2.4. Потери энергии при перемагничивании ферромагнетика
При периодическом перемагничивании ферромагнетика в нём происходят необратимые процессы, на которые расходуется энергия от намагничивающего источника. Потери энергии при перемагничивании состоят из потерь на вихревые токи и на гистерезис. Все они приводят к нагреванию ферромагнетика.
Потери на вихревые токи существенны при достаточно быстром перемагничивании. Они пропорциональны площади контуров в образце, по которым вихревые токи могут циркулировать, и обратно пропорциональны удельному сопротивлению материала. Поэтому такие потери можно уменьшить двумя способами: 1) изготовлением сердечника из тонких изолированных друг от друга листов; 2) добавлением в ферромагнетик примесей, увеличивающих его удельное сопротивление. Так например, на частоте 50 Гц сердечник набирают из листов толщиной 0,35 мм, а на высоких частотах используют только ферриты).
Потери на гистерезис связаны, прежде всего, с возникновением микроскопических вихревых токов в отдельных областях ферромагнетика при скачкообразном перемагничивании доменов, что приводит к нагреванию образца.
Можно показать, что общие потери энергии за один цикл перемагничивания ферромагнетика определяются площадью его гистерезисной петли, а именно: в единице объёма ферромагнетика за один цикл рассеивается энергия
wрасс=
,
(10)
где
Sп
– площадь петли в единицах
.
Отсюда следует, что для уменьшения
потерь энергии и нагревания сердечника
при его циклическом перемагничивании
(например, в трансформаторе) он должен
быть выполнен из материала с узкой
петлёй гистерезиса, т.е. их магнитомягкого
материала.
2.5. Природа ферромагнетизма
Природа ферромагнетизма заключается в спонтанной (самопроизвольной) ориентации атомных магнитных моментов в одном направлении, которая сводится к параллельному выстраиванию спинов внешних электронов у всех атомов ферромагнетика. Орбитальные магнитные моменты здесь играют небольшую роль, так как у ферромагнетиков они составляют лишь несколько процентов от спиновых). Параллельное выстраивание спинов оказывается выгодным энергетически: оно уменьшает так называемую «обменную энергию» взаимодействия электронов, которая является величиной квантовомеханической и не имеет аналогов в классической механике и электродинамике.
Однако, спонтанная ориентация спинов не приводит к тому, что кусок железа сам по себе намагничивается, так как при этом создалось бы большое магнитное поле, заключающее в себе энергию. Поэтому образец ферромагнетика самопроизвольно делится на огромное число малых областей – домéнов, в каждом из которых спины ориентированы параллельно, но ориентация самих доменов хаотична (рис.6). Домены имеют размеры порядка 10−3 мм. Предел дробления ферромагнетика на домены определяется равновесием между уменьшающейся энергией магнитного поля образца и возрастающей обменной энергией на границах доменов, где спины соседних электронов не параллельны. Таким образом, доменная структура образца удовлетворяет условию минимума его энергии. При внесении образца во внешнее магнитное поле «благоприятно ориентированные» домены быстро растут за счёт соседей, и образец намагничивается вдоль внешнего поля. Зернистая структура затрудняет движение доменных границ, поэтому ферромагнетики с зернистой структурой являются магнитожёсткими.
_
____________________________
Итак, к отличительным свойствам ферромагнетиков относятся:
1) доменная структура и спонтанная намагниченность доменов;
2) способность образца намагничиваться очень сильно (μ≫1);
3) наличие остаточной индукции (намагниченности) после снятия внешнего поля;
4) нелинейность В(Н) и насыщение индукции (намагниченности);
5) неоднозначность индукции при заданном поле Н и наличие гистерезиса;
6) наличие температуры Кюри: при нагревании выше некоторой характерной для данного ферромагнетика температуры он теряет свои ферромагнитные свойства и становится парамагнетиком, эта температура и называется точкой Кюри (Тс); при охлаждении ниже Тс ферромагнитные свойства образца восстанавливаются, хотя остаточная намагниченность, если таковая была до нагревания, «забывается»; для чистого железа Тс=770°С.