Ферромагнетики(железо, никель, кобальт и их сплавы с алюминием, медью, хромом, серебром) – это сильномагнитные материалы, у которых магнитная проницаемость (μ) намного больше единицы.
Электроны в ферромагнетиках, двигаясь по орбитам вокруг ядра атома, образуют элементарные токи, которые создают отдельные самопроизвольно намагниченные области (домены), имеющие разные направления микроскопических внутренних магнитных полей (рис. 2.6, а). Если ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле, то все домены разворачиваются вдоль внешнего поля, то есть ферромагнетик намагничивается (рис. 2.6, б).
а) 
б)
| Рис. 2.7 |
| Рис. 2.6 Намагничивание ферромагнетиков |
Поместим ферромагнитный сердечник в катушку с током I. (рис. 2.7). Ток, протекающий по катушке, создает вокруг витков катушки магнитное поле с напряженностью Н. Ферромагнитный сердечник под действием этого поля будет намагничиваться, т.е. в нем создается магнитная индукция В. Если по катушке протекает переменный ток частотой 50 Гц, (изменяющийся по величине и направлению 50 раз в секунду), то ферромагнитный сердечник в такой катушке будет перемагничиваться с такой же частотой.
| а) |
| б) |
Рис. 2.8 Петля гистерезиса Рис. 2.9
Петля гистерезиса (кривая намагничивания) — это график зависимости магнитной индукции ферромагнетика — В от напряженности магнитного поля — Н при намагничивании ферромагнетика (рис. 2.8).
Последовательность намагничивания ферромагнетика (рис. 2.8)
1) Кривая намагничивания начинается из нуля (точка 0), то есть, при Н = 0, В = 0.
2) При увеличении напряженности поля (Н), магнитная индукция (В) быстро растет (участок 0А) и достигает предельного значения +Вм (горизонтальный участок после точки А).
3) При уменьшении Н, магнитная индукция В тоже уменьшается, но медленнее (участок АВ).
При Н = 0 магнитная индукция имеет значение Вr – остаточная индукция.
4) При изменении направления намагничивающего тока меняется и направление напряженности поля (участок БГ). При Н = Нс (точка Г), получим индукцию В = 0. Значение Нс называетсякоэрцитивной силой.
5) При дальнейшем увеличении Н обратного направления (участок ГД) магнитная индукция достигнет значения –Вм – максимальная намагниченность обратного направления.
6) При уменьшении Н до нуля (участок ДЕ), получим уменьшение В до значения остаточной индукции (отрезок ОЕ).
7) Изменив еще раз направление Н и увеличивая ее (участок ЕЖА), снова получим остаточную индукцию +Вr
Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затрачиваемой на намагничивание, поэтому ферромагнетики с узкой петлей гистерезиса легко перемагничиваются и наоборот.
Потери на гистерезис — это потери электроэнергии на нагрев при перемагничивании ферромагнетиков.
Магнитомягкие материалы – это ферромагнитные материалы с узкой петлей гистерезиса (рис. 2.9, а) и малыми потерями на гистерезис (техническое железо, низкоуглеродистая сталь, железо-никелевые сплавы). Применяются для изготовления магнитопроводов трансформаторов и электрических машин.
Магнитотвердые материалы – это ферромагнетики с широкой петлей гистерезиса (рис. 2.9, б), то есть с большой остаточной индукцией (Вr) (углеродистые, вольфрамовые, хромистые, кобальтовые стали). Применяются для изготовления постоянных магнитов.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9032 — 
| 7258 — 
или читать все.
91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно
Наличие у вещества магнитных свойств проявляется в изменении параметров магнитного поля по сравнению с полем в немагнитном пространстве. Происходящие физические процессы в микроскопическом представлении связывают с возникновением в материале под воздействием магнитного поля магнитных моментов микротоков , объёмная плотность которых называется вектором намагниченности .
Возникновение намагниченности в веществе при помещении его в магнитное поле объясняется процессом постепенной преимущественной ориентации магнитных моментов циркулирующих в нём микротоков в направлении поля. Подавляющий вклад в создание микротоков в веществе вносит движение электронов : спиновое и орбитальное движение связанных с атомами электронов, спиновое и свободное движение электронов проводимости.
По магнитным свойствам все материалы подразделяются на парамагнетики , диамагнетики , ферромагнетики , антиферромагнетики и ферриты . Принадлежность материала к тому или иному классу определяется характером отклика магнитных моментов электронов на магнитное поле в условиях сильных взаимодействий электронов между собой в многоэлектронных атомах и кристаллических структурах.
Диамагнетики и парамагнетики относятся к материалам со слабыми магнитными свойствами. Значительно более сильный эффект намагничивания наблюдается у ферромагнетиков.
Магнитная восприимчивость (отношение абсолютных значений векторов намагниченности и напряженности поля) у таких материалов положительная и может достигать нескольких десятков тысяч. У ферромагнетиков образуются области самопроизвольной спонтанной однонаправленной намагниченности — домены.
Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов: железа, кобальта, никеля и у ряда сплавов.
При наложении внешнего магнитного поля с возрастающей напряженностью векторы спонтанной намагниченности, изначально ориентированные в разных доменах по-разному, постепенно выстраиваются в одном направлении. Этот процесс называется техническим намагничиванием . Он характеризуется кривой начального намагничивания — зависимостью индукции или намагниченности от напряженности результирующего магнитного поля в материале.
При относительно небольшой напряженности поля (участок I) происходит быстрое возрастание намагниченности преимущественно из-за увеличения размеров доменов, имеющих ориентацию намагниченности в положительной полусфере направлений векторов напряженности поля. Одновременно пропорционально сокращаются размеры доменов в отрицательной полусфере. В меньшей степени изменяются размеры тех доменов, намагниченность которых ориентирована ближе к плоскости, ортогональной вектору напряженности.
При дальнейшем увеличении напряженности преобладают процессы поворота векторов намагниченности доменов по полю (участок II) до достижения технического насыщения (точка S). Последующему возрастанию результирующей намагниченности и достижению одинаковой ориентации всех доменов по полю препятствует тепловое движение электронов. Область III близка по характеру процессов к парамагнетикам, где увеличение намагниченности происходит из-за ориентации немногих спиновых магнитных моментов, дезориентированных тепловым движением. С увеличением температуры дезориентирующее тепловое движение усиливается и намагниченность вещества уменьшается.
Для конкретного ферромагнитного материала существует определенная температура, при которой ферромагнитное упорядочение доменной структуры и намагниченности исчезают. Материал становится парамагнитным. Эта температура носит название точки Кюри. Для железа точка Кюри соответствует 790 °С для никеля — 340 °С, для кобальта — 1150 °С.
Снижение температуры ниже точки Кюри вновь возвращает материалу магнитные свойства: доменную структуру с нулевой результирующей намагниченностью, если при этом отсутствовало внешнее магнитное поле. Поэтому разогрев изделий из ферромагнитных материалов выше точки Кюри используют для их полного размагничивания.
Кривая начального намагничивания
Процессы намагничивания ферромагнитных материалов подразделяются на обратимые и необратимые по отношению к изменению магнитного поля. Если после снятия возмущения внешнего поля намагниченность материала возвращается в исходное состояние, то такой процесс обратимый, в противном случае — необратимый.
Обратимые изменения наблюдаются на малом начальном отрезке участка I кривой намагничивания (зона Релея) при малых смещениях доменных стенок и на участках II, III при повороте векторов намагниченности в доменах. Основная часть участка I относится к необратимому процессу перемагничивания, который в основном определяет гистерезисные свойства ферромагнитных материалов (отставание изменений намагниченности от изменений магнитного поля).
Петлей гистерезиса называют кривые, отражающие изменение намагниченности ферромагнетика под воздействием циклически изменяющегося внешнего магнитного поля.
При испытаниях магнитных материалов петли гистерезиса строятся для функций параметров магнитного поля В (Н) или М (Н), которые имеют смысл результирующих параметров внутри материала в проекции на зафиксированное направление. Если материал предварительно был полностью размагничен, то постепенное увеличение напряженности магнитного поля от нуля до Hs дает множество точек начальной кривой намагничивания (участок 0-1).
Точка 1 — точка технического насыщения (Вs, Hs). Последующее снижение напряженности Н внутри материала до нуля (участок 1-2) позволяет определить предельное (максимальное) значение остаточной намагниченности Br и дальнейшим уменьшением отрицательной напряженности поля добиться полного размагничивания B = 0 (участок 2-3) в точке Н = -НсВ — максимальной коэрцитивной силы по намагниченности.
Далее материал перемагничивается в отрицательном направлении до насыщения (участок 3-4 ) при Н = — Hs. Изменение напряженности поля в положительную сторону замыкает предельный гистерезисный цикл по кривой 4-5-6-1.
Множество состояний материала внутри предельного гистерезисного цикла может быть достигнуто при изменении напряженности магнитного поля , соответствующем частным симметричным и несимметричным гистерезисным циклам .
Магнитный гистерезис: 1 – кривая начального намагничивания; 2 – предельный гистерезисный цикл; 3 – кривая основного намагничивания; 4 – симметричные частные циклы; 5 – несимметричные частные циклы
Частные симметричные гистерезисные циклы опираются вершинами на кривую основного намагничивания , которая и определяется как множество точек вершин этих циклов до совпадения с предельным циклом.
Частные несимметричные гистерезисные циклы образуются, если начальная точка не находится на кривой основного намагничивания при симметричном изменении напряженности поля, а также при несимметричном изменении напряженности поля в положительном или отрицательном направлении.
В зависимости от значений коэрцитивной силы ферромагнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвёрдые .
Магнитомягкие материалы используются в магнитных системах как магнитопроводы . Эти материалы имеют малую коэрцитивную силу, высокую магнитную проницаемость и индукцию насыщения.
Магнитотвёрдые материалы имеют большую коэрцитивную силу и в предварительно намагниченном состоянии используются как постоянные магниты – первичные источники магнитного поля .
Существуют материалы, которые по магнитным свойствам относятся к антиферромагнетикам . У них оказывается энергетически более выгодным антипараллельное расположение спинов соседних атомов. Созданы антиферромагнетики, обладающие значительным собственным магнитным моментом из-за асимметрии кристаллической решётки . Такие материалы называются ферримагнетиками (ферритами) . В отличие от металлических ферромагнитных материалов, ферриты – полупроводники и в них значительно меньшие потери энергии на вихревые токи в переменных магнитных полях.
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.
