2.3. Намагничивание ферромагнитных материалов

Материалы, обладающие большой магнитной проницаемостью, называются ферромагнитными. Оказавшись во внешнем магнитном поле, эти материалы значительно усиливают его. Это явление упрощенно мож­но объяснить таким образом.

Ферромагнитные материалы состоят из областей самопроизволь­ного намагничивания. Магнитное состояние каждой из таких областей характеризуется вектором намагниченности. Векторы намагничен­ности отдельных областей (доменов) ориентированы случайным обра­зом. Поэтому намагниченность ферромагнитных тел в отсутствие внешнего магнитного поля не проявляется.

Если же ферромагнитное тело поместить во внешнее магнитное поле, то под его воздействием произойдут изменения, в результате которых векторы намагниченности отдельных областей самопроизволь­ного намагничивания будут ориентированы в направлении внешнего поля. Индукция результирующего магнитного поля будет определять­ся как индукцией внешнего поля, так и магнитной индукцией отдель­ных доменов, т.е, результирующее значение индукции будет намного превышать ее начальное значение. Таким образом, суммарное магнитное поле значительно превысит внешнее поле.

Рис. 13

Магнитное состояние ферромагнитного материала зависит от величины напряженности внешнего магнитного поля и характеризуется кривой намагничивания. Рассмотрим процесс намагничивания ферро­магнитного сердечника, помещенного в катушку с током (рис. 13).

Предположим сначала, что сердечник на рис.13 отсутствует. Тогда при уве­личении тока в катушке магнитная индукция будет меняться по ли­нейному закону, так как в этом случае (рис. 14).

Рис. 14

Теперь будем полагать, что катушка имеет сердечник, который в исходном состоянии размагничен (рис.13). К катушке подведено напряжение (при замкнутом ключе SA) от источника э.д.с. Е. Величину тока можно регулировать с помощью реостата R_Р (переменного сопротивления), а силу тока I  измерять амперметром РА.

По мере увеличения тока в катушке магнитная индукция в сердеч­нике быстро возрастает (участок 0 - 1 кривой намагничивания на рис.14), Это объясняется ориентацией векторов намагниченности ферромагнитного сердечника. Затем интенсивность ориентации замед­ляется (участок 1 - 2 кривой намагничивания); точка 2 соответствует магнитному насыщению, т. е. при некотором значении напряжен­ности поля Н_нас все домены сориентированы, и при дальнейшем увеличении тока в катушке индукция поля растет так же, как она росла бы при отсутствии сердечника. Участок 12 (называют «колено» кривой намагничивания) является рабочим и его используют при расчете магнитной цепи.

2.4. Циклическое перемагничивание

Если через катушку пропускать ток (рис. 13) изменяющий свое направление, то сердечник будет перемагничиваться. Рассмотрим этот процесс. При увеличении тока в катушке (рис. 13) магнитная индукция увеличивается до индукции насыщения (рис.15, точка а).

Рис. 15 Рис. 16

При уменьшении тока магнитная индукция будет уменьшаться, но так, что при тех же зна­чениях Н она окажется больше. Это объясняется тем, что часть доменов еще сохраняет свою ориентацию. Таким образом, при Н = 0 в сердеч­нике сохраняется магнитное поле, характеризуемое остаточной индук­цией B_r, (точка б). При увеличении тока в противоположном направ­лении (знаки э.д.с. на рис. 13 показаны в скобках) магнитное поле катушки будет компенсировать магнитное поле, созданное доменами сердечника. При напряженности поля (точка в), которая называется коэрцитивной силой, ре­зультирующая магнитная индукция окажется равной нулю. Даль­нейшее увеличение тока в катушке вызовет перемагничивание сер­дечника, т. е. поворот векторов намагниченности на 180˚. При некотором значении Н (точка г) сердечник снова будет насыщаться. При уменьшении тока в катушке до нуля индукция будет уменьшаться до остаточной индукции (B_r, точка д). Увеличение тока в положительном на­правлении (знаки э.д.с. на рис. 13 показаны без скобок) вызовет намагничивание сердечника до исходного состоя­ния (точка а). Полученная кривая называется петлей гистерезиса (запаздывания). Участок Оа характеристики на­магничивания называется основной кривой намагничивания. Процесс перемагничивания связан с затратами энергии и сопро­вождается выделением тепла. Энергия, которая затрачивается за один цикл перемагничивания, пропорциональна площади, ограниченной петлей гистерезиса. Площадь петли кривой В = µ_аН зависит от частоты перемагничивания и с ростом частоты эта площадь увеличивается (изза вихревых токов), что приводит к увеличению потерь на перемагничивание (т.е. потерь в стали сердечника магнитопровода). С целью уменьшения потерь от вихревых токов сердечники делают наборными, состоящими из тонких листов ферромагнитного материала, изолированных друг от друга и размещенных вдоль пути магнитного потока.

В зависимости от вида петли гистерезиса ферромагнитные материа­лы подразделяются на магнитномягкие и магнитнотвердые.

Магнитномягкие материалы обладают круто поднимающейся ос­новной кривой намагничивания и относительно малыми площадями гистерезисных петель (рис.16, а и рис.16, б). К магнитномягким материалам относятся: листовая (с толщиной листа 0,2...0,6 мм.) электротехническая сталь (состав  железо, с небольшой добавкой кремния), пермаллои, ферриты. Область применения магнитомягких материалов  сердечники трансформаторов, электрических машин и других электротехнических устройств.

Для магнитнотвердых материалов характерны пологость основной кривой намагничивания и большая площадь гистерезисной петли (рис. 16, в).

Особенностью этих материалов является способность длительное время сохранять намагниченность, так как они имеют большую величину остаточной индукции. Изготавливают их на основе железа с добавками никеля, алюминия, кобальта, самария и др. Область использования  там, где требуется создать постоянное магнитное поле при минимально возможных габаритах и массе источника этого поля. Например, в электрических двигателях используют постоянные магниты в качестве полюсов, в вычислительной технике, в автоматике, в устройствах звукозаписи и звуковоспроизведения, при изготовлении магнитных лент, магнитных барабанов, дисков, дискет и др.