Основная кривая намагничивания

Все ферромагнитные материалы обладают нелинейной зависимостью магнитной индукции от напряженности магнитного поля . Нелинейность объясняется доменной структурой этих материалов. При воздействии внешнего поля на образец магнитного материала его домены ориентируются в направлении поля. Ориентация доменов (намагниченность) осуществляется вследствие взаимодействия элементарных магнитных моментов, вызванных вращением электронов (вокруг ядра атома и вокруг собственной оси), с внешним полем. В зависимости от свойства материала, при одной и той же напряженности магнитного поля внутри тела, в нем будет разная намагниченность, векторная величина, определяемая уравнением

, (1)

где - намагниченность; χ – магнитная восприимчивость; - напряженность магнитного поля.

При некотором все домены примут направление поля, и рост магнитной индукции практически прекращается, т.е. наступает насыщение образца материала.

Суммарное магнитное поле определяется векторами и :

, (2)

где - магнитная постоянная, составляющая 4π·10^-7 Гн/м; - вектор магнитной индукции.

Преобразуя выражение (2) с учетом (1), получим

, (3)

где = 1 + χ - относительная магнитная проницаемость материала.

По величине и χ материалы классифицируют:

1. Парамагнетики: > 1 на величину χ = 10^-3... 10^-4. К ним относятся Pt, Pd, жидкий кислород и др.
2. Диамагнетики: <1 на величину χ = 10^-2... 10^-5. К ним относятся медь (Си), серебро (Ag), золото (Аи) и др.
3. Ферромагнетики: »1 и достигает значений 10⁵...10⁶. К ним относятся Fe, Ni, Co, Cd и ряд сплавов.
4. Антиферромагнетики: >1 на величину χ = 10^-3... 10^-5. К ним относятся Сr, Мn и ряд редкоземельных элементов (Се, Nd, Sm, Tm и др.).
5. Ферримагнетики: »1 и достигает значений 10⁵...10⁶. Это вещества с некомпенсированным антиферромагнетизмом. Такими свойствами обладает ряд упорядоченных сплавов металлов, но главным образом оксидные соединения, среди которых наибольший интерес вызывают ферриты с обобщенной формулой MeFe₂04.

Зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля была впервые получена А.Г.Столетовым. При расчетах электромагнитных механизмов и при магнитных измерениях обычно имеет значение составляющая индукции (или намагниченности), параллельная или антипараллельная вектору . Поэтому в дальнейшем знаки векторов и можно опустить.

Как следует из выражения (3), намагниченность (индукция) не является однозначной функцией напряженности магнитного поля, а зависит от магнитной «предыстории» образца. Поэтому следует условиться о начальном состоянии среды, для которой определяется зависимость В =f(H).

За «начальное» состояние принимают состояние так называемого полного размагничивания, которое характеризуется одновременным равенством нулю намагниченности и напряженности магнитного поля (М = 0, Н = 0). Поместив такой образец в магнитное поле, монотонно и медленно изменяющееся от нуля до некоторой величины, можно определить его кривую намагничивания М(Н) или В(Н), которая называется кривой первоначального намагничивания. Обычный вид кривой намагничивания показан на рис. 1.

Рис. 1. Кривая первоначального намагничивания

На рис.1 кривую первоначального намагничивания можно разделить на пять участков: I - область начального или обратимого намагничивания (магнитная проницаемость постоянна); ІІ - область Рэлея; ІІІ - область наибольших проницаемостей; IV- приближения к насыщению; V - область насыщения (парапроцесса).

Для материалов, подвергшихся размагничиванию магнитным полем, говорить о кривой первоначального намагничивания можно лишь условно, что связано с трудностью восстановления первоначального размагниченного состояния с таким же распределением областей самопроизвольного намагничивания.

Если учесть, что, во-первых, часто невозможно полностью размагнитить ферромагнитный образец так, чтобы в нем имело место действительно хаотическое расположение M_i доменов (кроме случая его нагрева выше температуры Кюри, когда это допустимо), во-вторых, у ряда материалов свойства необратимо изменяются после первого намагничивания (например, перминвар), в-третьих, ряд материалов (с магнитной текстурой) вообще не может быть получен в размагниченном состоянии и, в-четвертых, экспериментально получить кривую первоначального намагничивания довольно трудно, то следует признать, что эта кривая не может являться технической характеристикой ферромагнитных материалов.

Если образец намагнитить до насыщения, а затем снять намагничивающее поле, то магнитная индукция уменьшится до значения B_r.

Это значение называется остаточной индукцией. Для того чтобы уменьшить индукцию от B_r до нуля, необходимо приложить обратно направленную напряженность поля Н_с, называемую коэрцитивной силой. Изменяя силу магнитного поля от -Н_т до +Н_т, получим замкнутую петлю гистерезиса (рис. 2).

Рис. 2. Процесс намагничивания ферромагнетиков

При работе с разными предельными напряженностями магнитного поля для одного и того же образца получим семейство установившихся симметричных петель гистерезиса. Геометрическое место всех вершин петель гистерезиса получило название основной кривой намагничивания (ОКН) (рис. 3).

Основная кривая намагничивания - важнейшая характеристика ферромагнитных материалов.

Рис.3. Основная кривая намагничивания (ОКН)

и гистерезисные циклы

Для перемагничивания ферромагнитного материала необходимо затратить энергию, величина которой пропорциональна площади петли гистерезиса.

Энергия, затрачиваемая при перемагничивании, переходит в тепло. При перемагничивании 1 см³ ферромагнитного материала энергия, пропорциональная площади цикла,

. (4)

Например, при перемагничивании электротехнической стали (сплавы железа и кремния) марок 1211, 1212 с частотой 50 Гц при энергии перемагничивания _r = 10^-2 Дж/см³ за цикл образец нагревается на 3·10^-4 ºС. Качество магнитомягких материалов тем выше, чем меньше энергия, затрачиваемая на перемагничивание (потери на гистерезис). Так, у пермаллоя (железоникелевого сплава) _r = (4...50) 10^-7 Дж/см³ при максимальной индукции 0,5Тл. У технически чистого железа и листовой электротехнической стали при В = 1,0Тл _r = (3...100)·10^-7 Дж/см³, а у сплавов постоянных магнитов (магнитотвердых ферромагнитных материалов) потери за цикл могут достигать 1 Дж/см³ и более. Потери на гистерезис часто измеряют в Вт/кг (удельные потери):

, (5)

где f - частота перемагничивания; γ - плотность материала.

Кроме потерь на гистерезис существуют потери на вихревые токи Р_В·Т, которые наводятся в магнитном материале, и потери на последействие, связанные с отставанием по времени магнитной индукции от изменения Н:

, (6)

где β - коэффициент, не зависящий от частоты и определяющийся свойствами материала.