1.2. Магнітні властивості матеріалів

Електричний струм, що проходить по провіднику, утворює у довкіллі електромагнітне поле, що характеризується магнітним потоком Ф (одиницею вимірювання магнітного потоку є 1 вебер, 1Вб) і його індукцією В (одиницею вимірювання індукції є 1 Тесла, 1Тл=1 Вб/м²). Індукцію В називають густиною магнітного потоку, що пронизує площину S. Силові лінії індукції магнітного поля навколо прямолінійного провідника прийнято зображати замкненими концентричними колами у площині, перпендикулярній до напряму струму (рис. 1.2, а ). Вектор магнітної індукції зображають дотичною до силової лінії магнітного поля. Напрям вектора визначають за правилом правого свердлика, тобто за напрямом руху маховика якщо вістря свердлика рухається у напрямі струму у провіднику. Якщо площину S розташувати перпендикулярно до ліній магнітного поля, то між магнітним потоком і індукцією існує така залежність:

Ф=В·S.

Середовище, через яке замикається магнітне поле, характеризується абсолютною магнітною проникністю μ_a, що дорівнює добуткові відносної магнітної проникності матеріалу μ_r і магнітної сталої μ₀ , тобто: μ_a= μ_r μ₀. Магнітна стала μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м.

Ще однією величиною, що характеризує магнітне поле у матеріалі є напруженість Н, А/м. Напруженість магнітного поля кількісно дорівнює магніторушійній силі F , що припадає на одиницю довжини силової лінії магнітного поля: Н= F/l = І/l, а для котушки з кількістю витків w: Н=І w/ l. Індукція магнітного поля дорівнює: В= μ_a·Н.

В електротехніці матеріали поділяють на феромагнітні та неферомагнітні. У феромагнітних матеріалів μ_r>>1 і змінюється за нелінійною залежністю від напруженості поля , а у неферомагнітних μ_r≈1. Для виготовлення магнітопроводів (осердь) електромагнітів використовують лише феромагнітні матеріали, які створюють шлях з найменшим магнітним опором для магнітного потоку.

Рис. 1.2. Силові лінії магнітного поля окремого провідника (а) та котушки (б)

Феромагнітні матеріали характеризуються складною залежністю В(Н). На рис. 1.3 зображені залежності В(Н) для різних діапазонів зміни напруженості поля Н (рис. 1.3,а) та для різних матеріалів (рис.1.3,б). Якщо напруженість магнітного поля змінюється від Н_1m до -Н_1m , то індукція буде змінюватися від В_1m до -В_1m за залежністю 1 на рис. 1.3, а, яка називається статичною петлею магнітного гістерезису. Якщо ж напруженість магнітного поля збільшити до значення H_S (чи до -H_S) і більше, то площа петлі гістерезису спочатку зросте, а далі не буде збільшуватися – наступає магнітне насичення.

Рис. 1.3. Цикли магнітного гістерезису (1, 2) та основна крива намагнічення (3)

Кожному значенню Н_m відповідає своя часткова статична петля гістерезису, причому більшому значенню Н_m відповідає більша за площею петля. Змінюючи значення Н_m можна отримати сімейство симетричних петель гістерезису, вершини яких будуть знаходитися на кривій 3 (рис. 1.3, а), що називається основною кривою намагнічення.

Петля гістерезису 2 на рис. 1.3, а називається граничною. На граничній петлі гістерезису відзначають дві характерні точки: напруженість Н_с при В=0 – коерцитивна сила і індукцію B_r при Н=0 – індукція залишкового намагнічування. Площа петлі гістерезису та значення B_r і Н_с залежить від складу феромагнетику та від технології процесу виготовлення.

Основна крива намагнічення використовується у розрахунках магнітних кіл. Магнітопроводи електромагнітних пристроїв переважно працюють на ділянці основної кривої намагнічення з прямо пропорційною залежністю зміни індукції від зміни напруженості поля.

Розрізняють магнітно-м’які та магнітно-тверді феромагнітні матеріали. Магнітно-м’які матеріали характеризуються відносно малим значенням Н_с та малою площею петлі гістерезису (петля 2 на рис. 1.3, б). З магнітно-м’яких матеріалів можна виготовити магнітопроводи з майже прямокутною петлею гістерезису. До таких матеріалів відносяться чисте залізо та електротехнічні сталі, сплави заліза з нікелем тощо. Магнітно-тверді матеріали характеризуються великою площею петлі гістерезису та відносно великими значеннями B_r і Н_с . З них виготовляють постійні магніти.

На перемагнічення феромагнетиків від +Н_m до -Н_m витрачається енергія, значення якої пропорційне площі петлі гістерезису. (Гістерезис – це явище зумовлене неоднозначною залежністю зміни фізичних характеристик тіла від зміни дії зовнішніх сил на тіло. У випадку феромагнітних матеріалів гістерезис характеризується наявністю залишкової індукції B_r та коерцитивної сили Н_с).