Петля магнитного гистерезиса. Основные свойства и параметры магнитных материалов

Магнитным гистерезисом называется явление отставания изменений намагниченности или магнитной индукции от вызывающих эти изменения изменений напряженности магнитного поля.

Если начать намагничивать образец магнитного материала, то при непрерывном возрастании напряженности магнитного поля индукция образца увеличивается, пока не достигнет максимального значения магнитной индукции В_MAX (рисунок 2.18, участок 0-1).Если после этого уменьшать напряжен-

Рисунок 2.18 – Петля магнитного гистерезиса.

ность магнитного поля Н, индукция В уменьшится, но отдельным значениям Н при уменьшении будут соответствовать уже другие, большие значения В. Это означает, что кривые В=f(Н) при увеличении и при уменьшении Н не тождественны. Если направление поля изменить на противоположное и начать его увеличивать, то при Н= -Н_С индукция В уменьшится до нуля. В этом случае величина Н_С называется коэрцитивной силой по индукции. При дальнейшем возрастании поля в обратном направлении образец будет намагничиваться в обратном направлении, пока при значении напряженности минус Н_MAX индукция не достигнет значения -В_МАХ. При последующем уменьшении поля индукция снова будет уменьшаться, причем значения будут отличаться от соответствующих значений индукции при увеличении поля. При Н=0 остается остаточная магнитная индукция Вr. Для её исчезновения необходимо изменить направление поля и увеличить его до Н=Н_С. При дальнейшем увеличении Н до Н_МАХ значения В увеличатся до В_МАХ.

Кривая изменения магнитной индукции при изменении напряженности магнитного поля Н от Н_МАХ до – Н_МАХ и обратно называется предельной петлей магнитного гистерезиса. Она является важной характеристикой магнитного материалы, так как на её основе определяются важные показатели свойств материала – коэрцитивная сила Н_С и остаточная магнитная индукция Вr, а также остаточная намагниченность Мr и индукция насыщения В_МАХ.

Вследствие магнитного гистерезиса одному значению напряженности магнитного поля соответствует бесконечное множество значений магнитной индукции, которые зависят не только от напряженности магнитного поля, но и от предыстории намагничивания образца.

Если при циклическом перемагничивании значения Н не достигают Н_МАХ, явление гистерезиса становится более сложным и в этом случае петля гистерезиса не всегда бывает замкнутой и симметричной. Для получения симметричной кривой обычно бывает необходимо около 10 циклов перемагничивания.

Явление магнитного гистерезиса в некоторых случаях является нежелательным, например, в магнитопроводах трансформаторов, так как оно вызывает большие потери. Во многих случаях, однако, оно используется, например, в постоянных магнитах, в магнитных запоминающих устройствах и т.п.

Физической причиной явления магнитного гистерезиса является то, что доменная структура магнитного материала зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Изменения в доменной структуре осуществляются путем перемещения доменных границ, что требует определенных энергии и времени. При циклическом перемагничивании перемещения доменных границ не успевают происходить одновременно с изменениями напряженности магнитного поля. Часть этих перемещений необратима, т.е. изменения остаются и после того, как напряженность магнитного поля исчезает. Это является причиной возникновения остаточной магнитной индукции.

Свойства магнитных материалов характеризуются следующими параметрами.

Во внешнем магнитном поле напряженностью магнитный материал характеризуется намагниченностью или индукцией . Намагниченность равна результирующему моменту единицы объема:

. (2.26)

Соответственно индукция

, (2.27)

где µ₀ – магнитная проницаемость вакуума, равная 4π·10^-7 Гн/м.

Размерность Н – А/м, так как

, (2.28)

где I_H – ток намагничивания, W – число витков обмотки, l – длина магнитопровода. Размерность В – тесла (Т: Т=(Кл·Ом)/м²).

Чаще всего магнитную индукцию В выражают в зависимости от намагничивающего поля Н соотношением вида

В=µ_а·Н, (2.29)

где µ_а – абсолютная магнитная проницаемость, определяемая из кривой В=f(Н). В технике пользуются безразмерной магнитной проницаемостью (относительной проницаемостью) µ= µ_а/ µ₀.

В системе СИ

. (2.30)

Зависимость В=f(Н) может быть трех типов. Кривая, полученная для предварительно размагниченного материала при монотонном возрастании Н, называется первоначальной (нулевой кривой) кривой намагничивания.

Кривая 1 (рисунок 2.19) – это безгистерезисная (идеальная) кривая намагничивания, полученная при одновременном воздействии постоянного поля и переменного, с убывающей до нуля амплитудой. Кривая 2 – основная, коммутационная кривая намагничивания, представляет собой геометрическое место точек, вершин кривых, полученных при циклическом перемагничивании. Нулевая кривая близко совпадает с основной, но зависит от случайных причин, например, от механических сотрясений, колебаний температуры, характера изменения внешнего поля и т.д. Нулевая кривая не имеет хорошей воспроизводимости и не может быть использована для сравнительной оценки свойств различных материалов. В инженерной практике она не используется. Безгистерезисная кривая выходит в область насыщения уже в слабых полях. Намагничивание по этой кривой имеет место в некоторых случаях. Основная кривая намагничивания является важнейшей характеристикой магнитных материалов. Она хорошо воспроизводится. На ней принято различать три участка.

Начальный 1 (рисунок 2.20), соответствующий очень слабым магнитным полям (до 0.08 А/м), характеризуется линейным ростом индукции В от Н. Магнитная проницаемость на этом участке остается постоянной. Начальный участок основной кривой намагничивания обратим и используется в технике слабых токов. В области очень слабых полей в магнитном материале происходит ориентация и упругое смещение стенок доменов, направление которых составляло наименьший угол с направлением внешнего поля. В области слабых и средних полей наблюдается резкий рост индукции и магнитной проницаемости, участок 2. При этом внутри материала происходит рост доменов за счет ломки стенок соседних доменов, и наибольших размеров достигают те домены, направление которых имело меньший угол с направлением внешнего поля. Участок 2 кривой намагничивания необратим; в.той области работают сердечники силовых трансформаторов. В сильных полях, участок 3, кривая намагничивания выходит в область насыщения. На этом участке кривой работают специальные виды трансформаторов. На кривой μ=f(H) отметим две характерные точки: μ_НАЧ – начальная магнитная проницаемость, значение которой получают в очень слабых магнитных полях (до 0.08 А/м); она является основным параметром высокочастотных магнитных материалов; μ_МАХ – максимальная магнитная проницаемость, равная отношению максимальной напряженности внешнего поля; определяется по наклону касательной, проведенной из начала координат к точке верхнего перегиба кривой В=f(H).