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 (I) и возрастает индукция (В). Зависимость индукции поля от напряженности внешнего магнитного поля называют кривой намагничивания (рис. 5.2). Эту кривую принято подразделять на несколько участков.

     На начальном участке кривой намагничивания увеличение напряженности внешнего поля ведет к незначительному росту индукции, причем при отключении внешнего поля индукция снижается до нуля. Этот участок называют участкомобратимогонамагничивания  или областьюРелея (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 участкомсмещениядоменныхстенок или областьюскачковБаркгаузена (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 участкомвращениядоменов (III).

На четвертом участке индукция изменяется незначительно. Здесь уже все магнитные моменты доменов направлены по внешнему полю, поэтому прироста намагниченности практически не происходит, а некоторое увеличение индукции происходит за счет роста напряженности внешнего магнитного поля, как в парамагнетиках. Поэтому участок называют участком   насыщения или   областьюпарапроцесса (IV).

Рассмотрим теперь процесс циклического намагничивания и размагничивания ферромагнетика (см. рис. 5.3). Если после намагничивания ферромагнетика до насыщения отключить внешнее магнитное поле, то намагниченность ферромагнетика полностью не снимается и сохраняется остаточнаяиндукция (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 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 петлейгистерезиса. 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.                                                (5)

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

Другим фактором, вызывающим потери в ферромагнитных материалах, являются так называемые вихревыетоки. 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. Таким образом, энергии магнитного поля теряется на вихревые токи. Очевидно, что для снижения потерь на вихревые токи необходимо повысить электрическое сопротивление материала.

Для измерения в лабораторной работе используются образцы электротехнической стали, сплава железа легированного кремнием

Низкое электрическое сопротивление чистого железа приводит к тому, что в переменных полях в железе возникают большие потери на вихревые токи. При легировании железа кремнием удельное электрическое сопротивление материала существенно возрастает. Так у сплава, содержащего 5% кремния, удельное электрическое сопротивление достигает 0,7 мкОм м, то есть увеличивается более чем в 7 раз по сравнению с чистым железом.

Кроме того, присутствие кремния в железе снижает магнитную анизотропию и магнитострикцию, что приводит к увеличению магнитной проницаемости сплава.

Важно отметить, что взаимодействие кремния с дислокациями приводит к снижению их подвижности, поэтому снижается пластичность сплавов. В связи с этим промышленные сплавы железа с кремнием - электротехнические сталисодержат не более 5% Si.

Маркировка электротехнических сталей согласно ГОСТ состоит из четырех цифр. Первая обозначает класс по структурному состоянию и виду прокатки, вторая – примерное содержание кремния, третья – группу по основной нормируемой характеристике. Три первые цифры в марке означают тип электротехнической стали, а четвертая – порядковый номер типа стали.

По структурному состоянию и виду прокатки сталь подразделяют на 3 класса: 1– горячекатанная изотропная, 2– холоднокатанная изотропная, 3– холоднокатанная анизотропная, с ребровой текстурой.

Вторая цифра в марке показывает примерное содержание кремния в процентах: 0 – до 0,4%; 1 – содержание в интервале 0,4…0,8%; 2 – 0,8…1,8%; 3 – 1,8…2,8%; 4 – 2,8…3,8%,                  5 – 3,8…4,8%.

Некоторые предприятия выпускают электротехнические стали согласно ТУ.