Э.Т. Брук, В.Е. Фертман - «Ёж» в стакане. Магнитные материалы - от твердого тела к жидкости (1163240), страница 14
Текст из файла (страница 14)
16). Само же явление «отставания» намагниченности от поля (или индукции от поля) называется гистерезисом. Петля, доходящая до значений насыщения, называется предельной или мшсимальной. Существуют и другие, непредельные, так называемые частные петли. Они возникают, если процесс перемагничивания начать до достижения насыщения.
Эти петли могут быть симметричны или несимметричны относительно начала координат, что зависит от равенства (или неравенства) по абсолютной величине достигнутой намагниченности в противоположных направлениях. Во всех случаях частные петли, или циклы, лежат внутри предельной кривой гистерезиса. Возникает законный вопрос: почему кривая намагничивания имеет такую странную форму~ По каким причинам намагниченность, столь послушно следующая за полем от полностью размагниченного состояния до насыщения, проявляет такую «строптивость» и «непокорность» при попятном ходе от насыщения к размагниченности1 Причин неподчинения намагниченности полю несколько.
Чтобы лучше понять их, нам придется снова привлечь фундаментальный принцип минимальности энергии. Начнем с состояния полного насыщения, в котором домены отсутствуют. Если бы энергия ферромагнетика состояла только иэ магнитной части, то дело обстояло бы относительно просто.
Уменьшение поля не привело бы к заметным изменениям намагниченности. Но ферромагнетик — это еще и просто кристалл, характериэуемый наряду с магнитными и многими другими свойствами, в частности упругими. Обладает он и упругой энергией. Нельзя забывать и о вкладе размагничиваю- щего поля — оно, за исключением специальных случаев, также влияет на значение полной энергии. Учет всех видов энергии, хотя это дело и непростое, приводит к тому, что состояние с однородной намагниченностью, не совпадающей с направлением поля, становится неустойчивым не сразу, а лишь при некоторых условиях, в частности, когда поле направлено в противоположную намагниченности сторону и достигает при этом некоторой величины, которая и является коэрцитивной силой. Изменение намагниченности при этом происходит эа счет необратимых процессов вращения полной намагниченности.
Есть материалы, у которых перемагничивание происходит именно таким образом. Как правило, процессы вращения наблюдаются в маленьких ферромагнитных частичках — в порошках, пленках и т. д. Все они обладают высокой коэрцитивной силой — в сотни, иногда в тысячи эрстед. Иначе обстоит дело, если при перемагни- 106 чивании в однородно намагниченном кристалле могут возникнуть маленькие домены (их называют зародишаии), магнитный момент которых направлен в противоположную сторону.
Поведение этих зародышей напоминает поведение кукушек, которые, как известно, подкладывают свои яйца в чужие гнезда. Ничего не подозревающие птицы высиживают кукушонка, а тот, едва вылупившись из яйца, выкидывает из гнезда ~законныхэ птенцов. Родители же приемыша — обычно это небольшие птички — вынуждены кормить прожорливого чужака.
Магнитные зародыши при росте перемагничивающего поля поначалу также ведут себя смирно, но по достижении им некоторой величины (это, конечно, коэрцитивная сила) зародыш «выходит из яйца» и начинает расти за счет соседних с ним магнитных областей, намагниченность которых противоположна его собственной. Поскольку рост этот происходит с конечной (и немалой) скоростью, в короткое время весь кристалл становится перемагниченным. Есть еще одна причина гистерезиса.
Когда размагниченный ферромагнитный кристалл, обладающий доменной структурой, начинает намагничиваться, домены, магнитные моменты которых направлены вдоль поля, начинают расширять свои границы за счет соседних доменов с противоположно направленными магнитными моментами. Если этот процесс «завоевания» не доведен до конца, а внешнее поле выключено, то ~ослабевшиеъ соседи оказываются не в состоянии вернуть утраченные позиции. В результате магнитные моменты в противоположных направлениях не рав- ны друг другу, что и проявляется как остаточная намагвичеяяОСть.
Необратимые процессы вращения, рост зародышей и задержка движения границ доменов — вот три причины гистерезиса. В реальном ферромагнетике все три причины могут действовать вместе и порознь. Зто зависит от большого числа факторов, среди которых не только химический состав ферромагнетика, но и способ его изготовления, наличие в нем неоднородностей и много других .
причин и обстоятельств, настолько много, что законченного понимания гистерезиса для всех известных случаев в настоящее время нет, хотя основные закономерности и ПОпЯТЫ. В заключение рассказа о гистерезисе остановимся на скачках Ьаркгаузена. Если следить за ростом намагниченности более тщательна, то можно обнаружить, что она увеличивается не плавно, а скачками (см. рис.
16), которые называются скачками Баркгаузена. Именно скачками происходит та часть смещений доменных границ, которую не удается «отвоевать» назад после выключения поля. Если намагничиваемый образец заключить в катушку, концы которой через усилитель вывести на телефон, то в процессе намагничивания в трубке раздается слабый треск. Его происхождение непосредственно связано со скачками: когда намагниченность резко меняется, в катушке возникает ЗДС, и мы получаем возможность слышать домены.
Они как бы говорят нам: ~Алло, вы нас слышите? Мы действительно существуем...» НЕ ТОЛЬКО МАГНИТНАЯ СТРЕЛКА Все, о чем мы говорили выше, относится к теории технической кривой намагничивания. Слово «технической» попало сюда не случайно. Магнитные материалы широко используются в современной технике и особенно в энергетике. Достаточно сказать, что производство спецнальной стали, находящей применение в электротехнике (она так и называется: электротехническая сталь), составляет многие миллионы тонн в год. Эта сталь— лишь один из многих производимых магнитных материалов. С тех пор как тысячи лет назад человек стал впервые практически применять магнит, изготовив из него компас (эту функцию магнит не утратил и сегодня), магнитные материалы, если можно так выразиться, завоевали современную технику.
Немного есть на свете приборов, машин и устройств, в которые в качестве составной части не входил бы тот или иной магнитный элемент. Чтобы лучше представить себе значение магнитов в современном мире, давайте мысленно изымем магниты отовсюду, где они имеются. Самый жестокий удар такая операция нанесла бы энергетике: все генераторы 109 электрического тока, на каких бы электростанциях (гидро-, тепло-, атомных) они ни стояли, мгновенно выйдут из строя: ведь вся их работа построена на явлении электромагнитной индукции, которое не может быть реализовано без магнитного поля, создаваемого магнитами.
То же самое произойдет с электродвигателями (даже при условии, что питание не выключится). Фактически вся промышленность, лишенная как источников энергии, так и возможностей ее обратного преобразования из электрической в механическую, будет парализована.
Незавидной будет и судьба городов, лишенных освещения, отопления и водоснабжения. Замолчат все радио- и телестанции. Жизнь на Земле без магнитов, хотя и не была бы уничтожена, но понесла бы весьма ощутимый урон, вернувшись, как минимум, к веку пара. К счастью, ситуация совершенно иная. Магниты не только не исчезают, но, напротив, появляются все новые и новые их разновидности. Разные отрасли промышленности и техники нуждаются в различных магнитных материалах. Их можно разбить на два основных класса: мягкие и жесткие, или висококоэрцитивиые (само собой разумеется, что эти материалы мягкие и жесткие в магнитном, а не механическом отношении). Мягкие материалы позволяют создавать максимальный магнитный поток при минимальном внешнем магнитном поле и минимальных потерях энергии.
Это может быть обеспечено в тех случаях, когда намагниченность легко меняется с -изменением поля и не только на начальном участке кривой намагничивания, но при лю- 110 бых изменениях поля. Твердые материалы, наоборот, должны давать сильное и устойчивое по отношению к различным внешним воздействиям (внешнему полю, температуре, механическим нагрузкам) магнитное поле, а это означает, в частности, что они должны обладать большой коэрцитивной силой. Мягкие магнитные материалы — это трансформаторное и динамное железо (последнее применяется в генераторах). Реальные генераторы вырабатывают ток низкого напряжения — оно лучше всего соответствует режиму их работы. Однако передавать потребителю по проводам выгоднее всего ток высокого напряжения.
От высоковольтных линий электроэнергия поступает на подстанции, где напряжение снижается, часто в несколько приемов, и поступает, наконец, к потребителю в низковольтном виде. Каждое преобразование напряжения осуществляется в трансформаторах, параметры работы которых, в частности потери энергии при преобразовании, определяются в значительной степени качеством трансформаторного железа. Примером сверхмягкого магнитного материала служит супермаллой — сплав, содержащий 16% желева, 79% никеля и 5% молибдена.
Максимальное значение магнитной проницаемости у него достигает миллиона! В то же время коэрцитивная сила его, можно сказать, ничтожна: всего 0,002 Э. Магнитные свойства материалов сильно зависят от их состава. Так, коэрцитивная сила технического железа, содержащего всего 0,2% примесей, равна 0,9 Э, а чистого железа, содержание примесей в котором 0,05%, в 90 раз меньше.
Варьирование составом позволяет получать материалы с высоким значением проницаемости и низкой коэрцитивной силой, среди которых особо выделяются пермаллон — железоникелевые сплавы с различными добавками. Пермаллои используются в магнитных усилителях, в слаботочных трансформаторах и катушках индуктивности для систем связи и автоматики. Другой магнитомягкий материал — периинвар — железоникелекобальтовый сплав, который после определенной обработки имеет постоянную проницаемость, не зависящую от поля. Он находит широкое применение в радиотехнике. и телефонии. Из перминвара .делают также элементы памяти ЭВМ, так как они быстро перемагничиваются. Сплавы на основе железа и кобальта — периендври— имеют самую высокую намагниченность насыщения среди магнитомягких материалов (для пермендюра, состоящего из 50% железа и 50% кобальта, М, = 24 600 Гс; для сравнения у супермаллоя это значение 7900 Гс). Однако с механической точки зрения пермендюры хрупки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
