Намагничивание и перемагничивание ферромагнитных материалов

       Ферромагнетиками называются материалы, обладающие большой магнитной проницаемостью и значительно усиливающие магнитное поле. К ним относятся железо, никель, кобальт и их сплавы.

       Природа ферромагнетизма в том, что каждый ферромагнитный материал состоит из самопроизвольно намагниченных областей (доменов). Магнитное поле каждого домена характеризуется вектором намагниченности. В отсутствии внешнего магнитного поля эти векторы ориентированы хаотически, поэтому магнитные свойства ферромагнетика не проявляются. Если поместить ферромагнетик во внешнее магнитное поле, то векторы намагничивания отдельных доменов начнут ориентироваться вдоль внешнего поля и ферромагнетик намагнитится. При этом магнитная индукция результирующего поля будет складываться из индукции внешнего поля и индукции отдельных доменов, поэтому суммарное магнитное поле значительно превысит внешнее поле.

       Магнитное состояние ферромагнетика зависит от величины напряженности внешнего магнитного поля (Н) и характеризуется кривой намагничивания. Будем считать, что ферромагнетик в исходном состоянии полностью размагничен. Поместим его в катушку и будем увеличивать ток, идущий по катушке. По мере увеличения тока магнитная индукция образца быстро возрастает (участок АБ) за счет ориентации векторов намагниченности отдельных доменов вдоль внешнего поля. Затем интенсивность ориентации замедляется (участок БГ). Точка Г соответствует магнитному насыщению, при котором все домены сориентированы вдоль внешнего поля.

       Если через катушку пропускать ток, меняющий свое направление, то ферромагнетик будет перемагничиваться. График, описывающий этот процесс, называется петлей гистерезиса (запаздывания) (рис.1.3.1).

       При увеличении тока в катушке магнитная индукция будет увеличиваться до величины B_max. При уменьшении тока магнитная индукция будет уменьшаться, но не до нуля, а до величины B_r (остаточная магнитная индукция), так как часть доменов останется ориентированной вдоль внешнего поля. При увеличении тока в противоположном направлении внешнее поле окончательно разориентирует домены и при величине напряженности внешнего поля H_с (коэрцитивная сила) результирующая магнитная индукция будет равна нулю, то есть ферромагнетик полностью размагнитится. Дальнейшее увеличение тока в катушке приведет к перемегничиванию материала. При этом векторы намагниченности доменов повернутся на 180⁰.

       Процесс перемегничивания ферромагнетика связан с затратами энергии. Энергия, затраченная на один цикл перемагничивания, пропорциональна площади петли гистерезиса.

       В зависимости от вида петли гистерезиса ферромагнетики делятся на магнитомягкие и магнитотвердые.

       Петля гистерезиса для магнитомягких материалов характеризуется малой площадью и круто поднимающейся основной кривой намагничивания. Остаточная магнитная индукция и коэрцитивная сила у магнитомягких материалов малы, поэтому они легко перемагничиваются и имеют малые затраты энергии на перемагничивание. К магнитомягким материалам относятся электротехническая сталь, чугун, пермаллой.

       Для магнитотвердых материалов (закаленная сталь, сплавы: альнико, альниси и т.д.) петля гистерезиса имеет большую площадь (затраты энергии на перемагничивание) и полого поднимающую кривую намагничивания. Остаточная индукция и коэрцитивная сила этих материалов велики, поэтому из них получаются хорошие постоянные магниты.