годным, и тело последовательно переходит в однодоменное состояние. Как правило, такой переход происходит при размерах частиц в десятки нанометров (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Последовательное изменение доменной структуры при уменьшении размеров ферромагнитного тела:

а – многодоменная; б – двухдоменная; в – однодоменная

Наличие в ферромагнетике доменных структур влияет на процессы намагничивания и магнитные свойства магнитных материалов.

§ 1.4. Намагничивание ферромагнетиков внешним магнитным полем

В размагниченном состоянии каждый ферромагнетик, обладающий доменной структурой, характеризуется отсутствием намагниченности (магнитной индукции), что связано с равенством объемов доменов с противоположной ориентацией магнитных моментов. Рассмотрим кристалл ферромагнетика, имеющий доменную структуру, приведенную на рис. 1.5, а. Приложение внешнего магнитного поля приводит к появлению и изменению магнитной индукции (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Изменение доменной структуры и направления намагниченности доменов при увеличении напряженности магнитного поля:

а – при отсутствии магнитного поля; б–д – при последовательном увеличении напряженности внешнего магнитного поля

26

менение индукции может происходить скачкообразно*, как это показано в выделенном фрагменте на рис. 1.7.

Для некоторой точки А (ее положение на кривой В(Н) можно найти, проведя к ней касательную, проходящую через начало координат) напряженность поля НА имеет значение, при котором достигается максимальная магнитная проницаемость μ = μм. Аналитически НА соответствует максимуму отношения B H . Точка А условно характеризует границу области II.

Приложение магнитного поля напряженностью, соответствующей области III, приводит к исчезновению доменных границ в кристалле (рис. 1.6, г). При увеличении Н вектор намагниченности в доменах разворачивается от направления ОЛН к направлению намагничивающего поля (рис. 1.6, д) и наступает техническое насыщение материала. Это состояние, наступающее при напряженности поля НS, характеризуется значением намагниченности, рав-

ным намагниченности технического насыщения** MS, и значением индукции, равным индукции технического насыщения*** (BS). Магнитная проницаемость в этой области при дальнейшем повышении Н уменьшается от максимального значения μм. Зависимость μ(Н) может быть построена на основе зависимости В(Н). Значение μ(Н) пропорционально значению тангенса угла наклона секущей, проведенной через начало координат и любую точку на кривой В(Н).

Начало области IV соответствует напряженности магнитного поля НS, увеличение напряженности магнитного поля практически не приводит к увеличению индукции. Дальнейший рост В обуслов-

*Эффект скачкообразного изменения магнитной индукции при увеличении напряженности поля называют эффектом Баркгаузена.

**Намагниченность технического насыщения – намагниченность магнитного материала, подвергнутого воздействию такого внешнего магнитного поля, при увеличении напряженности которого намагниченность не может быть существенно повышена.

***Индукция технического насыщения – значение индукции магнитного материала, определяемое экстраполяцией из области напряженностей магнитных полей, соответствующих намагниченности технического насыщения, к нулевому значению напряженности поля.

28

лен изменением намагниченности за счет ориентации по направлению поля магнитных моментов отдельных атомов (ионов), дезориентированных тепловым движением, и за счет вклада в значение магнитной индукции слагаемого μ0Н (см. (1.6)). Значение магнитной проницаемости продолжает снижаться с ростом Н.

Зависимость, аналогичная приведенной на рис. 1.7, может быть построена для намагниченности. Область IV при изменении напряженности намагничивающего поля от значения НS и выше называют парапроцессом.

Работа большинства магнитных материалов связана с воздействием на них внешних периодических знакопеременных магнитных полей. Реакция магнетика на их действие может быть описана на основе эффекта магнитного гистерезиса – неоднозначной зависимости магнитной индукции (намагниченности) магнитного материала от напряженности внешнего магнитного поля при его квазистатическом* изменении.

Замкнутую кривую, выражающую зависимость магнитной индукции (намагниченности) материала от амплитуды напряженности магнитного поля при периодическом достаточно медленном изменении последнего, называют петлей магнитного гистерезиса по индукции (намагниченности) (рис. 1.8).

Если магнитный материал перемагничивается медленно меняющимся магнитным полем с амплитудой НS, то магнитный гистерезис описывается предельной петлей – симметричной петлей магнитного гистерезиса, максимальное значение намагниченности которой соответствует намагниченности технического насыщения (кривая 1 на рис. 1.8). В остальных случаях, когда амплитуда Н ˂ НS, перемагничивание магнитного материала характеризуется петлями магнитного гистерезиса, расположенными внутри кривой 1 и имеющими характерный вид (кривые 2 и 3 на рис. 1.8). По мере уменьшения амплитуды поля вид петли магнитного гистерезиса все больше приближается к эллипсу. Аналогичную кривую можно построить в координатах «намагниченность от напряженности внешнего магнитного поля» – М(Н).

* Под квазистатическим магнитным полем имеется в виду периодическое достаточно медленно изменяющееся магнитное поле.

29

где kг – коэффициент, зависящий от свойств материала; n – показатель, зависящий от амплитуды индукции (n = 1,6 для Bm = 0,1…1,0 Тл; n = 2 для Bm < 0,1 Тл и для Bm = 1,0…1,6 Тл).

Исходя из (1.9), мощность потерь на гистерезис в магнитном материале (если пренебречь неравномерностью распределения в нем магнитного потока) можно рассчитать следующим образом:

где f – частота перемагничивания магнитного материала; V – объем магнитного материала.

Потери на гистерезис можно уменьшить за счет использования магнитных материалов, имеющих узкую петлю гистерезиса.

Кроме потерь на гистерезис перемагничивание магнитных материалов сопровождается потерями на вихревые токи и дополнительными потерями*.

Мощность потерь на вихревые токи в магнитном материале (пренебрегая неравномерностью распределения в нем магнитного потока) также может быть определена по эмпирической формуле:

(1.11)

где kв – коэффициент, зависящий от удельной электрической про-

водимости материала и конструкции детали, изготовленной из этого материала.

Вихревые токи, индуцируемые в образце магнитного материала, вызывают вытеснение потока индукции к поверхности образца:

где В0 – индукция на поверхности образца; δc – глубина проникновения электромагнитного поля в вещество:

* Дополнительные потери называют потерями на магнитное последействие, они малы, что позволяет пренебрегать ими в подавляющем большинстве случаев; при необходимости их значение определяется экспериментально.

31