12.2. Ферромагнитные материалы в постоянном магнитном поле

Основной характеристикой магнитного материала является кри­вая намагничивания, под которой принимают зависимость магнит­ной индукции В от напряженности магнитного поля Н.

2

Вид этой кри­вой соответствует теории доменной структуры ферромагнитных матери­алов. При малых значениях напря­женности внешнего магнитного поля происходит рост доменов, на­правление намагниченности кото­рых близко к направлению поля, за счёт уменьшения других доменов на участке ОА (рис. 96) кривой намагничивания изменения границ доменов происходит плавно и являются обратимыми, т.е. исчезают с исчезновением внешнего поля.

Рис. 96. Основная кривая намагничивания

Наклон этого участка определяется величиной начальной магнитной про­ницаемости μ_н. С увеличением внешнего поля (участок АВ) измене­ние границ доменов происходит скачкообразно. Векторы намагни­ченности скачком поворачиваются на 90° или 180° в зависимости от направления их начальной ориентации в сторону оси легкого на­магничивания, наиболее близкой к направлению внешнего поля. До­мены, изменившие направление намагниченности, сохраняют новое направление после прекращения действия поля; этим объясняется явление остаточного магнетизма. Вблизи «колена» кривой намаг­ничивания (точка В) весь кристалл становится однодоменным. Маг­нитный материал на участке АВ характеризуется максимальной маг­нитной проницаемостью μ_mах.

Дальнейшее увеличение внешнего поля (участок ВС) приводит постепенному повороту вектора намагниченности, который прибли­жается к направлению внешнего поля. При этом направление на­магниченности отклоняется от оси легкого намагничивания. Когда векторы Н и J станут параллельными, материал будет насыщен, и его индукция

Такое состояние, называемое техническим насыщением, наступает при напряженностях, в десятки и даже в сотни раз превышающих на­пряженности, которые создаются обмотками магнитных элементов при их нормальной работе.

3

Если дальше повышать величину внешне­го поля возможен парапроцесс, заключающийся в ориентации полем спиновых магнитных моментов, дезориентированных тепловым дви­жением (область СD). При этом величина спонтанной намагничен­ности J стремится к наибольшему возможному значению. Этот про­цесс обусловливает дальнейшее увеличение индукции. Кроме того, в соответствии с формулой. В = μ₀ (Н + J) индукция продолжает расти вследствие роста напряженности Н. Поэтому, строго говоря, конеч­ного значения индукции насыщения не существует, но в целях опре­деленности за В_s принимают значение, определяемое формулой (а).

Кривую (см. рис. 96) называют начальной кривой намагничива­ния или основной. Если после насыщения уменьшить внешнее поле, произойдет уменьшение индукции вследствие вращения вектора J в сторону ближайшей оси легкого намагничивания. При Н = 0 векторы J в каждом кристалле примут направление лёгкого намагничивания, а индукция будет равна остаточной индукции В_r (рис. 97).

Рис. 97. Статистическая петля гистерезиса

При создании внешнего поля противоположного направле­ния вследствие необратимого скачкообразного изменения границ доменов в отдельных зернах материала происходит дальнейшее уменьшение индук­ции.

При значении поля, равном коэрцитивной силе — Н_с, ин­дукция материала равняется нулю. В полях, больших коэрцитивно­го, индукция становится отрицательной и достигает индукции на­сыщения — В_s, когда векторы намагниченности всех доменов со­впадут по направлению с отрицательным полем — Н_s.

При циклическом изменении напряженности внешнего поля Н зависимость В = f(Н) принимает вид петли магнитного гистерезиса. При дальнейшем уменьшении магнитного поля до нуля и последую­щем изменении его до -Н_т и +Н_т магнитная индукция изменяется по симметрично замкнутой кривой, называемой предельной петлей гистерезиса (статическая петля). 4

Как видно из рисунка 97, при уменьше­нии напряженности поля Н до нуля индукция в металле сохраняется до определенной величины, называемой остаточной индукцией В_r. При изменении знака поля Н и его увеличении намагниченность материала обращается в нуль при определенном значении напряжен­ности магнитного поля, получившем название коэрцитивной силы Н_с. Коэрцитивная сила Н_с, остаточная индукция В_r, начальная μ_н и максимальная магнитная проницаемость μ_mах являются основными магнитными параметрами ферромагнитных материалов, определя­емыми по предельной петле гистерезиса и основной кривой намаг­ничивания. Остаточная индукция В_r и коэрцитивная сила Н_с опре­деляют величину остаточного магнитного поля рассеяния после на­магничивания материала и характеризуют свойства магнитотвердых материалов для постоянных магнитов.

Относительные начальная и максимальная проницаемости определяются из нелинейной кривой зависимости магнитной проницаемости μ от напряжённости магнитного поля Н (рис. 98).

Рис. 98. Зависимость магнитной проницаемости от напряжённости.

Для построения этой кривой используют значения В и Н основной кривой намагничивания. Тогда кривая магнитной проницаемости μ = В/μ₀, где μ₀ – магнитная постоянная. Начальная магнитная проницаемость характеризует свойства материалов в слабых магнитных полях, а максимальная – в полях с напряжённостью, несколько большей величины коэрцитивной силы Н_с. В разных ферромагнетиках коэрцитивная сила разная. Материалы с большой коэрцитивной силой называют маг­нитотвердыми, а с малой — магнитомягкими.

К наиболее употребительным магнитомягким материалам мож­но отнести технически чистое железо, электротехнические листовые стали, пермаллой, магнитомягкие ферриты и другие материалы. К магнитотвердым материалам можно отнести углеродистые стали, легированные конструкционные стали (хромистые, вольфрамовые), а также специальные сплавы для постоянных магнитов. 5

Значения магнитных пара­метров В_r и Н_с обычно относят к предельной петле гистерезиса, когда поле достигает значения В_т, а индукция — В_s. При мень­ших значениях магнитного поля перемагничивание материала осуществляется по так называе­мым частным циклам гистерези­са (рис. 99), образующим семей­ство петель гистерезиса, прохо­дящих внутри предельной гистерезисной петли. Площади, ограниченные петлями гистерезиса, пропорциональны работе, затрачиваемой на перемагничивание единицы объема ферромагнитного материала за один цикл перемагничивания. Расходуемая энергия превращается в тепло, иду­щее на нагревание сердечника.

Рис. 99. Семейство частных циклов гистерезиса