстоятельство, что магнитная проницаемость этих веществ зависит от внешнего магнитного поля, а также от предыстории намагничения данного образца. Даже в отсутствие внешнего магнитного поля они могут обладать намагниченностью (остаточная намагниченность). Основные характеристики ферромагнетиков определяются по кри­вым намагничивания по зависимостям магнитной индукции от напряженности внешнего поля.

В этом ферромагнетики аналогичны сегнетоэлектрикам. Подобно последним, кривая циклического перемагничивания ферромагнетика или зависимость B = f(H) имеет вид петли, называемой петлей гистерезиса (рис. 2.3). Если ферромагнетик был первоначально размагничен (B = 0, H = 0), то его намагничение происходит по основной кривой ОА. В точке А индукция В_н магнитного поля и напряженность H_н соответствуют состоянию магнитного насыщения. Если начать размагничение ферромагнетика, то оно будет происходить вдоль кривой ACDA'. При H = 0 намагниченность не исчезнет, а будет принимать значение, соответствующее отрезку ОС (остаточная намагниченность В_ост). Для ее уничтожения надо приложить поле Н = Н_с (отрезок DO). Величина Н_с называется коэрцитивной силой⁷.

В точке А' вновь достигается состояние насыщения намагничения. Если теперь вновь изменить направление напряженности магнитного поля, то намагничение ферромагнетика будет происходить вдоль кривой A'C'D'A. Если при циклическом намагничении ферромагнетика напряженность поля будет достигать значений, соответствующих состоянию насыщения намагничения, то получаемая при этом петля гистерезиса будет иметь максимальные размеры. При использовании более слабых циклически изменяющихся магнитных полей будут получаться петли гистерезиса меньших размеров — частные циклы намагничивания⁸. На рис. 2.4 показано семей­ство симметричных петель гистерезиса. Кривая проходящая через вершины частных петель гистерезиса соответствует основной кривой намагничивания. Часто основную кривую намагничивания получают измеряя положение вершин частных кривых гистерезиса. Индукция насыщения B_s -- значение индукция, соответствующее насыщению, т. е. такому состоянию материала, при котором магнит­ная индукция не изменяется при изменении напряженности магнит­ного поля. После снятия внешнего поля ферромагнетик остается намагниченным. Величина остаточной индукции характеризуется величиной В_ост (рис.2.4.)

Коэрцитивная сила Н_с ­величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения индукции от В_ост до нуля, т.е. для размагничивания вещества.

Абсолютная магнитная проницаемость - величина, характери­зующая магнитные свойства вещества и равная отношению модулей магнитной индукции и напряженности магнитного поля

_а = B/H

Относительная магнитная проницаемость (или просто магнитная проницаемость) - отношение абсолютной магнитной про­ницаемости к магнитной постоянной, т. е.  = _а/₀, где ₀ = 4·10^-7 Гн/м = 1,257 мкГн/м.

Начальная магнитная проницаемость _н - значение магнитной проницаемости на начальной или основной кривой намагничивания при стремлении напряженности магнитного поля к нулю, деленное на магнитную постоянную. Практически начальная магнитная проницаемость определяется по наклону касательной к основной кривой намагничи­вания (рис. 2.4)

_а = B/H.

П одобно начальной проницаемости можно определить проницаемость материала при наличии внешнего поля. Для этого измеряют отношение В к Н на разных участках кривой намагничивания. Магнитная проницаемость ферромагнетиков сильно зависит от внешнего поля. Соответственно магнитная проницаемость практически определяется из соотношения

 = B/(₀H).

В зависимости от параметров магнитного материала их принято разделять на магнитомягкие и магнитотвердые материалы.

Магнитотвердые материалы характеризуются высокой коэрцитив­ной силой (более 4 кА/м) и применяются для изготовления постоян­ных магнитов. К магнитотвердым материалам относятся некоторые углеродистые стали, вольфрамовая, хромистая и кобальтовая стали, сплавы альни, альниси, альнико и магнико, а также ферриты ко­бальта и бария.

Магнитомягкие материалы характеризуются высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой (менее 4 кА/м) и ма­лыми потерями на гистерезис.

Их можно разделить на три группы.

1. Металлические магнитомягкие материалы (железо и его сплавы) применяются в основном в диапазоне звуковых частот. Обычно это все виды электротехнической стали. Наиболее высокочастотный металлический магнитный материал – пермаллой (сплав никеля и железа). Достоинство лучших металлических маг­нитных материалов - высокая магнитная проницаемость (до 100000) на низких частотах.

2. Магнитодиэлектрики – это пластические массы, в которых связующим является диэлектрический материал, а наполнителем порошок из магнитомягкого материала. Типичные представители магнитодиэлектриков – карбонильное железо и альсифер (прессованный сплав порошков железа, кремния и алюминия.)

3. Ферриты представляют собой спеченную смесь оксида железа (III) с оксидами нескольких двухвалентных металлов. Ферриты по механическим свойствам подобны керамике. Применяются в широком диапазоне частот для изготовления сердечников высокочастотных трансформаторов и катушек индуктивности.

Физическое объяснение наличия магнитного гистерезиса связано с наличием ферромагнитного упорядочения, которое приводит к появлению в ферромагнетике магнитных доменов.