Кривая намагничивания

При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле векторы намагниченности каких-либо доменов окажутся близкими к направлению вектора напряжённости внешнего магнитного поля. Энергия таких доменов будет минимальной, тогда как энергия всех остальных доменов повысится. Для того чтобы понизить общую энергию системы, благоприятно ориентированные домены растут, а неблагоприятно ориентированные уменьшаются. В результате увеличивается намагниченность материала (М) и возрастает индукция (В). Зависимость индук-ции от напряженности внешнего магнитного поля принято называть кривой намагничивания (рис. 4.3). Эту кривую принято подразделять на несколько участков.

На начальном участке кривой намагничивания увеличение напря-женности внешнего поля ведет к незначительному росту индукции, причем при отключении внешнего поля индукция снижается до нуля. Этот участок называют участком обратимого намагничивания или областью Релея (I).

На втором участке изменение напряженности внешнего поля ведет к быстрому росту индукции. Рост индукции происходит за счет смещения стенок доменов. Такой процесс происходит скачкообразно и приводит к ступенчатому росту индукции магнитного поля. Этот участок называют участком смещения доменных стенок или областью скачков Баркгаузена (II).

На третьем участке кривой намагничивания рост индукции от напряженности внешнего поля вновь ослабевает. Здесь увеличение индукции происходит за счет вращения неблагоприятно ориентированных доменов, что требует больших энергетических затрат и соответственно больших напряженностей магнитного поля. Этот участок называют участком вращения доменов (III).

На четвертом участке индукция изменяется незначительно. Этот участок называют участком насыщения или областью парапро-цесса (IV).

Рассмотрим подробнее взаимодействие границ доменов со структурными особенностями материала.

В любом материале присутствуют дислокации, в области, прилегающей к дислокации, кристаллическая решетка материала искажена. В том случае, если дислокация находится внутри домена, магнитные моменты атомов вблизи дислокации оказываются ориентированными в направлении трудного намагничивания. Если дислокация находится на границе доменов, где происходит постепенный поворот магнитных моментов от одного направления легкого намагничивания к другому, искажение кристаллической решетки приводит к тому, что часть магнитных моментов атомов оказывается ориентированной в направлении легкого намагничивания. Следовательно, дислокациям энергетически выгодно находиться на границах доменов.

При наличии в материале частиц чужеродных не ферромагнитных фаз границам доменов энергетически выгодно проходить через частицы этих фаз. Это связано с тем, что чужеродные частицы «вырезают» часть границы домена, следовательно, протяженность и энергия границы домена снижаются.

Таким образом, границы доменов притягиваются к структурным неоднородностям материала - дислокациям и частицам чужеродных фаз.

При попадании ферромагнетика во внешнее магнитное поле начинается рост благоприятно ориентированных доменов, т. е. их границы смещаются. Однако структурные неоднородности материала препятствуют смещению границ доменов (т. е. являются точками закрепления границ доменов), и границы изгибаются под действием внешнего поля (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Изгиб границ доменов, закреплен-ных препятствиями, под действием внешнего магнит-ного поля

Изгиб границ энергетически невыгоден, поскольку приводит к увеличению их поверхности, поэтому при отключении внешнего поля границы вновь выпрямляются и намагниченность исчезает. Таким образом, при малых значениях напряженности внешнего поля происходит обратимое намагничивание, что соответствует области Релея.

При дальнейшем увеличении напряженности внешнего поля изгиб границ становится настолько большим, что дальнейший изгиб границ становится энергетически невыгодным, границы отрываются от точек закрепления и скачками перемещаются до следующего ряда точек закрепления. При этом наблюдается резкий рост индукции или скачок Баркгаузена.

После того как смещение границ доменов приведет к тому, что благоприятно ориентированные домены заполнят весь объем кристалла, начинается рост намагниченности за счет поворота магнитных моментов атомов от направления легкого намагничивания к направлению трудного намагничивания. Для его осуществления требуется высокая напряженность внешнего поля. Таким образом, реализуется участок замедленного роста намагничивания, называемого областью намагничивания за счет процессов вращения.

Наконец, после того как все магнитные моменты атомов будут направлены по внешнему полю, прироста намагниченности практически не происходит. Некоторый рост индукции происходит за счет роста напряженности магнитного поля, как в парамагнетиках. Это участок насыщения или область парапроцесса.

Рассмотрим теперь процесс циклического намагничивания и размагничивания ферромагнетика (см. рис. 4.5). Если после намагничивания ферромагнетика до насыщения отключить внешнее магнитное поле, то намагниченность ферромагнетика полностью не снимается и сохраняется остаточная индукция (В_r). Это вызвано тем, что дефекты структуры, препятствующие перемещению границ доменов при намагничивании, препятствуют обратному смещению границ доменов при размагничивании. Для того чтобы снять остаточную индукцию, необходимо приложить поле обратной полярности. При некотором значении напряженности поля, называемом коэрцитивной силой (Н_с), индукция исчезнет. Дальнейшее увеличение напряженности поля в обратном направлении приведет к намагничиванию ферромагнетика. Естественно, что знак вектора магнитной индукции при этом поменяется. Отключение внешнего магнитного поля вновь приведет к появлению остаточной индукции, для снятия которой необходимо приложить коэрцитивную силу. Таким образом, при нахождении ферромагнетика в переменном магнитном поле его состояние изменяется по петле, называемой петлей гистерезиса. Чем больше в материале дефектов структуры, затрудняющих смещение границ зерен, тем выше значение коэрцитивной силы и шире петля гистерезиса.

Площадь петли гистерезиса характеризует затраты энергии на перемагничивание материала за один цикл:

Р = Н dB . (4.11)

Таким образом, чем шире петля гистерезиса , тем больше энергии расходуется на перемагничивание материала.

Другим фактором, вызывающим потери в ферромагнитных материалах, являются так называемые вихревые токи. Известно, что при нахождении в переменном магнитном поле в проводнике возникает ЭДС индукции, приводящая к протеканию вихревых токов. Переменное магнитное поле вызывает появление переменного электрического поля. Вихревые токи вызывают нагрев материала и обуславливают появление магнитного поля, ослабляющего внешнее поле. В связи с этим появляются потери энергии внешнего магнитного поля на вихревые токи. Очевидно, что для снижения потерь на вихревые токи необходимо повысить электрическое сопротивление материала.