41. Магнитные материалы. Общие сведения.

Магнетики - материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях - изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала и т. д. К магнитным материалам относят вещества, обладающие определенными магнитными свойствами и используемые в современной технологии. Магнитными материалами могут быть различные сплавы, химические соединения, жидкости. В основном магнитные материалы делят на две большие группы - Магнитотвёрдые материалы и Магнитомягкие материалы. В то же время в связи с успехом в науках изучающих магнетизм и с развитием большой исследовательской работы в области изучения магнитных материалов, появились новые большие группы магнитных материалов: магнитострикционные материалы, магнитооптические материалы, термомагнитные материалы. Известно два различных механизма магнетизма: зонный магнетизм; молекулярный магнетизм.

Магнитные свойства имеются у любых материалов. Они обусловлены реакцией материала на магнитное поле. Как уже рассматривалось в третьей лекции, магнитную индукцию в любом материале можно связать с напряженностью магнитного поля в нем B = m₀×m×H(12.1) Глобально, по отношению к магнитному полю, материалы можно разделить на три класса - диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. Последние можно еще поделить на собственно ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Диамагнетики имеют магнитную проницаемость чуть меньше 1. Отличаются тем, что выталкиваются из области магнитного поля. Парамагнетики имеют магнитную проницаемость чуть более 1. Подавляющее количество материалов являются диа- и пара- магнетиками. Ферромагнетики обладают исключительно большой магнитной проницаемостью, доходящей до миллиона. Начальная магнитная проницаемостьm_н - значение магнитной проницаемости при малой напряженности поля. Максимальная магнитная проницаемость m_max - максимальное значение магнитной проницаемости, которое достигается обычно в средних магнитных полях. Намагниченность насыщения - максимальная намагниченность, которая достигается в сильных полях, когда все магнитные моменты доменов ориентированы вдоль магнитного поля. Петля гистерезиса - зависимость индукции от напряженности магнитного поля при изменении поля по циклу: подъем до определенного значения - уменьшение, переход через нуль, после достижения того же значения с обратным знаком - рост и т.п. Максимальная петля гистерезиса- достигающая максимальной намагниченности насыщения. Коэрцитивная сила Н_с - напряженность поля на обратном ходе петли гистерезиса при которой достигается нулевая индукция.

При каждом цикле перемагничивания часть магнитной энергии, запасаемой в материале (W = BH/2) теряется, т.е. переходит в тепло. Эти потери называются потерями на перемагничивание и они пропорциональны площади кривой гистерезиса. Для материалов, используемых в энергетике, в особенности для трансформаторов, потери энергии желательно уменьшить, т.е. уменьшить площадь кривой. Это может быть достигнуто, если коэрцитивная сила будет как можно меньше. Материалы с малой коэрцитивной силой, меньше 40 А/м называются магнитомягкими материалами. Мощность потерь на перемагничивание в таких материалах можно оценить по выражению P_H =×h Bⁿ_max×f×V, где h - коэффициент, зависящий от материала, B_max- максимальная индукция за цикл, f- частота, V - объем тела, n, - показатель, меняющийся в диапазоне от 1.6 до 2.. Другая составляющая потерь связана с вихревыми токами, возникающими в переменных магнитных полях: P_H=×x B²_max×f²×V. Материалы с большой коэрцититивной силой (более 1000 А/м) называются магнитотвердыми материалами. Они используются в качестве постоянных магнитов.

Рис.1 Петля Гистерезиса. Кривые намагничивания и размагничивания ферромагнетика: Н - напряженность внешнего магнитного поля; М -намагниченность образца; Н_c - коэрцитивная сила; М_r - остаточная намагниченность; М_s - намагниченность насыщения; 1 - предельная петля гистерезиса; 2 - непредельная (частная) петля; 3 - начальная кривая намагничивания.