9.2 Основные характеристики ферромагнитных материалов
Из курса физики
известно, что все вещества в отношении
их магнитных свойств делятся на три
группы: диамагнитные, парамагнитные и
ферромагнитные. У диамагнитных
веществ
относительная магнитная проницаемость
немного меньше единицы (для висмута
).
У парамагнитных
веществ
немного больше единицы (для платины
).
У ферромагнитных
веществ (железо,
никель, кобальт и их сплавы)
много больше единицы (до
,
а у некоторых материалов даже до
).
В
электротехнике все вещества делят на
ферромагнитные и неферромагнитные. У
ферромагнитных веществ
1,
у всех неферромагнитных веществ
практически равно единице. Ферромагнитные
материалы имеют большое значение в
электротехнике.
Для неферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость является величиной постоянной (рис. 9.3), т.е. не зависит от H, а зависимость B(H) прямолинейна.
Для ферромагнитных материалов магнитная проницае-
Рис. 9.3 мость изменяется с изменением H, т. е. ферромагнетики
являются нелинейными материалами.
Свойства ферромагнитных материалов характеризует зависимость B(H). Если предварительно размагниченный ферромагнитный материал (B = 0, H = 0) нама-
г
ничивать,
монотонно увеличивая H,
то зависимость между B
и H,
имеющая место при этом процессе,
называется начальной
кривой намагничивания (рис.
9.4).
Как известно из курса физики, ферромагнитные тела состоят из областей самопроизвольного (спонтанного) намагничивания. Каждая область определенным образом
Рис. 9.4 намагничена, и магнитное состояние ее характеризуется
вектором
намагниченности
.
Направление
зависит от внутренних упругих напряжений
и от кристаллической структуры
ферромагнитного тела.
определенных областей направлены в
разные стороны, поэтому во внешнем по
отношению к ферромагнитной среде
пространстве намагниченность
ферромагнитного тела ни в чем не
проявляется. Если же ферромагнитное
тело поместить во внешнее магнитное
поле, то под действием этого поля векторы
намагниченности определенных областей
будут поворачиваться по внешнему полю.
В результате этого магнитная индукция
результирующего магнитного поля
оказывается во много раз (сотни и даже
сотни тысяч раз) больше чем магнитная
индукция воздействующего на ферромагнетик
внешнего поля.
С ростом внешнего
поля все большее число спонтанных
областей становится ориентированным
по полю. Когда
все области будут ориентированы по
внешнему полю, наступит насыщение
ферромагнетика.
Напряженность внешнего поля, соответствующая
насыщению ферромагнитного материала,
обозначается
.
При
намагниченность
становится постоянной. Магнитная
индукция
,
соответствующая напряженности
:
(9.12)
называется индукцией насыщения. В ферромагнетике векторы , и совпадают, поэтому от векторов можно перейти к модулям.
По кривой первоначального намагничивания (рис. 9.4) могут быть определены, например, в точке «а» статическая магнитная проницаемость:
(9.13)
и дифференциальная магнитная проницаемость (рис. 9.5)
,
(9.14)
где
– масштаб магнитной проницаемости,
равный отношению масштаба индукции
к масштабу напряженности магнитного
поля
.
П
ри
размагничивании, т.е. при уменьшении
напря-женности поля от
до нуля, кривая идет выше кривой
первоначального намагничивания
(рис.9.4), и при отсутствии внешнего
магнитного поля (
)
магнитная индукция в ферромагнетике
равна остаточной индукции
(рис.
9.6). Величина
напряженности поля обратного знака,
необходи-
Рис. 9.5 мая для полного размагничивания ферромагнетика, называ-
ется коэрцитивной
силой
(задерживающей
силой).
Дальнейшее
намагничивание в обратном направлении
0 вплоть до –
п
риводит
к значению индукции –
.
Переход от –
к
,
соответствующей изменению напряженности
поля от –
до
совершается по нижней ветви кривой
(рис. 9.6), симметричной верхней ветви.
Отставание изменения магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля называется магнитным гистерезисом.
Кривая (рис. 9.6) носит название петли гистерезиса. Для получения устойчивой петли гисте
Рис. 9.6 резиса необходимо многократное перемагничивание
ферромагнетика в
пределах от
до –
.
Кривая соединяющая вершины петель
гистерезиса, снятых для разных
,
называется основной
кривой намагничивания. Она
практически
совпадает с кривой первоначального
намаг-ничивания. В справочниках приводится
основная кривая намагничивания. Энергия,
затрачиваемая источником на циклическое
перемагничивание единицы объема
вещества
,
определяется площадью
гистерезисной петли, т.е.
.
(9.15)
а) б)
Рис. 9.7
Все ферромагнитные материалы могут быть подразделены на две группы: магнитомягкие и магнитотвердые.
Магнитомягкие материалы обладают крутоподнимающейся основной кривой намагничивания (рис. 9.7,а) и относительно малыми площадями гистерезисных петель (коэрцитивная сила мала). Они применяются во всех устройствах, которые работают при периодически изменяющемся магнитном потоке (в трансформаторах, электродвигателях, генераторах, индуктивных катушках и т.п.). К магнитомягким материалам относятся электротехнические стали, железоникелевые сплавы типа пермаллоя и др.
Магнитотвердые
материалы обладают
пологоподнимающейся основной кривой
намагничивания и большой площадью
гистерезисной петли. Для них
Тл и
А/м. В группу магнитотвердых материалов
входят углеродистые стали, вольфрамовые
сплавы, сплавы магнико, платино-кобальтовые
сплавы и др. Из магнитотвердых материалов
выполняют постоянные магниты.