Намагничивание ферромагнитных материалов

Вопрос к студентам:

- Какие вещества называют ферромагнетиками?

Ферромагнетики – материалы, обладающие большой магнитной проницаемостью. К ним относят: сталь, железо, никель, кобальт, их сплавы и др. Отличительной особенностью ферромагнетиков является наличие макроскопических объёмов вещества — доменов, в которых магнитные моменты атомов (ионов) ориентированы одинаково. Домены обладают самопроизвольной намагниченностью (магнитными моментами) даже при отсутствии внешнего намагничивающего поля. В ферромагнетике, не подвергавшемся воздействию внешних магнитных полей, магнитные моменты различных доменов обычно взаимно скомпенсированы, и их результирующее магнитное поле близко к нулю.

Для ферромагнетиков характерен гистерезис при перемагничивании внешним магнитным полем, то есть запаздывание изменений намагниченности вещества от изменений намагничивающего поля. На рис. 1 приведена основная характеристика ферромагнетиков — зависимость магнитной индукции В от напряжённости Н намагничивающего поля (так называемая петля гистерезиса).

Под воздействием внешнего магнитного поля происходит ориентация элементарных магнитных полей, создаваемых круговым движением электронов в атомах и молекулах ферромагнетика. В результате увеличиваются размеры магнитных доменов, ориентированных по направлению внешнего поля. После прекращения внешнего воздействия изменения, происшедшие в размерах и ориентации магнитных доменов, частично сохраняются. Появляется остаточная намагниченность вещества — след, оставленный в ферромагнетике внешним воздействием.

Из рис.1 видно, что при значении +Н наступает магнитное насыщение – намагниченность образца достигает максимального значения.

Если теперь уменьшать напряженность магнитного поля и довести ее вновь до нулевого значения, то ферромагнетик сохранит остаточную намагниченность – поле внутри образца будет равно B_r. Остаточная намагниченность образцов позволяет создавать постоянные магниты. Для того, чтобы полностью размагнитить образец, необходимо, изменив знак внешнего поля, довести В до пересечения с осью -Н. Эту точку принято называть коэрцитивной силой. Далее процесс перемагничивания может быть продолжен.

У магнито-мягких материалов значения коэрцитивной силы невелико – петля гистерезиса таких материалов достаточно «узкая».

Эти материалы обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми удельными потерями: техническое железо, низкоуглеродистые стали, листовые электротехнические стали, некоторые железо-никеливые сплавы (пермаллои) и оксидные ферромагнетики.

Такие материалы широко применяются для сердечников трансформаторов, для сердечников аппаратуры проводной и радиосвязи, в вычислительных устройствах, в автоматике и др.

Материалы с большим значением коэрцитивной силы, то есть имеющие «широкую» петлю гистерезиса, относятся к магнито-твердым.

Они характеризуются большой остаточной индукцией и поэтому используются для изготовления постоянных магнитов самого различного назначения.

Магнитная цепь

Магнитной цепью называется устройство, отдельные участки которого выполнены из ферромагнитных материалов, по которым замыкается магнитный поток. Примерами простейших цепей могут служить магнитопроводы кольцевой катушки и электромагнита, изображенного на рис.7, а. Электрические машины и трансформаторы, электромагнитные аппараты и приборы имеют обычно магнитные цепи более сложной формы.

Рис.7. Магнитные цепи (а — неразветвленная, б — разветвленная, в- простая, д- сложная)

Если магнитная цепь выполнена из одного и того же материала и имеет по всей длине одинаковое сечение, то цепь называется однородной.

Если же отдельные участки цепи изготовлены из различных ферромагнитных материалов и имеют различные длины и сечения, то цепь — неоднородная.

Магнитные цепи, так же как и электрические,

бывают неразветвленные (рис. 7, а), разветвленные (рис. 7, б), простыеи сложные. Простые обычно имеют одну катушку. Сложная магнитная цепь обычно имеет несколько катушек, участки с разными сечениями и магнитными материалами (рис.7,д) .

В неразветвленных цепях (рис. 7, а и 7, в) магнитный поток Ф во всех сечениях имеет одно и то же значение.

В разветвленных - для рис. 7 б : Ф₃= Ф₁+ Ф₂