Лекция 6
Лекция 6.
План:
1. Общие сведения о ферромагнетизме;
2. Кривые намагничивания;
3. Петля гистерезиса;
4. Магнитная проницаемость;
5. Намагничивание переменным полем.
§3.6.1. Общие сведения о ферромагнетизме.
К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, гадолиний, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и др. При низких температурах ферромагнитны некоторые элементы из числа редких земель.
Рекомендуемые материалы
Все ферромагнетики характеризуются:
1) кристаллическим строением;
2) большими положительными значениями магнитной восприимчивости (магнитной проницаемости), а также существенной и нелинейной ее зависимостью от напряженности поля и температуры;
3) способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах уже в слабых полях;
4) гистерезисом — зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния («магнитной истории»);
5) точкой Кюри, т. е. температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства.
§3.6.2. Кривые намагничивания.
Магнитные свойства ферромагнетиков характеризуют зависимостями магнитной индукции 
или намагниченности 
от напряженности поля 
и потерь на перемагничивание 
от индукции и частоты.
Зависимости вида 
или 
называют кривыми намагничивания. Известно, что магнитные свойства материала зависят не только от напряженности поля, температуры, наличия или отсутствия механических напряжений и т. д., но и от предшествующего магнитного состояния.
Во многих случаях для получения кривых намагничивания в качестве исходного состояния принимают размагниченное состояние образца, при котором в отсутствии внешнего поля индукция равна нулю и нет преимущественного направления намагничивания доменов (будут рассмотрены далее), т. е. они расположены статистически равновероятно.
Наилучшего размагничивания можно достигнуть в результате нагрева материала выше точки Кюри. Однако в технике этот способ применяют редко в связи с неудобствами его практического осуществления. Чаще всего образец размагничивают, воздействуя на него переменным полем с убывающей до нуля амплитудой, используя специальные устройства или измерительную схему.
При намагничивании предварительно размагниченного образца различают следующие типы зависимостей:
1) нулевую (первоначальную) кривую намагничивания, которую получают при монотонном увеличении ;
2) безгистерезисную (идеальную) кривую намагничивания, получаемую при одновременном действии постоянного и переменного полей с убывающей до нуля амплитудой (кривая а, рис. 1);
3) основную (коммутационную) кривую намагничивания, представляющую собой геометрическое место вершин кривых (вершин гистерезисных циклов), получающихся при циклическом перемагничивании (кривая б, рис. 1).
Нулевая кривая обычно мало отличается от основной.
Нулевая кривая намагничивания зависит от случайных причин, например от механических сотрясений, колебаний температуры, характера изменения намагничивающего поля и др. Для этой кривой особенно сильно проявляется эффект Баркгаузена — нерегулярный, ступенчатый характер намагничивания. Следовательно, нулевая кривая не отвечает требованию хорошей воспроизводимости и не может быть использована для сравнительной оценки свойств различных материалов. Нулевая кривая намагничивания, представляя интерес для физиков, в инженерной практике не используется.
Безгистерезисная кривая намагничивания характеризуется быстрым возрастанием индукции до значения насыщения даже в слабых постоянных полях независимо от видов магнитного материала. Намагничивание по этой кривой имеет место в некоторых случаях.
Основная кривая намагничивания является важнейшей характеристикой магнитных материалов, отвечает требованиям хорошей воспроизводимости и широко используется для характеристики намагничивания материалов в постоянных полях.
На основной кривой намагничивания принято различать три участка: начальный, соответствующий нижнему колену кривой, участок быстрого возрастания индукции (намагниченности) и участок насыщения (выше верхнего колена кривой).
§3.6.3. Петля гистерезиса.
При циклическом перемагничивании кривая намагничивания образует гистерезисную петлю (рис.2).
Если намагничивание происходит так, как показано стрелками на рис. 2,а), то при однократном прохождении петли точки А и А',
соответствующие одному и тому же полю , не совпадают, что объясняется различной для этих .точек магнитной историей. Для получения более определенной симметричной (установившейся) петли (рис. 2,б)) при измерениях в цепях постоянного тока
производят так называемую магнитную подготовку, которая состоит в многократном (5—10 раз) коммутировании тока в намагничивающей обмотке после установления его величины.
Форма петли для данного материала зависит от значения поля 
. Для слабых полей она имеет вид эллипсов, с увеличением поля у нее начинают вытягиваться «носики», соответствующие точкам 
и 
(см. рис. 2, б)).
Гистерезисную петлю, полученную при условии насыщения, называют предельной петлей. В справочниках обычно приводятся симметричные предельные гистерезисные петли.
Основными характеристиками петли гистерезиса являются остаточная индукция 
, коэрцитивная сила 
и площадь петли, характеризующая потери на гистерезис 
за один цикл перемагничивания.
Остаточной индукцией называют индукцию, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внешнего поля.
Коэрцитивная сила — это размагничивающее поле, которое должно быть приложено к предварительно намагниченному образцу, для того чтобы индукция в нем стала равной нулю.
Потери на гистерезис, отнесенные к единице объема вещества (удельные потери), определяют по формуле
(3.1)
При перемагничивании материала с частотой 
(Гц) потери на гистерезис подсчитывают как
, (3.2)
где 
— плотность материала, кг/м3.
Большое значение для материалов, применяемых в постоянных магнитах, имеет размагничивающий участок петли гистерезиса — ее часть, расположенная во втором квадранте.
Кроме петли гистерезиса, вершины которой соответствуют основной кривой намагничивания, во многих случаях рассматривают так называемые частные гистерезисные циклы, у которых вершины не лежат на основной кривой. Примеры частных циклов приведены на рис. 2, б (для удобства они заштрихованы). Особое значение имеют частные циклы возврата, получающиеся при уменьшении размагничивающего поля.
§3.6.4. Магнитная проницаемость.
Магнитную проницаемость называют: абсолютной 
и относительной 
Подставляя в эти отношения конкретные значения и , получают различные виды магнитной проницаемости, которые в настоящее время применяют в технике (свыше нескольких десятков).
Наиболее часто используют понятия нормальной магнитной проницаемости 
, начальной 
, максимальной 
, дифференциальной 
и импульсной 
Для точки А рис. 3 магнитная проницаемость , определяется как тангенс угла наклона секущей ОА к оси абсцисс, т. е.
(3.3)
Начальная и максимальная проницаемости представляют собой частные случаи нормальной проницаемости:
(3.4)
(3.5)
т. е. наклон касательной на начальном участке кривой характеризует начальную проницаемость, а наклон касательной, проведенной из начала координат в точку верхнего перегиба кривой, соответствует максимальной проницаемости.
Дифференциальную проницаемость определяют как производную от магнитной индукции по напряженности магнитного поля для любой точки кривой намагничивания, т. е. она представляет собой тангенс угла между осью абсцисс и касательной к кривой намагничивания в этой точке:
(3.6)
Рекомендуем посмотреть лекцию "Практическое занятие К".
§3.6.5. Намагничивание переменным полем.
При намагничивании магнитного материала переменным полем петля гистерезиса, характеризующая затраты энергии за один цикл перемагничивания, расширяется (увеличивает свою площадь) за счет возникновения потерь не только на гистерезис , но также потерь на вихревые токи 
и дополнительные потери 
. Такую петлю называют динамической, а сумму составляющих потерь — полными или суммарными потерями.
Потери на гистерезис при частоте перемагничивания определяют по формуле (3.2).
Потери на вихревые токи зависят не только от магнитных, но также и от электрических свойств материала (удельного электрического сопротивления) и формы сердечника.
Дополнительные потери нельзя рассчитать аналитически, их определяют обычно как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи:
Соответственно определению основной кривой намагничивания геометрическое место вершин динамических петель называют динамической кривой намагничивания, а отношение индукции к напряженности поля на этой кривой — динамической магнитной проницаемостью 
.
