Глава 6. Магнитные материалы

6.1. Общие положения

В катушке (рис. 6.1) с шагом намотки провода 1 виток на 1 метре её длины при токе 1 А создаётся напряжённость Н электромагнитного поля, равная 1 А/м.

Если в несколько раз увеличить ток в проводе или количество витков на той же длине катушки, то во столько же раз возрастёт и напряжённость магнитного поля.

При протекании тока по виткам катушки в её сердечнике возникает магнитный поток Ф, измеряемый в веберах (Вб). Магнитный поток может измеряться и в вольтах, умноженных на секунду (В·с), или в ньютонах, умноженных на метр и делённых на ампер (Н·м /А).

М агнитная индукция В — магнитный поток сквозь единицу поперечного сечения сердечника (6.1):

В = Ф / S , (6.1)

где Ф — магнитный поток , Вб;

S — площадь поперечного сечения сердечника, м² ;

В — магнитная индукция, измеряемая в тесла (Тл) .

М

Рис. 6.1. К определению магнитного потока и напряжённости магнитного поля

агнитная индукция В зависит от напряжённости поля Н и магнитных свойств материала сердечника, характеризуемых его абсолютной магнитной проницаемостью _а , измеряемой в (Н/А²) (6.2):

В = _а Н . (6.2)

Чаще используют величину относительной магнитной проницаемости  :

 = _а / _о , (6.3)

где _а — абсолютная магнитная проницаемость материала;

_о — магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума);

_о = 4·10^7 (Н /А²) .

Относительная магнитная проницаемость  показывает, во сколько раз магнитная проницаемость данного материала превосходит магнитную проницаемость вакуума.

Магнитная проницаемость определяет способность материала к намагничиванию: чем выше магнитная проницаемость материала сердечника, тем большую индукцию можно в нём получить при той же напряжённости магнитного поля.

Материалы оценивают по их поведению в магнитном поле.

Все вещества — твёрдые, жидкие и газообразные — в магнитном поле создают своё собственное поле, хотя оно может быть очень слабым.

Вещества, которые во внешнем магнитном поле создают магнитное поле, ослабляющее внешнее, называют диамагнетиками.

Диамагнитные материалы — медь, серебро, золото, смолы, вода и большинство газов. Их относительная магнитная проницаемость чуть меньше единицы: у типичного диамагнетика — висмута —  = 0,999824 .

Вещества, которые во внешнем магнитном поле создают своё магнитное поле, несколько усиливающее внешнее, называют парамагнетиками.

К парамагнетикам относят алюминий, олово, марганец, платину, вольфрам, растворы солей и др. Их относительная магнитная проницаемость  чуть больше единицы. У платины она равна 1,00036, у жидкого кислорода — 1,0034.

Вещества, которые во внешнем магнитном поле создают своё магнитное поле, многократно усиливающее внешнее, называют ферромагнетиками. К ферромагнетикам относят железо, кобальт, никель и их сплавы. Они обладают весьма высокой магнитной проницаемостью, в тысячи раз превышающей магнитную проницаемость неферромагнитных веществ. Ферромагнетики наиболее широко применяются в электротехнике.

М

Рис. 6.2. Образование магнитного момента атома материала

агнетизм вещества связан с «молекулярными токами» — движением электронов по замкнутым орбитам вокруг ядра атома, создающими орбитальный магнитный момент. Сами электроны тоже обладают магнитным моментом, возникающим при вращении электрона вокруг собственной оси и не связанным с перемещением электрона по орбите. Таким образом, каждый атом можно рассматривать как микроскопический элементарный магнит (рис.6.2).В диа- и парамагнетиках элементарные магниты разрознены, поэтому их совместная реакция на внешнее магнитное поле выражена слабо.

В ферромагнетиках же соседние атомы обмениваются электронами, отчего возникает так называемое обменное взаимодействие электронов. Кроме того, на магнитные свойства отдельных атомов влияют электрические поля всех атомов кристалла, составляющие общее кристаллическое поле. Под влиянием обменного взаимодействия и кристаллического поля образуются целые группы атомов с одинаковой ориентацией магнитных моментов, объём ферромагнетика разделяется на множество самопроизвольно намагниченных областей размером 0,001…0,1 мм , называемых доменами. В каждом из доменов магнитные моменты параллельны и н аправлены в одну сторону, так что намагниченность каждого домена почти максимально возможная, но направления магнитных моментов всех доменов различны и их суммарный магнитный момент равен нулю (рис.6.3, а).

П

Рис. 6.3. Намагничивание ферромагнетиков в магнитном поле: ферромагнетик вне магнитного поля (а), ферромагнетик в магнитном поле

ри внесении ферромагнитного образца во внешнее магнитное поле происходит рост тех доменов, направление магнитных моментов которых близко к направлению внешнего поля. При росте доменов их границы смещаются, а магнитные моменты соседних доменов ориентируются строго по направлению внешнего магнитного поля. Ориентация магнитных моментов доменов согласуется внешним магнитным полем, магнитные моментов всех доменов ферромагнетика складываются и они создают собственное магнитное поле (рис.6.3, б).

При устранении внешнего магнитного поля значительная часть доменов ферромагнетика сохраняет приобретённую ориентацию — материал намагнитился.

Упорядоченность ориентации доменов ферромагнетика может быть нарушена при механических воздействиях (ударах, вибрациях, механической обработке), а также за счёт энергии тепловых колебаний атомов кристаллов. С увеличением температуры нарушается ориентация доменов, ферромагнетик размагничивается. Температуру, выше которой ферромагнетики утрачивают свои магнитные свойства, называют «точкой Кюри» (у железа — +770 ^ОС, у кобальта — +1130 ^ОС, у никеля — +356 ^ОС).