3-8. Ферромагнетики, их намагничивание и перемагничивание

Материалы, обладающие большой магнитной проницаемостью, называются ферромагнетиками. К ним относятся: сталь, железо, никель, кобальт, их сплавы и др.

Магнитные свойства веществ зависят от магнитных свойств элементарных носителей магнетизма — движущихся внутри атомов электронов, а также от совместного действия их групп.

Электроны в атомах, двигаясь по орбитам вокруг ядра атома, образуют элементарные токи или магнитные диполи, которые характеризуются магнитным моментом диполя т. Величина его равна произведению элементарного тока i и элементарной площадки S (рис, 3-13), ограниченной элементарным контуром Вектор направлен перпендикулярно к площадке S по правилу буравчика. Магнитный момент тела представляет собой геометрическую сумму магнитных моментов всех диполей.

Кроме рассмотренных орбитальных моментов электроны, вращаясь вокруг своих осей, создают еще так называемые спиновые моменты, которые играют важнейшую роль в намагничивании ферромагнетиков.

В ферромагнетиках образуются отдельные, самопроизвольно намагниченные области спиновые моменты которых ориентируются параллельно. Если ферромагнетик не находится во внешнем поле, то магнитные моменты отдельных областей направлены самым различным образом и суммарный магнитный момент тела равен нулю — ферромагнетик не намагничен. Внесение ферромагнетика во внешнее магнитное поле, например катушки с током, вызывает поворот магнитных моментов части областей в направлении внешнего поля и рост размеров тех областей, направления магнитных моментов которых близки к направлению внешнего поля. В результате ферромагнетик намагничивается.

Если при увеличении внешнего поля все области будут ориентированы в направлении внешнего поля и прекратится рост областей намагничивания, то наступит состояние предельной намагниченности ферромагнетика, называемое магнитным насыщением.

В магнитной цепи, образованной преимущественно ферромагнитными участкамц, можно получить большую магнитную индукцию при относительно малой м. д. с.

Профессор Московского университета А. Г. Столетов в 1872 г., помещая стальной сердечник в катушку с током и измеряя магнитную индукцию в нем (В) при различных значениях напряженности поля (Н), впервые получил зависимость , которая изображается кривой начального намагничивания (рис. 3-14). Кривая состоит из трех участков: 1) прямолинейный участок показывает, что в начале магнитная индукция быстро растет почти пропорционально напряженности; 2). участок называемый коленом кривой, на котором рост магнитной индукции замедляется; 3) участок, расположенный за коленом кривой, показывает, что здесь зависимость между В и Н линейна, но нарастание магнитной индукции происходит медленно вследствие магнитного насыщения.

А.Г. Столетов (1839—1896).

Нелинейная зависимость показывает, что магнитная проницаемость ферромагнетика непостоянна и зависит от напряженности поля.

При работе в цепях неременного тока происходит периодическое перемагничйрание ферромагнетика.

При увеличении намагничивающего тока, а следовательно, и напряженности поля Н магнитная индукция достигает максимального значения (рис. 3-15).

Рис. 3-14. Начальная кривая намагничивания стали.

Рис. 3-15. Петля гистерезиса.

При уменьшении Н магнитная индукция уменьшается, но при тех же значениях Н магнитйая индукция имеет несколько большие значения, чем при нарастании Н (участок кривой АБ).

При напряженности поля магнитная индукция называется остаточной (отрезок ОБ рис. 3-15).

Из изложенного следует, что магнитная индукция зависит не только от напряженности поля, но и от предварительного магнитного состояния ферромагнетика. Рассмотренное явление запаздывания магнитной индукции называется магнитным гистерезисом. Оно вызывается как бы внутренним трением, возникающим при изменении ориентации магнитных моментов областей самопроизвольного намагничивания.

При изменении направления, намагничивающего тока меняется и направление напряженности поля. Доведя ее до значения называемого коэрцитивной силой (отрезок ОГ), получим индукцию В = 0.

При дальнейшем увеличении Я обратного направления магнитная индукция достигнет значения — Далее уменьшая Я до нуля, получим уменьшение В до значений остаточной индукции (отрезок ОЕ). Наконец, изменив еще раз направление Я и увеличив ее снова, получим индукцию

Рис. 3-16. Три петли гистерезиса и основная кривая намагничивания стали.

Таким образом, при циклическом перемагничивании ферромагнетика зависимость графически можно представить замкнутой кривой — симметричной петлей гистерезиса АБГДЕЖА. Наибольшая из возможных петель для данного материала называется предельной петлей.

Построив для данного ферромагнетика несколько симметричных петель с разными (рис. 3-16) и соединив вершины петель, получим основную кривую намагничивания, близкую к кривой начального намагничивания.

Перемагничивание стали вызывает нагрев, что связано с потерями энергии от гистерезиса. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии» затраченной на один цикл перемагничивания.

Мощность удельных потерь от гистерезиса, выраженная в ваттах на килограмм массы сердечника, зависит от сорта стали, магнитной индукции и числа циклов перемагничивания стали в секунду или, что то же, частоты переменного тока f в обмотке электромагнита.

Рис. 3-17. Петли гистерезиса для различных материалов: 1 — магнитномягкий материал, электротехническая сталь; 2 — магнитномягкий материал, пермаллой; 3 — магнитнотвердый материал.

Основная кривая намагничивания и петля гистерезиса характеризуют свойства магнитных материалов. Три петли, типичные для мягкой ртали, пермаллоя и твердой стали даны на рис. 3-17.