6.2. Магнитострикция магнитных материалов

Во время намагничивания ферромагнетиков, при смещении границ доменов и повороте их магнитных моментов происходит изменение расстояний между атомами кристаллической решётки, и образец материала меняет свои размеры. Это явление называется магнитострикцией.

Магнитострикционными свойствами обладают никель и сплавы железа с кобальтом. При перемагничивании их длина изменяется на сотые доли процента, что уже позволяет использовать их для генерации ультразвука в аппаратах эхолокации — сонарах и установках дефектоскопии сварочных швов и отливок.

Редкоземельные элементы (тербий, диспрозий, туллий, гольмий, эрбий) и их соединения обладают чрезвычайно высокой магнитострикцией, получившей название «гигантской магнитострикции». При намагничивании поликристаллов тербия и диспрозия их удлинение составляет 0,3 %, а монокристаллов — 2%.

Столь значительные величины магнитострикции редкоземельных элементов объясняются особенностями строения атомов, образующих их кристаллические решётки. Их электронные облака имеют не сферическую, а сильно вытянутую недеформируемую форму. Под действием внешнего магнитного поля электронное облако каждого атома поворачивается и как бы раздвигает соседние атомы, сильно деформируя, растягивая всю кристаллическую решётку. В ферромагнетиках типа железа деформация решётки проявляется значительно слабее, так как его атомы имеют почти сферические электронные оболочки, которые при ориентации атомов по внешнему магнитному полю слабо деформируют кристаллическую решётку и не вызывают заметных растяжения или сжатия её.

Вводя ионы редкоземельных элементов в кристаллы ферромагнетика можно придавать ему нужные магнитострикционные свойства. Изготовляются такие материалы методами порошковой металлургии, позволяющими придавать изделиям любую, самую сложную форму.

Гигантскую магнитострикцию можно использовать для конструирования управляемых электрическим током механических приводов особо точных механизмов, в которых необходимо получить малые, но строго контролируемые перемещения. Гигантская магнитострикция влияет на свойства материалов, обладающих ею: она изменяет скорость звука в материале, делая её зависимой от напряжённости внешнего магнитного поля, изменяет коэффициенты теплового расширения материалов, которые могут быть сведены к нулю или регулироваться магнитным полем, что позволяет конструировать изделия, не меняющие свои размеры при нагреве.

6.3. Основные характеристики магнитных материалов

К ривая намагничивания — зависимость магнитной индукции В в материале от напряжённости Н внешнего магнитного поля (рис. 6.4), отражающая процесс намагничивания ферромагнетика.

П

Рис. 6.4. Кривая намагничивания ферромагнетика и зависимость его относительной магнитной проницаемости  от напряжённости Н внешнего магнитного поля

ри малых напряжённостях поля (зона I) домены лишь начинают ориентироваться по внешнему полю, магнитная индукция возрастает почти пропорционально увеличению напряжённости. При больших напряжённостях поля (зона II) домены активно ориентируются по внешнему полю, магнитная индукция быстро увеличивается, но затем её рост замедляется.

П ри дальнейшем увеличении напряжённости внешнего магнитного поля (зона III) все домены ферромагнетика ориентированы по нему и при дальнейшем росте напряжённости магнитная индукция более уже не увеличивается. Материал находится в состоянии магнитного насыщения.

На рис. 6.5 показаны кривые намагничивания некоторых магнитных материалов.

В

Рис. 6.5. Кривые намагничивания: 1 — электротехнической стали ; 2 — пермаллоя;

3 — литой стали; 4 — чугуна

идно, что стальное литьё (кривая 3) достигает магнитного насыщения при более высоких значениях индукции В, чем чугун (кривая 4). Электротехническая сталь (кривая 1) достигает насыщения при весьма значительных значениях индукции. Чем круче поднимается кривая намагничивания материала, тем меньшая напряжённость Н внешнего магнитного поля требуется для создания в нём заданной индукции (кривая 2).

Магнитная индукция в электрических машинах и электромагнитных устройствах выбирается в зависимости от заданных условий. Если нужно, чтобы колебания намагничивающего тока в обмотке мало влияли на магнитный поток машины или аппарата, то выбирают индукцию, соответствующую режиму насыщения. Если же необходимо, чтобы магнитный поток изменялся пропорционально намагничивающему току (например, в измерительных приборах), то выбирают индукцию, соответствующую прямолинейному участку кривой намагничивания.

Магнитная проницаемость  с увеличением напряжённости магнитного поля Н (см. рис. 6.4) возрастает от некоторого начального значения _нач до максимального _макс , соответствующего максимальной скорости нарастания индукции, а затем резко уменьшается, стремясь к значению, близкому к единице. Таким образом, при насыщении магнитная проницаемость ферромагнетиков приближается к магнитной проницаемости неферромагнитных материалов.

Петля гистерезиса — важнейшая характеристика свойств ферромагнитных материалов при перемагничивании — процессе, протекающем в электрических машинах и электромагнитных устройствах, работающих на переменном токе.

Н

Рис. 6.6. Петля гистерезиса — характеристика ферромагнетика при перемагничивании: В_S — индукция насыщения; В_r — остаточная индукция; Н_с — коэрцитивная сила

а рис. 6.6 показана зависимость индукции В при намагничивании и размагничивании ферромагнитного материала в зависимости от величины и знака напряжённости Н магнитного поля. Если образец материала намагничивать, постепенно повышая напряжённость магнитного поля, то магнитная индукция тоже будет возрастать в соответствии с кривой намагничивания. Начиная от точки 0 , индукция В возрастает и при некоторой напряжённости +Н достигает значения индукции насыщения +В_S .

При уменьшении напряжённости Н магнитная индукция В тоже будет уменьшаться, но её значения будут значительно большими по сравнению со значениями В на начальной кривой намагничивания при тех же напряжённостях. Когда напряжённость магнитного поля Н станет равной нулю, в ферромагнитном материале сохранится некоторая остаточная магнитная индукция +В_r.

Чтобы размагнитить материал, нужно изменить направление напряжённости магнитного поля на –Н и увеличивать её, пока индукция В магнитного поля не станет равной нулю. Напряжённость поля Н_с, необходимая для полного размагничивания материала, называется коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении напряжённости поля –Н магнитная индукция –В будет расти. При некотором значении напряжённости она достигнет величины индукции насыщения –В_S и более увеличиваться уже не будет.

Если уменьшать напряжённость поля –Н до нуля, а затем увеличивать её в сторону +Н , то и магнитная индукция снизится сначала до остаточной –В_r , а затем возрастёт до индукции насыщения +В_S .

Характеристика изменения индукции В при намагничивании и размагничивании ферромагнитного материала в зависимости от величины и знака напряжённости Н магнитного поля представляет собой замкнутую кривую, называемую петлёй гистерезиса. Индукция насыщения В_S , остаточная индукция В_r , коэрцитивная сила Н_с позволяют судить о свойствах магнитного материала.

Магнитные характеристики основных ферромагнитных материалов приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Магнитные характеристики основных магнитных материалов.

Материал	нач	макс	Нс , А/м	Вr , Тл	ВS , Тл
Железо Кобальт Никель	10000 70 110	200000 250 600	4 800 56	1,30 0,49 0,40	2,15 1,70 0,61