41 Магнитомягкие материалы в электропромышленности

История современных магнитных материа­лов начинается с одного из практических приме­нений переменного электрического тока — изо­бретения телефона. При увеличении дальности телефонной связи изучались возможности огра­ничения увеличивающегося затухания телефон­ных токов. В 1893 г, О. Хевисайд (Англия) пред­ложил использовать индуктивные катушки с сердечниками из мелких стальных опилок и вос­ка, которые должны были ограничить растущее затухание на телефонной линии. К 1900 г. формулировались основные требования к магнитомягким материалам для техники связи: малые потери, малое искажение передаваемых токов и напряжений, высокая магнитная проницаемость.

С появлением асинхронных машин и разви­тием однофазной и многофазной систем пере­менного тока требования к магнитным материа­лам еще более возросли. От них стали требовать больших значений магнитной индукции насы­щения, малых потерь энергии на гистерезис и вихревые токи и меньшего старения, чем у использовавшейся в то время низкоуглероди­стой стали.

Первым материалом с высокой магнитной проницаемостью было железо, которое в зависи­мости от получаемой в то время чистоты имело начальную проницаемость 200—300. Около 1900 г. был, достигнут значительный прогресс в разработке листовых электротехнических мате­риалов, в которых благодаря присадке кремния удалось существенно снизить потери на гистере­зис и вихревые токи в области высоких магнит­ных индукций. Однако при работе на начальном участке кривой намагничивания эти материалы дают лишь некоторое снижение потерь энергии на вихревые токи, в то время как наиболее важ­ный в данном случае параметр — начальная маг­нитная проницаемость остается практически на том же самом низком уровне.

До 1917 г. в России магнитные материалы в основном ввозились из-за границы, и только в 1915 г. на Верх-Исетском металлургическом за­воде (ВИМЗ) был организован выпуск так назы­ваемой динамной стали (сталь, содержащая до 3 % 8;). По своим свойствам динамная сталь ВИМЗ была не хуже соответствующих марок за­граничных сталей (Германия), Но по количеству и номенклатуре полностью удовлетворить по­требности промышленности ВИМЗ не имел воз­можности.

Бурное развитие промышленности в годы ин­дустриализации потребовало расширения отече­ственного производства магнитных материалов, в первую очередь листовых электротехнических сталей. В этот период ряд уральских заводов осво­или изготовление стали в объеме, полностью удов­летворявшем потребности народного хозяйства.

Параллельно с ростом производства магнит­ных материалов в России ведутся работы по их исследованию. Большой вклад в развитие иссле­дований в области теории магнетизма внесли А.Г. Столетов, Б.Л. Розинг и В,К. Аркадьев,

Впервые в 1892 г, Б.Л. Розинг сделал предпо­ложение о существовании внутренних сил, по­могающих намагничиванию ферромагнетика. Эти силы были названы молекулярным полем. Представления о молекулярном поле, которое также независимо от Б.Л- Розинга было введено П. Вейссом (Франция), позволили объяснить многие макроскопические магнитные явления. Метод молекулярного поля широко использует­ся в науке и в настоящее время. В 1927 г. опыты советского физика Я.Г, Дорфмана показали, что молекулярное поле имеет немагнитную приро­ду. Решение вопроса о природе молекулярного поля, приводящего к возникновению самопро­извольной намагниченности, было найдено в 1928 г. благодаря работам советского ученого Я-И. Френкеля. Согласно теории ферромагнетиз­ма, предложенной Я.И. Френкелем и В. Гайзен-бергом, решающую роль в создании спонтанной намагниченности играют силы обменного взаи­модействия, которые носят чисто квантовый ха­рактер, имеют электростатическую природу и действуют на определенном расстоянии. Таким образом, в большой области кристалла магнит­ные моменты соседних атомов ориентируются параллельно. Эти области получили название доменов.

Теоретическое обоснование модели домен­ной структуры и разработка кваптово-механиче-ской теории магнетизма являются заслугой Л.ДлПандау и Е.М. Лифшица.

Огромное значение в исследовании магнит­ных материалов имели работы В.К. Аркадьева и его школы [10.23]. Еще в 1913 г- В.К. Аркадьев создает учение о магнитодинамике, которое имело большой научный интерес в связи с изуче­нием атомных и ядерных процессов. Под руково­дством В.К. Аркадьева были решены вопросы, связанные с магнитной проницаемостью, позво­лившие исследовать характеристики магнитных материалов, проводить расчет магнитных цепей и создать основы магнитной спектроскопии, имеющей широкое применение в современной радиоэлектронике.

Фундаментальные основы технического на­магничивания были исследованы в работах со­ветских ученых, и в первую очередь И.С. Акуло­ва [10.25], который в 1928 г. открыл закон маг­нитной анизотропии ферромагнитных кристал­лов, при помощи которого он впервые дал теоре­тическое объяснение кривых намагничивания, кривых магнитострикции, термо-, гальвано- и магнитоупругих явлений. Закон анизотропии по­зволил понять роль текстуры в ферромагнетиках и на годы определил развитие науки и техники магнитных материалов. Н.С. Лкулов показал, что обменные силы, ответственные за самопро­извольную намагниченность, не объясняют при­роду магнитной анизотропии, кривых намагни­чивания и гистерезиса. Магнитная анизотропия по Н.С. Акулову объясняется магнитным спин-орбитальным взаимодействием. Магнитокри-сталлическая анизотропия и магнитострикция являются свойствами, от которых в значитель­ной степени зависит кривая намагничивания. Согласно правилу Акулова—Кондорского высо­кую магнитную проницаемость могут иметь ферромагнетики, у которых константы анизо­тропии и магнитострикции малы.

Дальнейшее развитие теория ферромагнетиз­ма нашла в работах Е.И. Кондорского. В частности, он впервые показал зависимость ко­эрцитивной силы от формы частиц ферромаг­нитного тела, разработал теорию зародышей, теории обратимых процессов смещения и др.

Работы С.В. Вонсовского позволили уточнить критерии ферромагнетизма, теории высокой коэрцитивной силы, квантово-механической теории магнитострикции и др.