2. Основні характеристики магнітних матеріалів

Намагнічування речовини характеризують:

• магнітна індукція В, Тл;

• напруженість магнітного поля Н, А/м;

• намагніченість М, А/м;

• магнітна сприйнятливість k_m;

• магнітна проникність ;

• магнітний потік Ф, Вб

• втрати потужності на гістерезис Р_Г, Вт;

• втрати потужності на вихрові струми Р_f, Вт.

Магнітні властивості матеріалів характеризуються кривою намагнічування та петлею гістерезису.

Крива намагнічування. Процес намагнічування феромагнітного матеріалу під впливом зовнішнього магнітного поля, при Н₁ < Н₂ < Н₃ (рисунок 7.2), полягає в наступному:

• збільшення розмірів тих доменів, магнітні моменти яких складають найменший кут по відношенню до напрямку магнітного поля і, відповідно, зменшення інших доменів (процес зміщення меж доменів) (рисунок 7.2,б);

• поворот магнітних моментів доменів у напрямку зовнішнього магнітного поля (процес орієнтації) (рисунок 7.2,в). Магнітне насичення досягається тоді, коли закінчується ріст розмірів доменів і магнітні моменти усіх доменів будуть орієнтовані у напрямку поля (рисунок 7.2,в).

а б в г

Рисунок 7.2 – Орієнтація спинів у доменах при намагнічуванні феромагнетика: а – зовнішнє магнітне поле відсутнє; б – слабке поле; в – сильне поле; г – насичення.

Протікання процесів намагнічування феромагнітного матеріалу на практиці характеризується кривими намагнічування. Крива намагнічування показує залежність магнітної індукції В матеріалу від напруженості зовнішнього магнітного поля Н.

Основна крива намагнічування (рисунок 7.3) має ряд характерних ділянок, які можна умовно виділити при намагнічуванні феромагнетика. На ділянці І зміна магнітної індукції відбувається за рахунок зміщення меж доменів. На ділянці ІІ відбувається поворот векторів намагніченості доменів у напрямку зовнішнього магнітного поля. Ділянка ІІІ відповідає завершенню процесу намагнічування – тобто повна орієнтація векторів намагніченості доменів у напрямку поля. Ділянка ІV відповідає технічному насиченню речовини.

Рисунок 7.3 – Основна крива намагнічування феромагнетика

Основна крива намагнічування є геометричним місцем вершин петель гістерезису, які одержані при циклічному перемагнічуванні феромагнетика.

Магнітна проникність (відносна магнітна проникність) це величина яка визначає здатність матеріалу до намагнічування. Ця величина безрозмірна. Чим більша величина , тим легше намагнічується матеріал, і навпаки, чим менша величина , тим менше він може бути намагнічений.

М агнітна проникність значно залежить від напруженості Н, яка діє в матеріалі (рисунок 7.4). Тому для оцінки здатності матеріалу до намагнічування треба враховувати початкову магнітну проникність і максимальну проникність .

Рисунок 7.4 – Залежність магнітної проникності від напруженості магнітного поля: 1 – пермалой; 2 – чисте залізо

Користуючись основною кривою намагнічування можна визначити різні види магнітної проникності, які використовуються в техніці для характеристики магнітних матеріалів. Розрізняють абсолютну магнітну проникність

, (7.2)

та відносну магнітну проникність

(7.3)

де В – магнітна індукція матеріалу, Тл;

Н – напруженість зовнішнього магнітного поля, А/м;

₀ – магнітна постійна, ₀ = 1,257 ∙10^-6 Гн/м.

Абсолютна та відносна проникність пов’язані між собою виразом:

. (7.4)

Початкова і максимальна магнітна проникність визначаються як тангенс кута нахилу відповідних ділянок кривої намагнічування (рисунок 7.3, 7.5).

Рисунок 7.5 – Основна крива намагнічування і кути , що характеризують різні типи магнітної проникності

. (7.5)

. (7.6)

Чим вищі значення цих характеристик у даного матеріалу, тим легше він намагнічується. Будь-який магнітний матеріал має магнітні властивості тільки до певної температури (точка Кюрі _К), при досягненні якої магнітні властивості зникають, тобто він не може бути намагніченим. Це обумовлено дезорієнтацією внутрішніх намагнічених областей (доменів) із-за інтенсивного теплового руху його атомів і молекул. У деяких феритів магнітні властивості зникають при _К = 45°С, але є матеріали, у яких _К = 1131 °С (кобальт).

Петля гістерезису. Поведінка магнітного матеріалу в магнітному полі характеризується початковою кривою намагнічування (рисунок 7.6).

Рисунок

Рисунок 7.6 – Крива намагнічування (1) та петля гістерезису (2)

Ця крива показує зміну магнітної індукції В в магнітному матеріалі залежно від напруженості Н. Із розглянутої кривої видно, що магнітна індукція спочатку зростає, потім її ріст сповільнюється, а при досягненні індукції В_S, вона залишається постійною. Кажуть, що магнітний матеріал досяг насичення, а індукцію В_S називають індукцією насичення. Чим більша величина В_S, тим вищі властивості магнітного матеріалу. Магнітна індукція вимірюється в теслах (Тл).

Якщо зразок магнітного матеріалу намагнічувати, безперервно підвищуючи напруженість магнітного поля Н, то магнітна індукція В також буде безперервно підвищуватися по кривій намагнічування. Ця крива починається в точці 0 (рисунок 7.6) і закінчується в точці В_S, що відповідає індукції насичення. При зменшенні напруженості Н магнітна індукція буде також зменшуватися. Починаючи з деякої величини В значення індукції не буде збігатися із значеннями цієї характеристики на початковій кривій намагнічування. Коли напруженість магнітного поля стане рівною нулю, у зразку магнітного матеріалу буде виявлятися залишкова магнітна індукція В_r. Для розмагнічування зразка матеріалу потрібно, щоб напруженість магнітного поля змінила свій напрям на зворотній (-Н). Напруженість магнітного поля Н_С, необхідна для зменшення залишкової індукції до нуля, називається коерцитивною силою.

Якщо після цього зразок магнітного матеріалу намагнічувати далі в протилежному напрямку, то в матеріалі знову буде спостерігатися індукція насичення (-В_S). При подальшому зменшенні напруженості магнітного поля до величини Н=0 і новому намагнічуванні в початковому напрямку індукція буде безперервно збільшуватися до величини індукції насичення В_S. Внаслідок утворюється замкнена петля, яку називають граничною або статичною петлею гістерезису. Гранична петля гістерезису змінюється при повільній зміні постійного магнітного поля від +Н до –H і в зворотному напрямі, коли величина магнітної індукції дорівнює індукції насичення В_S (-В_S).

Магнітний гістерезис – це явище відставання зміни магнітної індукції від напруженості магнітного поля, яка визиває ці зміни.

Дотепер ми розглядали намагнічування матеріалів у постійному магнітному полі. При дії на матеріал змінного магнітного поля отримують динамічну криву намагнічування і динамічну петлю гістерезису.

Відношення амплітудного значення індукції до величини амплітудного значення напруженості магнітного поля називається динамічною магнітною проникністю :

. (7.7)

При низьких частотах і малій товщині магнітного матеріалу динамічна крива намагнічування збігається із статичною кривою. При цьому значення динамічної магнітної проникності практично збігаються зі значеннями проникності, які вирахувані по статичній кривій намагнічування. Динамічна петля гістерезису має трохи більшу площу, ніж статична петля, бо при дії змінного магнітного поля в матеріалі виникають, крім втрат на гістерезис, втрати на вихрові струми та на магнітну післядію.

Із сказаного слідує, що процес перемагнічування матеріалу в змінному магнітному полі пов’язаний із втратами частини енергії магнітного поля, що проявляється у нагріванні матеріалу.

Втрати на гістерезис пов’язані із явищем магнітного гістерезису і з необоротним переміщенням меж доменів. Вони пропорційні площі петлі гістерезису та частоті змінного струму:

, (7.8)

де  – коефіцієнт, який залежить від властивостей матеріалу;

В_max – максимальна індукція на протязі циклу намагнічування, Тл;

n – показник в межах 1,6…2,0;

f – частота, Гц;

V – об’єм зразка, м³.

Втрати на вихрові струми Р_f викликані електричними струмами, що індукуються в матеріалі зовнішнім магнітним полем і в значній мірі залежать від питомого електричного опору  магнітного матеріалу. Чим він більший, тим менше втрат на вихрові струми. Втрати на вихрові струми, пропорційні квадрату частоти f змінного магнітного поля і квадрату магнітної індукції В_mах :

де – коефіцієнт, який залежить від типу магнітного матеріалу і форми виробу із нього.