1.2. Классификация магнитных материалов

В зависимости от параметров магнитного материала их принято разделять на магнитомягкие (с узкой петлей) и магнитотвердые материалы (с широкой петлей).

Магнитотвердые материалы (магнитожёсткие 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. В последнее время наибольший интерес представляют редкоземельные соединения RCo₅ и R₂Co₁₇, где R — редкоземельный металл (самарий, празеодим, церий); кобальт может быть частично замещен медью или железом. А также магниты на основе неодима химического состава Nd₂Fe₁₄B.

Магнитомягкие материалы характеризуются высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой (менее 4 кА/м) и ма­лыми потерями на гистерезис, что способствует их применению в технике высоких частот.

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.

В этой работе изучаются магнитные свойства ферритов. Ферриты представляют собой химические соединения, в общем случае имеющие формулу МFe₂O₄ , где М - чаще всего двухвалентный ион металла, например, Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Co и Mn. Магнитомягкие ферриты кристаллизуются в кубической системе и имеют структуру шпинели - минерала состава MgAl₂O₄ . Чаще всего применяются ферриты следующих типов:

• MnO•ZnO_x 2Fe₂O3 - марганцево-цинковый феррит;

• Nio•ZnO_x 2Fe₂O3 - никель-цинковый феррит;

• MgO•MnO•2Fe₂O₃ - магний-марганцевый феррит.

Ферриты имеет высокую способность к намагничиванию, а также в отличие от металлических ферромагнетиков обладают полупроводниковыми или диэлектрическими свойствами. Удельное электрическое сопротивление может достигать 10⁹ Ом·см и благодаря этому получаются низкие потери на вихревые токи. Индукция насыщения составляет приблизительно 20-25% от индукции насыщения железа.

Благодаря своим свойствам ферриты получили широкое применение радиотехнике, радиоэлектронике, вычислительной технике. Из ферромагнетиков изготовляют магнитопроводы трансформаторов, сердечники катушек индуктивности, постоянные магниты, экраны и т. п.

1.3. Экспериментальное наблюдение петли гистерезиса

П ринципиальная схема установки представлена на рис. 4. На первичную обмотку трансформатора (Тр) подается переменное напряжение. В цепь первичной обмотки включен резистор с сопротивлением R₁. В сердечнике трансформатора из исследуемого ферромагнитного материала создается переменное магнитное поле, напряженность которого пропорциональна силе тока, идущего через сопротивление R₁. Следовательно, если с резистора R₁ подать напряжение на вход X усилителя осциллографа, то отклонение электронного луча на экране будет пропорционально напряженности Η магнитного поля.

Переменное магнитное поле в сердечнике трансформатора возбуждает в его вторичной обмотке ЭДС индукции, пропорциональную скорости изменения индукции В магнитного поля. Если на вход Υ усилителя осциллографа подать напряжение с конденсатора С, то оно будет пропорционально заряду на этом конденсаторе, который, в свою очередь, пропорционален В (при некоторых условиях, о которых будет сказано ниже). Таким образом, на горизонтальный и вертикальный входы осциллографа одновременно подаются напряжения, пропорциональные соответственно напряженности Η и индукции В магнитного поля. На экране осциллографа будет наблюдаться петля гистерезиса.

Если исследуемый образец выполнен в виде тороида, а первичная и вторичная обмотки трансформатора содержат Ν₁ и N₂ витков соответственно, то при радиусе витка обмотки r_в<<r_т (если толщина тороида гораздо меньше его среднего радиуса r_т) напряженность магнитного поля в тороиде равна

(2.13)

где r_T = (r₁ + r₂)/2, r₁ и r₂ — внутренний и наружный радиусы тороида, I₁ — сила тока в первичной обмотке трансформатора. Падение напряжения на сопротивлении R₁ равно

(2.14)

и пропорционально отклонению электронного луча по горизонтальной оси:

U_x = b_lx. (2.15)

С учетом (2.14) и (2.15) выражение для напряженности магнитного поля может быть записано в виде

, (2.16)

где

. (2.17)

По закону Фарадея ЭДС индукции во вторичной обмотке равна

, (2.18)

где Φ — поток вектора магнитной индукции В сквозь один виток вторичной обмотки,

, (2.19)

S - площадь поперечного сечения тороида (а — толщина тороида).

По закону Ома для вторичной обмотки трансформатора имеем

, (2.20)

где U_c - напряжение на конденсаторе, - сила тока во вторичной обмотке, - ее индуктивность. Если электроемкость С и сопротивление R₂ достаточно велики, то

, (2.21)

где q — заряд на обкладках конденсатора.

С учетом (2.21) выражение (2.20) можно переписать:

. (2.22)

Напряжение на конденсаторе U_c равно напряжению U_y, подаваемому на вертикальный усилитель осциллографа:

. (2.23)

Это напряжение пропорционально отклонению электронного луча по вертикальной оси:

. (2.24)

Из выражений (2.23) и (2.22) получаем (опуская знак минус) индукцию магнитного поля:

, (2.25)

где . (2.26)

Изменяя силу тока I₁ в первичной обмотке трансформатора, можно наблюдать изменение петли гистерезиса на экране осциллографа.

По площади петли гистерезиса можно найти работу перемагничивания ферромагнетика, отнесенную к единице объема ферромагнитного образца. Объемная плотность энергии магнитного поля равна

. (2.27)

Элементарная работа, совершаемая в цикле перемагничивания, равна

A_п = dw_B = HdB. (2.28)

Работа за полный цикл перемагничивания

. (2.29)

С учетом (2.24) и (2.29) получаем

, (2.30)

где — площадь петли гистерезиса на экране осциллографа. Следует иметь в виду, что эта площадь измерена в делениях шкалы осциллографа.