§ 40. Влияние температурных условий на магнитные свойства вещества.

Еще со времен Гильберта было известно, что железо и сталь теряют свои магнитные свойства, будучи нагреты до светло-красного каления. Они при этом перестают намагничиваться и не притягиваются магнитом, но при охлаждении восстанавливают свои обычные качества. То же происходит при несколько более высокой температуре с кобальтом и при более низкой — с никкелем. Вообще говоря, переход от магнитного состояния к немагнитному происхо­дит очень быстро, как только температура тела достигает опреде­ленного предела.

152

В виде примера приведем данные, которые были получены: Гопкинсоном во время одного опыта с куском кованого железа. Когда этот материал был подвергнут действию слабого магнитного поля (H=0,3 эрстеда), его магнитная проницаемость непрерывно возрастала с повышением температуры сначала медленно, затем все быстрее и быстрее и так далее, до предельной температуры, которая в описываемом случае оказалась равной 775° С. При этой температуре магнитная проницаемость во много раз больше, чем в случае холодного железа. При дальнейшем нагревании последовала чрезвычайно быстрая потеря магнитных свойств: когда температура поднялась всего только на 11°, т. е. до 786°С, железо сделалось практически немагнитным. Его магнитная проницаемость стала равной 1,1, между тем как при 775°С проницаемость имела значение около 11000. На рисунке 89) представлена графически зависимость  от температуры в данном случае, т. е. при H=0,3 эрстеда.

Здесь весьма отчетливо видно, насколько внезапно магнитная проницаемость данного образца железа падает при приближении температуры его к 786°С. Когда материал был подвергнут дей­ствию сравнительно более сильного поля, переход от магнитного состояния к немагнитному совершался более плавно, но потеря

153

магнитных свойств столь же полная, и происходит это при той же температуре, что и раньше. Гопкинсон назвал ее критиче­ской температурой. На рисунках 90 и 91 представлена зави­симость  от температуры при

H=4 эрстедам,

H=45 эрстедам,

для того же сорта железа, к которому относится и рисунок 89. В случае H=4 эрстедам, по мере повышения температуры еще наблюдается некоторый подъем , и это продолжается приблизительно до 650°. Затем  довольно быстро падает. В случае же Н=45 эрстедам, повышения  по мере повышения температуры совсем не наблюдается. В пределах от 0 до 500°С магнитная про­ницаемость практически сохраняется неизменною, а при дальнейшем нагревании начинает медленно падать и сравнительно медленно же падает до предельного значения =1,1 при температуре в 786° С. Критическая температура различных сортов железа и стали колеблется, как показали исследования, в пределах от 690° до 870°С. У кобальта критическая температура равна приблизительно 1000°, у никкеля —около 310°С.

Из приведенных на рисунках 89, 90 и 91 кривых ясно, что в пре­делах нормальных рабочих температур, встречающихся в обычной электротехнической практике, изменение магнитных свойств железа и стали в зависимости от нагревания настолько ничтожно, что при всякого рода расчетах им можно пренебречь.

На рисунке 92 приведены еще характерные кривые, предста­вляющие результаты наблюдений Гопкинсона над ходом намаг­ничения железа при разных температурах.

Здесь кривая I дает зависимость В от Н при температуре в 10°. Кривая 11 дает ту же зависимость при температуре в 670°. Кривая III построена для

154

температуры около 742°, и, наконец, кривая IV — для температуры около 771°. На рисунке 93 представлены начальные части этих кривых.

Здесь масштаб Н взят нарочно большим, чтобы наглядно показать относительное расположение кривых и их пересечение. Обозначения кривых те же, что и на рисунке 92.

Из всех приведенных кривых отчетливо видно, что чем слабее магнитное поле, воздействующее на железо, тем большее значение имеет повышение температуры в смысле достижения высших степеней намагничения. В этом отношении мы имеем полную ана­логию с влиянием сотрясений на магнитные свойства ферромаг­нитных материалов (см. § 39). В данном случае гипотеза элементарных магнитов дает возможность высказать предположение, что с повышением температуры устойчивость отдельных групп магни­тиков должна уменьшаться, так как при этом возрастает общая подвижность всех молекул тела. Надо полагать, что при прибли­жении к критической температуре эта подвижность настолько уже велика, что достаточно небольших добавочных воздействий со стороны слабой намагничивающей силы для того, чтобы нарушить исходные группировки молекулярных магнитиков и ориентировать их в направлении поля.

155

Есть много данных в пользу того предположения, что при пере­ходе через критическую температуру железо я другие магнитные материалы вообще претерпевают какое-то резкое изменение в своих свойствах. Так, при переходе через критическую температуру резко меняются термо-электрические свойства, а также электрическое сопротивление материала. Далее, железо и сталь, предварительно нагретые выше критической температуры, при остывании темнеют до достижения этой температуры и затем внезапно вспыхивают, проходя через нее. Это последнее явление, открытое Барретом. было им названо рекалесценцией. Выяснилось, что температура рекалесценции как раз и есть температура критическая в магнитном отношении. Совре­менная металлургия в полной мере выяснила сущность того, что про­исходит с железом и другими подобными ма­териалами при переходе через критическую тем­пературу. Именно, при этом происходит очень быстрое изменение мо­лекулярного строения вещества, связанное с превращением одной мо­дификации его (магнит­ной) в другую (немаг­нитную).

Кроме тех изменений магнитных качеств же­леза, которые обнару­живаются немедленно при повышении температуры его, на практике приходится встречаться еще с одним явлением, которое также повидимому обусловливается нагреванием. Речь идет о так называемом старении железа. Этот про­цесс протекает очень медленно при сравнительно низких температурах и выражается между прочим в изменении потерь на гистерезис, которые обычно возрастают с течением времени. Такое возрастание потерь на гисте-

156

резис в прежнее время нередко наблюдалось при работе транс­форматоров переменного тока, для изготовления которых приме­нялось простое железо. Есть основание полагать, что в данном слу­чае мы имеем дело с медленным изменением молекулярного строе­ния железа. Опыт показывает, что процесс старения ускоряется при нагревании. В частности при температурах порядка 150°—200° процесс этот протекает в несколько дней, в то время как при температурах порядка 50° он протекает годы, прежде чем железо придет в некоторое установившееся состояние. В связи с тем, что явление впервые было наблюдено в трансформаторах, сначала высказывалось предположение, что возрастание потерь на гистерезис представляет собою результат некоторой усталости материала, происходящей вследствие непрерывного перемагничивания, подобно усталости упругого тела, подверженного повторным механическим напряжениям. Юинг, однако, показал, что переменное намагниче­ние само по себе не производит никакого действия. Мордей выяснил совершенно определенно, что возрастание потерь на гисте­резис происходит исключительно благодаря длительному нагрева­нию материала. Это было затем подтверждено исследованием Роджета. Для иллюстрации сказанного выше о старении железа приведены на рисунке 94 кривые гистерезиса, полученные Роджетом для некоторого сорта железа при

B_max=4000 гауссов.

Здесь изображены три цикла. Первый характеризует железо в начальной стадии, т. е. до нагревания. Второй — через 19 часов нагревания при 200°. Третий цикл характеризует материал после нагревания при той же температуре в течение 4 дней. За это время был пройден максимум потерь на гистерезис.

В настоящее время в области электрического машиностроения и аппаратостроения вопрос о старении железа потерял свою остроту, благодаря тому, что удалось получить сплавы железа, обладающие весьма устойчивыми магнитными качествами (например, кремнистое железо).