1.3.3 Ферромагнитные материалы и их свойства. Намагничивание и перемагничивание ферромагнетиков
Индуктивности электрических контуров, а также магнитные сопротивления магнитных цепей, зависят от магнитных свойств среды, в которой существует магнитное поле.
Особую группу веществ по характеру реакции на воздействие магнитного поля составляют железо, кобальт, никель и некоторые другие материалы и сплавы. Во внешнем относительно слабом магнитном поле они способны приобретать большую намагниченность. Эти металлы объединяют названием ферромагнетики, а явления, связанные с их намагничиванием, называют ферромагнетизмом.
Вещества, имеющие высокое значение магнитной восприимчивости, называют ферримагнитными, или магнитными.
К ним относятся железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni), редкоземельные элементы : гадолиний (Gd), диспрозий (Dy) и др., а также сплавы на базе этих элементов.
У ферромагнетиков нет линейной зависимости между магнитной индукцией и напряжённостью поля. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость
не имеют постоянного значения. При этом
где μa=μ0+κ=μμ0 – абсолютная магнитная проницаемость среды. Она слагается из магнитной проницаемости вакуума и магнитной восприимчивости среды. Отношение
называется относительной магнитной проницаемостью среды.
Ферромагнетики имеют кристаллическую структуру. Из опыта известно, что их намагничивание связано только с ориентацией механических моментов движения электронов. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов взаимно уравновешиваются так, что общая намагниченность вещества равна нулю.
Однако достаточно иногда даже очень слабого внешнего поля, чтобы это равновесие было нарушено и ферромагнетик оказался сильно намагниченным. По мере увеличения напряжённости намагниченность возрастает до тех пор, пока не будет достигнуто состояние, при котором магнитные моменты всех доменов будут ориентированы по направлению внешнего поля.
Это состояние называется магнитным насыщением. Дальнейшее увеличение напряжённости поля уже не будет влиять на намагниченность вещества.
Магнитным гистерезисом ферромагнетиков называется отставание изменения магнитной индукции В от изменения напряжённости внешнего намагничивающего поля, обусловленное зависимостью В от её предыдущих значений. Магнитный гистерезис есть следствие необратимых изменений при намагничивании и перемагничивании.
Поместим
стержень из ферромагнитного материала
в катушку с током, а затем, изменяя
напряжённость поля катушки
Н
=
,проследим
за изменением магнитной индукции В.
С увеличением напряжённости магнитная индукция сначала быстро возрастает почти пропорционально напряжённости поля Н (отрезок АБ). На участке БВ рост магнитной индукции замедляется. На участке ВГ, наступает магнитное насыщение стержня, т. е. такое состояние ферромагнитного вещества, при котором рост напряжённости поля не влечет за собой увеличения магнитной индукции.
Таким образом, магнитный материал можно намагничивать только до определённого состояния. Кривая АБВГ называется кривой первоначального намагничивания, которой пользуются при расчёте магнитных цепей электрических аппаратов. При уменьшении напряжённости поля стержень размагничивается и его индукция уменьшается по кривой ГДЕ.
Все ферромагнитные материалы стремятся сохранить возбуждённое магнитное состояние, поэтому кривая их размагничивания лежит выше кривой первоначального намагничивания. Размагничивание стержня (сердечника) как бы запаздывает по сравнению с уменьшением напряжённости поля. Это явление называется магнитным гистерезисом. После отключения тока катушки (когда Н = 0) магнитная индукция равна величине, называемой остаточной индукцией (изображена отрезком АЕ). Если изменить направление тока в катушке и увеличивать напряжённость поля, то стержень сначала будет размагничиваться по кривой ЕЖ.
Значение напряжённости поля обратного направления (отрезок АЖ), при котором магнитная индукция равна нулю, называют коэрцитивной (задерживающей) силой. При дальнейшем увеличении напряжённости стержень перемагничивается до насыщения (точка 3). Кривая размагничивается ЗИ не совпадает с кривой ЖЗ из-за гистерезиса. Отрезок АЕ = —АИ служит мерой остаточного магнетизма в испытуемом стержне. При вторичном изменении направления тока магнитная индукция стержня изменяется по кривой ИКГ. Таким образом, при изменении направления тока магнитная индукция стержня изменяется по кривой ГДЕЖЗИКГ.
Рассмотренный цикл перемагничивания ферромагнетика называется гистерезисным циклом (петлей гистерезиса). Так как при намагничивании ферромагнитный стержень был доведен до насыщения, то полученная петля называется предельной петлей гистерезиса.
При меньших пределах изменения напряжённости внешнего магнитного поля можно получить семейство петель гистерезиса, заключённых внутри предельной петли (рисунок а). Кривая 0-1-2-3-4, проведённая через вершины всех петель гистерезиса, называется основной кривой намагничивания. Она практически совпадает с кривой первоначального намагничивания.
Классификация ферромагнитных материалов. Все ферромагнитные материалы разделяются на магнитомягкие и магнитотвердые. Магнитомягкие материалы (электротехническая сталь, чугун, пермаллой, ферриты и т. д.) обладают малой остаточной индукцией и коэрцитивной силой и имеют круто поднимающуюся основную кривую намагничивания (кривые 1, 2 на рис. б). Поэтому они легко перемагничиваются и имеют незначительные потери энергии от гистерезиса, что удобно для использования их в машинах и приборах переменного тока. Для изготовления постоянных магнитов применяются магнитотвердые материалы (закалённая сталь, сплавы: альнико, альниси, магнико и т.д.), обладающие большой остаточной индукцией, коэрцитивной силой и полого поднимающейся основной кривой намагничивания (кривая 3 на рис. б). Таким образом, зависимость магнитной индукции от напряжённости поля достаточно сложная и не может быть выражена простой расчётной формулой. Поэтому при расчёте магнитных цепей, содержащих ферромагнетики, применяют экспериментально снятые кривые намагничивания Вf(Н) для заданных магнитных материалов.