Механизм технического намагничивания. Магнитный гистерезис.

Процесс технического намагничивания магнитного материала сопровождается изменением его доменной структуры. В размагни­ченном образце направления спонтанной намагниченности доменов совпадают с осями легкого намагничивания. При приложении маг­нитного поля самым выгодным направлением технической намагни­ченности домена будет та его ось легкого намагничивания, которая составляет наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля.

Основная кривая намагничивания. Важнейшей характеристикой Ферромагнетиков является основная кривая намагничивания, описы­вающая зависимость намагниченности М или магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н для предварительного раз­магниченного образца, а также зависимость магнитной проницаемо­сти μ от напряженности магнитного поля Н и предельная петля маг­нитного гистерезиса.

I участок — это область самых слабых магнитных полей (H —> 0) — характеризуется линейной зависимостью В от H и посто­янным значением μ. Процесс намагничивания на этом участке называют процессом об­ратимого смещения границ доменов. На этом участке суммарная на­магниченность образца становится отличной от нуля, и материал характеризуется начальной магнитной проницаемостью μ_н. После снятия внешнего магнит­ного поля границы доменов снова возвращаются в прежнее положение, поэтому остаточная намагниченность не возникает.

II участок — область слабых магнитных полей — характеризуется крутым подъемом В и μ при увеличении H. В конце этого участка магнитная проницаемость проходит через максимум и представляет собой максимальную магнитную проницаемость μ_м. Процесс намагничивания на этом участке называют процессом необратимого смещения границ доменов.

III участок — область средних полей — характеризуется неболь­шим увеличением В и значительным уменьшением μ. Процесс намагничивания на этом участке называют процес­сом вращения вектора намагниченности. В конце этого участка при H=Hs намагниченность М материала достигает значения намагни­ченности технического насыщения M_S (M -> M_S) или, можно сказать, что магнитная индукция В материала достигает значения индукции технического насыщения B_S(B -> B_S).

IV участок — область сильных магнитных полей — характеризу­ется незначительным возрастанием индукции В с увеличением на­пряженности магнитного поля H и приближением значения магнит­ной проницаемости μ к единице.

Магнитный гистерезис.

Если предварительно размагниченный об­разец подвергнуть намагничиванию до состояния технического на­сыщения, то с увеличением напряженности магнитного поля H маг­нитная индукция В будет изменяться в соответствии с кривой ОАБ (См. рис.) и в точке А при Н = Hs достигнет значения индукции техни­ческого насыщения, или индукции насыщения Bs. Отре­зок АБ является безгистерезисной частью зависимости В(Н). При Уменьшении напряженности поля Н намагниченность образца уменьшается по кривой БАВ_r, и при H = 0 индукция В не будет равна нулю. Эта индукция называется остаточной и обозначается В_r, с ней связано существование постоянных магнитов.

Для достижения полного размагничивания образца к нему не­обходимо приложить поле определенной напряженности и проти­воположное по знаку. Напряженность такого поля называют коэр­цитивной силой Hс. При дальнейшем возрастании отрицательного поля индукция тоже становится отрицательной и в точке А' при H =-H_S, достигает значения индукции технического насыщения (В = — Bs). После уменьшения отрицательного поля, а затем увели­чения положительного поля кривая перемагничивания опишет пет­лю, называемую предельной петлей магнитного гистерезиса, которая является важной технической характеристикой магнитных мате­риалов.

Таким образом, предельная петля магнитного гистерезиса — это кривая изменения магнитной индукции при изменении внешнего магнитного поля от +H, до -Н, и обратно. Пользуясь предельной петлей магнитного гистерезиса, можно определить основные пара­метры материала: коэрцитивную силу Hс, индукцию насыщения Bs, остаточную индукцию В_r и др. Площадь этой петли пропорциональ­на работе, затрачиваемой на перемагничивание образца за один цикл; она пропорциональна потерям на гистерезис Из рис. видно, что в координатах В(Н) при Н < Hs (или В < Bs) проявляется целое семейство петель магнитного гистерезиса, заклю­ченных одна в другую.

Поскольку ферримагнетики также обладают доменной структу­рой, поэтому рассмотренные процессы намагничивания и размаг­ничивания происходят в них аналогичным об­разом.

Коэрцитивная сила Hс является важной технической характери­стикой магнитных материалов и как магнитная проницаемость μ зависит от суммарной удельной поверхности зерен, магнитной ани­зотропии, магнитострикции, механических напряжений, наличия примеси и других дефектов. Чем больше размер зерна (меньше суммарная удельная поверхность зерен) и более совершенна структура кристаллической решетки (меньше дислокаций, внутренних напряжений, примесей и других дефектов), тем меньше Нс и больше μ, а материал соответст­венно легче намагничивается и перемагничивается.

По величине коэрцитивной силы магнитные материалы разделя­ют на магнитомягкие и магнитотвердые. Граница этого раздела по значению Нс условная. Материалы, у которых Нс < 4 кА/м, отно­сят к магнитомягким, у которых Нс > 4 кА/м — к магнитотвердым. Для магнитомягких материалов характерным яв­ляется малое значение коэрцитивной силы; у промышленных образ­цов наименьшая Нс = 0,4 А/м. Это легко-намагничивающиеся материалы. Магнитомягкие материалы приме­няют в производстве сердечников, катушек индуктивности, реле, трансформаторов, электрических машин и т. п., работающих в по­стоянном и переменном магнитных полях.

Для магнитотвердых материалов характерным является широкая петля гистерезиса с большой коэрцитивной силой; у промышленных образцов наибольшая Нс ≈ 800 кА/м. Магнитная проницаемость μ у них меньше, чем у магнитомягких материалов. У магнитотвердых материалов большая максимальная удельная магнитная энергия W_M которая пропорциональна произведению наибольших значений В и H на кривой размагничивания. Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов, в элек­трических машинах малой мощности, для записи и хранения цифро­вой, звуковой и видеоинформации и др.