3. Магнитные свойства веществ

Интенсивность магнитного поля определяется током, которым это поле обусловлено. Это подтверждается выражением (4.3), из которого видно, что магнитная индукция в вакууме пропорциональна величине тока (μ₀ =const).

Если магнитное поле создается в веществе, то поле воздействует на вещество, а оно, в свою очередь, определенным образом изменяет магнитное поле.

Большие исследования проблем электромагнетизма, магнитных свойств веществ провел известный русский физик профессор Московского университета А. Г. Столетов (1839—1896). Из его работ в этой области отметим работу по изучению намагничивания железа, свойств и характеристик ферромагнитных материалов.

Намагничивание. Вещество, находящееся во внешнем магнитном поле (поле внешних токов), намагничивается и в нем возникает добавочное внутреннее магнитное поле. Оно связано с движущимися заряженными частицами (движение электронов по внутриатомным орбитам, или электронов и ядер атомов вокруг собственных осей). Движение заряженных частиц в данном случае можно рассматривать как элементарные круговые токи.

М

Рис. 4.5

агнитные свойства элементарного кругового тока (рис. 4.5) характеризуют магнитным моментом, величина которого выражается произведением элементарного кругового тока и площади описанного им круга m = iS, а его направление определяют по правилу буравчика.

При отсутствии внешнего магнитного поля элементарные токи внутри вещества ориентированы беспорядочно, поэтому общий (суммарный) магнитный момент даже малых объемов вещества равен нулю и в окружающем пространстве магнитное поле элементарных внутренних токов не обнаруживается. Рис. 4.5

Влияние внешнего магнитного поля на элементарные токи в веществе состоит в том, что изменяется ориентация осей вращения частиц так, что их магнитные моменты оказываются направленными в одну сторону. Интенсивность и характер намагничивания у различных веществ в одинаковом внешнем магнитном поле значительно отличаются. С этой точки зрения различают диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные вещества.

Особенность диамагнитных веществ (вода, водород, кварц, серебро, медь и др.) состоит в том, что в них магнитное поле внутренних токов (вторичное) направлено против внешнего поля, поэтому результирующее поле слабее внешнего. В веществах парамагнитных (алюминий, кислород, воздух и т. д.) и ферромагнитных (железо, кобальт, никель и некоторые их сплавы) магнитные моменты элементарных токов ориентируются в направлении внешнего магнитного поля, т. е. усиливают его. Ферромагнитные вещества имеют особо важное значение в электротехнике, поэтому их магнитные свойства далее рассмотрены подробно.

Магнитная проницаемость. Влияние свойств вещества на магнитное поле можно учесть, если в формулы (4.2); (4.3); (4.6), выражающие магнитную индукцию и магнитный поток в вакууме, ввести как множитель безразмерный коэффициент, который называется относительной магнитной проницаемостью: μ_а = μ₀ μ_r. При таком обозначении на основе выражений (4.3) и (4.6) можно записать формулы магнитной индукции и магнитного потока катушки:

B = ; (4.17)

Ф = . (4.18)

Опытами установлено, что величина μ_r диамагнитных и парамагнитных веществ очень мало отличается от единицы, поэтому в практических расчетах принимают для них μ_r = 1,

т. е. используют те же выражения, что и для вакуума. Ферромагнитные вещества имеют величину μ_r ≥ 1.

Это объясняется тем, что в них имеются области самопроизвольного намагничивания (домены), в пределах которых (объем 10^-2 — 10^-6 см³) элементарные магнитные моменты направлены одинаково. Складываясь, они образуют общие магнитные моменты доменов.

Несмотря на самопроизвольную намагниченность отдельных областей, магнитные свойства ферромагнитных тел в пространстве, окружающем их, не обнаруживаются, так как магнитные моменты доменов ориентированы в различных направлениях. Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов ориентируются в одну сторону и образуют общий магнитный момент тела, направленный в ту же сторону, что и внешнее магнитное поле.

Эту важную особенность используют в практике, применяя ферромагнитные сердечники катушек, что позволяет резко усилить магнитную индукцию и магнитный поток при тех же значениях тока и числа витков или, иначе говоря, сконцентрировать магнитное поле в относительно малом объеме.

Напряженность магнитного поля. Особенность ферромагнитных веществ состоит также и в том, что их магнитная проницаемость — величина не постоянная, а изменяется в зависимости от величины магнитной индукции. Это означает, что во многих случаях расчетов величина магнитной проницаемости сердечника заранее не известна и поэтому приведенные расчетные формулы [например, (4.17), (4.18)] для определения магнитной индукции или потока использовать нельзя.

Решение таких задач становится возможным, если в качестве характеристики магнитного поля наряду с магнитной индукцией ввести другую величину, не зависящую от свойств среды (материала сердечника), а определяемую только величиной тока в катушке и ее размерами (величины l, S, N).

Для примера возьмем кольцевую катушку и в (4.17) разделим обе части равенства на μ_а: В / μ_а = IN / l. Величину в левой части равенства называют напряженностью магнитного поля

Н = В / μ_а. (4.19)

Из этой формулы видно, что напряженность магнитного поля связана с магнитной индукцией и поэтому является характеристикой магнитного поля. Но ее можно определить, учитывая только конструктивные характеристики катушки (N, l) и значение тока в ее обмотке

H = IN / l, (4.20)

где Н — напряженность магнитного поля, А/м (ампер/метр).

У ферромагнитных веществ зависимость B = f (Н) нелинейная, магнитная проницаемость непостоянна, а изменяется с изменением магнитной индукции (μ_а ≠ const), поэтому по формуле (4.19) нельзя определить величину магнитной индукции В по известному значению напряженности магнитного поля Н (или, наоборот, величину Н по известному значению В).

Решение такой задачи выполняют по кривой намагничивания В = f (Н) материала сердечника ( рис. 4.7).

Вместе с тем формула (4.19) дает возможность определить величину абсолютной магнитной проницаемости μ_а при заданном состоянии намагниченности сердечника, т. е. при известных величинах В и Н.

Абсолютная магнитная проницаемость — величина, характеризующая магнитные свойства вещества, равная отношению модуля магнитной индукции к модулю напряженности магнитного поля.

Из формулы (4.20) следует равенство (4.21), которое соответствует закону полного тока:

IN = Hl. (4.21)

Ферромагнитные материалы и их свойства. Способность намагничиваться и усиливать внешнее магнитное поле — это важное, но не единственное свойство ферромагнитных веществ. Для практики большое значение имеют и другие свойства, выявляемые в процессе намагничивания.

На рис. 4.6 показана схема установки для намагничивания ферромагнитного сердечника катушки. С увеличением тока в катушке пропорционально увеличивается напряженность магнитного поля [см. формулу (4.20)].

Рис. 4.6 Рис. 4.7

Если для ряда величин напряженности измерить соответствующие им величины магнитной индукции, то можно построить характеристику первоначального намагничивания В = f (Н), которая показана на рис. 4.7 (участок 0—1).

На участке 0—1 с увеличением напряженности Н увеличивается магнитная индукция В. Это объясняется тем, что магнитные моменты доменов, ранее ориентированные произвольно, принимают направление внешнего магнитного поля. Затем прирост магнитной индукции за счет внутреннего магнитного поля уменьшается, а далее полностью прекращается, т. е. наступает состояние магнитного насыщения (после точки 1) при магнитной индукции В_s.

При уменьшении напряженности внешнего магнитного поля (при уменьшении тока в катушке) магнитная индукция уменьшается по кривой 1—2—3, которая не совпадает с кривой первоначального намагничивания, и при Н = 0 В = В_r.

Размагничивание сердечника как бы запаздывает по сравнению с уменьшением напряженности поля. Это явление называют магнитным гистерезисом, а величину B_r — остаточной магнитной индукцией.

Для того чтобы полностью размагнитить сердечник, надо изменить направление тока в катушке и, увеличивая его, довести напряженность поля до величины Н_с, которую называют коэрцитивной (задерживающей) силой.

И зменяя ток в катушке по величине и направлению, можно получить данные для построения замкнутой кривой В = f (Н), которую называют петлей магнитного гистерезиса.

При технических расчетах используют основную кривую намагничивания данного материала, близкую к кривой первоначального намагничивания, но не совпадающую с ней. На рис. 4.8 изображены основные характеристики намагничивания некоторых ферромагнитных материалов. При циклическом перемагничивании с определенной частотой ферромагнитные материалы нагреваются, что свидетельствует о затрате энергии на перемагничивание.

Величина этих потерь энергии тем больше, чем больше площадь, ограниченная петлей магнитного гистерезиса.

В

Рис. 4.8

зависимости от химического состава ферромагнитных веществ отмеченные свойства проявляются в разной степени.

В связи с этим различают две основные группы ферромагнитных материалов: магнитномягкие и магнитнотвердые.

Магнитномягкие материалы характеризуются большими величинами начальной и максимальной магнитной проницаемости и малыми величинами коэрцитивной силы (Н_с ≤ 400 А/м), легко намагничиваются и размагничиваются, имеют узкую гистерезисную петлю (рис. 4.9, а, б) и поэтому отличаются малыми потерями энергии от гистерезиса.

а) б) в)

Рис. 4.9

Основные металлические магнитномягкие материалы — низкоуглеродистые стали, чугун, которые применяют для магнитопроводов, работающих в постоянных магнитных полях; листовые электротехнические стали с повышенным содержанием кремния (до 4 %), которые идут для изготовления магнитопроводов устройств переменного тока (трансформаторов, электрических машин и аппаратов).

Железоникелевые сплавы — пермаллои, имеют высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу (рис. 4.9, б), повышенное удельное сопротивление, малые потери от гистерезиса и вихревых токов и поэтому применяются в магнитных усилителях, в высокочастотных узлах радиоэлектронной аппаратуры.

Сплавы на основе железа и алюминия — альсиферы используются при изготовлении сердечников, предназначенных для работы в диапазоне частот до 50 000 кГц.

Присадка кремния в магнитномягких материалах увеличивает магнитную проницаемость, уменьшает коэрцитивную силу, увеличивает удельное сопротивление, чем уменьшает потери от вихревых токов; соединения окислов металлов — ферриты — изготовляют из порошкообразной смеси окиси железа (Fе₂0₃) с окислами других металлов (ZnO, МnО и т. д.) путем прессования и спекания при высоких температурах.

Магнитодиэлектрики — материалы, состоящие из смеси магнитномягкого материала (карбонильное железо, пермаллои, альсиферы) с каким-либо органическим или неорганическим диэлектриком (эпоксидная или бакелитовая смола, полистирол, жидкое стекло и др.).

Ферриты и магнитодиэлектрики имеют большие удельные сопротивления, малые потери от вихревых токов, что дает возможность применять их при высоких частотах. Эти материалы широко применяют для изготовления сердечников трансформаторов, аппаратуры проводной и радиосвязи, в вычислительных устройствах, автоматике. Некоторые ферриты имеют прямоугольную петлю магнитного гистерезиса, поэтому сердечники из таких материалов могут намагничиваться до насыщения при импульсе тока в обмотке и длительно оставаться намагниченными. Эти свойства позволяют применять их в запоминающих устройствах вычислительной техники.

Магнитнотвердые материалы намагничиваются с трудом, но намагниченные надолго сохраняют намагниченность. Они имеют относительно большие величины остаточной магнитной индукции (0,2—2,25 Тл) и коэрцитивной силы (20 000—60 000 А/м), широкую петлю магнитного гистерезиса (рис. 4.9, в), поэтому их применяют для изготовления постоянных магнитов.

К магнитнотвердым материалам относятся мартенситные высокоуглеродистые, а также легированные стали (легирующие компоненты — хром, вольфрам, кобальт, молибден).

Более высокие магнитные характеристики имеют магнитнотвердые сплавы на основе железа, алюминия, никеля, легированных кобальтом, медью, титаном, ниобием. Магниты очень малых размеров или сложной формы изготовляют из металлокерамических материалов (прессование порошков и спекание при высокой температуре).