Сильномагнитные вещества
Ферромагнетики характеризуются:
а) Способностью сильно намагничиваться даже в слабых полях (kм = 103…104).
б) Выше определённой температуры (температуры Кюри Tк) ферромагнетики переходят в парамагнетики, т.е. магнитная восприимчивость снижается на 3-4 порядка.
К ферромагнетикам относят гадолиний (Tк=18°С), железо (769°С), кобальт (1131°С), никель (358°С).
Ферромагнетизм – магнитоупорядоченное состояние микроскопических объёмов вещества, в которых магнитные моменты атомов (ионов) параллельны и одинаково сориентированы. Эти объёмы (домены) обладают магнитным моментом даже при отсутствии внешнего намагничивающего поля (рисунок 5.1).
Если тело состоит из нескольких доменов, при образовании замыкающих доменов магнитный поток замкнут внутри тела, за его пределами магнитное поле равно нулю.
Деление образца на домены ограничивается энергией, затрачиваемой на образование границ между доменами. Линейный размер доменов имеет порядок от 10-2 до 10-5 см.
Рисунок 5.1 Рисунок 5.2
Доменная структура магнитных Основная кривая намагничивания материалов:1- Замыкающие домены ферромагнетика
2- Основные домены
Толщина доменной границы достигает нескольких сотен нанометров. При наложении внешнего магнитного поля происходит рост объёма доменов, которые имеют направление намагниченности, совпадающее или близкое к направлению напряжённости поля.
Зависимость магнитной индукции ферромагнитного вещества от напряженности внешнего поля называют кривой намагничивания, она имеет вид, показанный на рисунке 5.2. Кривую намагничивания ферромагнетиков можно разделить на несколько участков, которые характеризуются определенными процессами намагничивания. В области слабых полей (область /) магнитные восприимчивость и проницаемость не изменяются. Изменение магнитной индукции в этой области происходит в основном за счет обратимых процессов, которые обусловлены смещением границ доменов.
Кривая намагничивания в области // характеризуется тем, что здесь происходит неупругое смещение границ доменов, т. е. процесс не является обратимым. В области приближения к насыщению (область ///) изменение индукции объясняется в основном процессом вращения, когда направление вектора намагниченности самопроизвольных областей (доменов) приближается к направлению внешнего поля. Полная ориентация намагниченности по полю соответствует техническому насыщению. На последнем участке кривой (область IV) наблюдается слабый рост индукции с увеличением поля. Увеличение индукции происходит за счет роста намагниченности самого домена, т. е. ориентации спиновых моментов отдельных электронов, направление которых не совпадает с направлением внешнего поля вследствие дезориентирующего влияния теплового движения.
Рисунок 5.3
Кривая намагничивания и углы a, характеризующие различные типы магнитной проницаемости.
Статическая магнитная проницаемость, определяемая по формуле m=В/(m0Н),пропорциональна тангенсу угла aнач наклона прямой, проведенной из начала координат через точку на основной кривой намагничивания (рис. 5.3).
Значение магнитной проницаемости mн в области слабых полей (Н®0) называют начальной магнитной проницаемостью, экспериментально ее определяют в полях ~0,1А/м. Наибольшее значение магнитной проницаемости называют максимальной проницаемостью mmax.
Магнитная проницаемость магнитных материалов растет с увеличением температуры и имеет максимум при температуре Кюри. Значения температуры Кюри для ряда магнитных материалов приведены в таблице 5.1.
Если намагничивать ненамагниченный материал во внешнем магнитном поле, то индукция возрастает при непрерывном увеличении напряженности магнитного поля Н и достигает значения индукции насыщения Вs,. Если после этого уменьшить напряженность внешнего поля Н, то намагниченность уменьшится, но этому значению напряженности будет соответствовать уже другое, большее, значение индукции, чем при начальном намагничивании.
Таблица 5.1 Значение температуры Кюри для ряда магнитных материалов
Материал | Tk, 0С | mmax | Вs, Тл |
Fe | 2,15 | ||
Ni | 0,61 | ||
Co | 1,7 |
Это означает, что кривые В=f(H) при увеличении и уменьшении напряженности поля не тождественны вследствие явления гистерезиса. Магнитным гистерезисом называется явление отставания изменения магнитной индукции от вызывающей эти изменения напряженности магнитного поля (рисунок 5.4). При уменьшении Ндо нуля в образце остается остаточная индукция Вг.Если направление поля изменить на противоположное и начать его увеличивать, то можно уменьшить индукцию до нуля. В этом случае значение Неназывается коэрцитивной (задерживающей) силой.
Рисунок 5.4-Петля магнитного гистерезиса
Значение индукции насыщения определяется в поле Hs, которое принимается равным 5 Нс. Кривая изменения индукции при изменении напряженности внешнего магнитного поля от + Нс до — Нcи обратно называется предельной петлей гистерезиса, которая является важной характеристикой материала, на ее основе можно определить основные параметры материала — коэрцитивную силу Нc, индукцию насыщения Bs, остаточную индукцию Вrи др. По значению коэрцитивной силы материалы делятся на магнитомягкие (с малым значением Нс и большой магнитной проницаемостью) и магнитотвёрдые (с большой коэрцитивной силой). Для магнитотвёрдых материалов желательно, с точки зрения применения, чтобы площадь петли гистерезиса была как можно больше. Магнитотвёрдые материалы обладают широкой петлёй гистерезиса.
Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с тепловыми потерями части энергии магнитного поля, что внешне проявляется в нагреве материала. Потери в магнитном материале характеризуются удельными магнитными потерями Руд или тангенсом угла магнитных потерь tgdм.
По механизму возникновения различают потери на гистерезис и динамические. Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением границ доменов. Они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного поля. Мощность потерь, расходуемая на гистерезис, определяется следующей формулой:
Pr=hBmn f V (5.7)
где h— коэффициент, зависящий от свойств материала; Вm - максимальная индукция в течение цикла; n=1,6…2,0 — показатель степени, принимающий значения в зависимости от В; f — частота; V — объем образца.
Динамические потери вызываются вихревыми токами и потерями на магнитное последействие или магнитной вязкостью, которые учитывают в слабых магнитных полях; они обусловлены отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля.
Потери на вихревые токи вызываются электрическими токами, которые магнитный поток индуцирует в магнитном материале; они зависят от электрического сопротивления магнитного материала. Увеличение сопротивления приводит к уменьшению потерь. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты магнитного поля, поэтому применение магнитных материалов с низким электрическим сопротивлением имеет ограничение на высоких частотах. Мощность потерь на вихревые токи можно записать в виде:
P= 1,6f2h2Вmax2/Дr (5.8)
где f – частота, h – толщина магнитного материала, r - удельное электрическое сопротивление, Д—плотность материала.
Для работы в переменных магнитных полях используют материалы с узкой петлей гистерезиса, т. е. с очень малой коэрцитивной силой.
Дата добавления: 2018-11-26; просмотров: 526;