6. Магнитные свойства ферромагнитных материалов. Намагниченность.

Ферромагнитные материалы в электротехнике имеют наиважнейшее значение.

Если в магнитное поле внести ферроманетик, то магнитная индукция в нем значительно возрастает, а сам материал намагничивается. Сущность происходящего процесса заключается в следующем. Ферромагнитное поле состоит из мелких самопроизвольно намагниченных областей, объем которых составляет около 10^-8 см³ (рис.36).

Рис.36

Эти намагниченные области можно представить в виде элементарных двухполюсных диполей, которые создают свои магнитные поля, связанные между собой силами сцепления. Магнитные силы этих областей обуславливаются элементарными электрическими токами, образующимися, главным образом, в результате вращения электронов вокруг собственных осей. При отсутствии внешнего магнитного поля в ферромагнитном теле магнитные силы компенсируют друг друга, т.е. суммарное магнитное поле тела равно нулю. Под действием внешнего поля, эти элементарные магниты ориентируются по полю (поворачиваются), тем самым на одной стороне тела создается один полюс, а на другой – другой полюс. Таким образом, само тело становится поляризованным и создает свое собственное магнитное поле.

С увеличением внешнего поля количество ориентированных элементарных магнитов становится больше, что приводит к возрастанию внутреннего поля. На нижеследующем рисунке изображена кривая изменения намагниченности тела J в зависимости от изменения напряженности внешнего поля Н.

Рис.37

На рис.37а показана схема установки для намагничивания ферромагнитного сердечника. С увеличением тока в катушке пропорционально увеличивается напряженность магнитного поля I .

Если для конкретных значений величины Н измерить или подсчитать соответствующие им значения магнитной индукции В, то можно построить график первоначального намагничивания ферромагнетика, т.е. B = f(H), которая показана на рис.37б участком кривой 0-1.

На участке 0-1 с увеличением напряженности Н, увеличивается магнитная индукция В. Это объясняется тем, что магнитные моменты доменов, ранее ориентированные произвольно, принимают направление внешнего магнитного поля. Затем прирост магнитной индукции за счет внутреннего магнитного поля уменьшается, а далее полностью прекращается, т.е. наступает состояние магнитного насыщения (после точки 1) . Bs-магнитная индукция насыщения.

а б

Рис.38

Намагниченность J тела – величина, характеризующая магнитное поле ферромагнитного тела за счет его поляризации. Намагниченность имеет ту же размерность, что и напряженность магнитного поля, т.е. А/м. Намагниченность тела не может возрастать бесконечно. Если направление поля самопроизвольного намагничивания во всех точках совпадает с направлением внешнего поля , то намагниченность тела достигает своего предельного значения , называемого намагниченностью насыщения (рис.38).

Нелинейный характер кривой намагничивания показывает, что магнитная проницаемость ферромагнитных материалов непостоянна и зависит от напряженности магнитного поля.

При заданной напряженности Н внешнего магнитного поля в неферромагнитной среде магнитная индукция

(4-8)

В ферромагнитной среде к этой индукции внешнего поля(В₀) прибавляется индукция добавочного магнитного поля J . С учетом этого результирующая магнитная индукция

(4-9)

С другой стороны, эта магнитная индукция связана с напряженностью магнитного поля соотношением

(4-10)

Откуда следует, что

. (4-11)

Рис.39

На рис.39 произведено суммирование кривых магнитной индукции внешнего поля (μ₀ Н) и магнитной индукции внутреннего поля тела (μ₀ J). Складывая ординаты функций μ₀ Н и μ₀ J получаем новую функцию, которую называют кривой намагничивания.

Кривая намагничивания может быть разбита на три характерных участка:

1. Участок Оа, на котором магнитная индукция возрастает почти пропорционально напряженности поля;

2. Участок аб, на котором рост магнитной индукции замедляется;

3. Участок за точкой б , где наблюдается слабое нарастание индукции.

Каждый ферромагнитный материал имеет свою кривую намагничивания.

Нелинейный характер кривой намагничивания показывает, что магнитная проницаемость ферромагнитных материалов непостоянна и зависит от напряженности магнитного поля.

Подобный же характер зависимости от Н имеет магнитная проницаемость, начальным значением которой при Н=0 является μ₀ и которая в конечной стадии своего изменения асимптотически стремится к тому же μ₀. Примерный график зависимости μ от Н представлен на рис. б.