18.2. Магнитный гистерезис. Работы а.Г. Столетова. Точка Кюри

Слово гистерезис означает запаздывание.

Столетов изучал свойства ферромагнетиков, в частности, процесс их намагничивания.

Процесс намагничивания можно схематически изобразить так(рис. 18.2, 18.3):

Рис. 18.3 [3]. Рис. 18.4 [3].

Если напряженность магнитного поля равна нулю, вещество не вернется в прежнее состояние. Ордината В₀ – остаточная намагниченность.

Остаточная намагниченность В₀ – значение магнитной индукции вещества в отсутствие внешнего магнитного поля.

В опыте Столетова с помощью коммутатора меняли направление тока в соленоиде на противоположное и изменяли его величину. При некотором значении напряженности магнитного поля вещество полностью размагничивалось. Значение внешнего поля, при котором вещество полностью размагничивается, называется коэрцитивная сила Н_с.

Изменение индукции внутреннего поля в ферромагнетике все время запаздывает по отношению к изменению напряженности внешнего магнитного поля. Можно сказать, что ферромагнетик – это такой материал, который обладает “памятью”. Это означает, что все процессы в ферромагнетике зависят от того, что было с ним раньше.

Опыт 18.2. Петля гистерезиса для парамагнетиков.

Цель работы:

Продемонстрировать петлю гистерезиса

Оборудование:

1. Трубка электронного осциллографа с двумя катушками

2. Ферромагнитные сердечники

Рис.18.5.

Ход работы.

Петлю гистерезиса для ферромагнетиков можно наблюдать при помощи трубки электронного осциллографа, у которого имеется две пары отклоняющих катушек: вертикального и горизонтального отклонения.

1. Если подать на них одинаковое напряжение, то на экране будет наблюдаться прямая линия, наклоненная под углом к горизонтали.

2. Если затем в катушки вертикального отклонения, они расположено горизонтально, вставить ферромагнитные сердечники, тогда на экране осциллографа петля гистерезиса, поскольку вертикальное отклонение будет пропорционально индукции магнитного поля.

Вывод:

Продемонстрировали петлю гистерезиса для парамагнетиков.

Опыт 18.3.Точка Кюри[8,9].

Оборудование:

1. Магнит постоянный.

2. Шуруп или гвоздь железный на нихромовой проволоке.

3. Штатив универсальный.

4. Горелка газовая.

5. Осветитель для теневой проекции.

Рис. 18.6.

Выводы: когда температура шурупа достигнет точки Кюри, он потеряет свои ферромагнитные свойства, перестанет притягиваться и отпадет от магнита: проволока, на которой он подвешен, займет вертикальное положение.

18.3. Магнитные материалы и их применение

• сильные электромагниты для поднятия грузов,

• слабые электромагниты используются в электромагнитных реле,

• магнитная очистка воды,

• устройства из ферромагнетиков применяют в вычислительной технике для записи, хранения и считывания информации.

Материалы с большой коэрцититивной силой (более 1000 А/м) называются магнитотвердыми материалами. Они используются в качестве постоянных магнитов. Свойства постоянного магнита характеризуются кривой размагничивания гистерезисного цикла. Эта кривая может быть получена при намагничивании до насыщения замкнутого сердечника из ферромагнитного материала с последующим размагничиванием до нуля Качество материала, используемого для изготовления магнитов, в некоторой степени определяется произведением остаточной индукции (В_r) и коэрцитивной силы (H_c). Чем больше это произведение, тем лучше подходит магнитный материал для изготовления постоянных магнитов.

Магнитомягкие материалы используются в энергетике в качестве разнообразных магнитопроводов в трансформаторах, электрических машинах, электромагнитах и т.д.

Для уменьшения потерь на гистерезис выбирают материалы с пониженной коэрцитивной силой, а для уменьшения вихревых токов магнитопроводы собирают из отдельных пластин и используют металлы с повышенным удельным сопротивлением. Дело в том, что ЭДС самоиндукции, благодаря которой возникают вихревые токи, пропорциональна площади поперечного сечения контура. При рассечении площади n изолированными пластинами в каждой пластине наводится уменьшенная в n раз ЭДС. Мощность потерь при протекании вихревого тока пропорциональна квадрату напряжения (ЭДС) и обратно пропорциональна удельному сопротивлению. Поэтому уменьшение ЭДС в каждой из отдельных пластин и использование металлов с повышенным удельным сопротивлением приводит к уменьшению общих потерь.

Основной наиболее широко используемых в электротехнике магнитных материалов является низкоуглеродистая электротехническая сталь. Она выпускается в виде листов, толщиной от 0,2 мм до 4 мм, содержит не выше 0,04% углерода и не выше 0,6% других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости μ_max ~4000, коэрцитивной силы H_c ~65-100 А/м. Наблюдается интересная закономерность: чем чище железо и чем лучше оно отожжено – тем выше магнитная проницаемость и тем ниже коэрцитивная сила. Для особо чистого железа эти параметры составляют: более 1 миллиона и менее 1 А/м, соответственно.

Если к железу добавить никель, то полученные материалы будут обладать повышенной магнитной проницаемостью. Такие сплавы называются пермаллои, они используются для изготовления сердечников малогабаритных силовых и импульсных трансформаторов. Практически такие же результаты по магнитной проницаемости можно получить, добавляя к железу кремний (9.5%) и алюминий (5.6%). Такие сплавы называются альсиферами.

Практически отсутствуют потери на вихревые токи в ферритах. Дело в том, что ферриты представляют собой оксидную керамику MeO+Fe₂O₃, которая является диэлектриком, либо полупроводником. Типичное удельное сопротивление феррита 10³-10⁴Ом·м. Это на 9-10 порядков превышает сопротивление металлов. Ясно, что вихревые токи в таком материале не возникнут. Магнитная проницаемость у ферритов обычно ниже, чем у стали и не превышают нескольких сотен, хотя есть ферриты с проницаемостью до нескольких тысяч. Применение в энергетике магнитомягких ферритов – высокочастотные трансформаторы, в ряде материалов потери малы вплоть до частот гигагерцевого диапазона. Однако при этом и магнитная проницаемость уменьшается до десятков.

Большую роль играют ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Они используются в качестве логических элементов в ЗУ, в качестве термодатчиков. Основной параметр – коэффициент прямоугольности пели гистерезиса, представляющий собой отношение остаточной индукции к максимальной, измеренной при Н=5 H_C. Желательно, чтобы этот коэффициент был ближе к 1.

Магнитные материалы применяются в технике для изготовления магнитопроводов, постоянных магнитов, носителей информации (магнитные диски, барабаны, ленты) и т.п.

С прогрессом электронной техники предъявляются новые требования к магнитным материалам. Это обусловлено и миниатюризацией устройств, и необходимостью разработки запоминающих и логических элементов большой емкости и быстродействия при малом весе. Необходимы магнитные материалы, прозрачные в оптическом диапазоне, обладающие большой коэрцитивной силой, намагниченностью насыщения, сочетающие в себе магнитные и полупроводниковые свойства. Многие такие материалы можно создать на основе редкоземельных материалов.

В ЭВМ вся информация хранится в виде двоичного кода, то есть в виде комбинации нулей и единиц. Ферромагнетик может быть либо намагничен, либо – нет. Этим состояниям вещества соответствует значение бита информации. Таким образом, если создать в магнитном материале последовательность намагниченных и ненамагниченных зон, то он будет полностью отображать заложенную в него информацию, которую впоследствии можно неоднократно считывать и изменять.

На различных этапах создания ЭВМ в качестве запоминающих устройств (ЗУ) применялись магнитные барабаны, магнитные ленты, магнитные диски. Одним из современных ЗУ является ЗУ на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД). В них в качестве магнитоактивной среды используется феррит - гранатовая пленка, в которой вектор намагниченности направлен перпендикулярно поверхности пленки (рис. 18.5).

Рис. 18.7.

Для считывания информации используют эффект Фарадея. Он заключается в том, что при прохождении поляризованного света через магнитоактивную среду плоскость поляризации света поворачивается, причем направление угла поворота зависит от направления намагниченности пленки. Тогда в системе поляризатор – анализатор (рис. 18.6) получается контрастная картина, в которой областям пленки с различными направлениями намагниченности соответствуют различные значения интенсивности прошедшего через эту систему светового потока. Применение фотоприемника позволяет преобразовать световой сигнал в электрический.

Рис. 18.8.

Для генерирования цилиндрических магнитных доменов используется тонкие магнитные пленки феррит – гранатов R₃Fe₅O₁₂ и ортоферритов RFeO₃. Первые содержат домены с размерами до 1 мкм, что позволяет получить плотность размещения информации до 107 бит/см², вторые обладают рекордно высокими скоростями передвижения до 104 м/с.

Осуществление логических операций с помощью цилиндрических магнитных домен - устройств основывается на возможности движения цилиндрических магнитных доменов в пленке в двух, трех и т.д. напралениях.

В технике обычно используется многокристаллические пленки, выращиваемые на немагнитной подложке; кристаллическую структуру и постоянную решетки подложки подбирают в соответствии с требуемой структурой получаемой пленки.