2015-03-20
857
Все вещества с учетом их магнитных свойств принято называть магнетиками, т.е. они способны под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться).
По своим магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы:
· диамагнетики;
· парамагнетики;
· ферромагнетики.
Диамагнетики – это вещества, которые слабо намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции поля.
Наряду с диамагнетиками существуют и парамагнетики – вещества, слабо намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению вектора магнитной индукции поля.
Особый класс магнетиков образуют вещества, обладающие способностью сильно намагничиваться и сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля. По своему наиболее распространенному представителю (железу) их называют ферромагнетиками.
Ферромагнетики - это твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры. Ферромагнетики в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков являются сильномагнитными средами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее поле.
Магнитные свойства ферромагнитных материалов сохраняются до тех пор, пока их температура не достигнет значения, называемого точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри ферромагнетик ведет себя во внешнем магнитном поле как парамагнитное вещество. Он не только теряет свои ферромагнитные свойства, но у него изменяется теплоемкость, электропроводимость и некоторые другие физические характеристики.
При намагничивании ферромагнетиков происходит небольшое изменение их линейных размеров, т.е. увеличение или уменьшение их длины с одновременным уменьшением или увеличением поперечного сечения. Это явление называется магнитострикцией, оно зависит от строения кристаллической решетки ферромагнетика.
В настоящий момент установлено, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами электронов. Установлено также, что ферромагнитными свойствами могут обладать только кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с некомпенсированными спинами. В подобных кристаллах могут возникать силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу, что и приводит к возникновению областей спонтанной намагниченности - доменов. Эти силы, называемые обменными, имеют квантовую природу – они обусловлены волновыми свойствами электронов.
Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетиков с использованием электромагнита (рис.1). Допустим, что кольцевой магнитопровод из ферромагнитного материала не намагничен и тока в витках катушки нет, т.е. B =0 и H =0. При постепенном увеличении намагничивающего тока, т.е. магнито-движущей силы (МДС), а,
Рис.1.Процесс перемагничивания ферромагнетика
следовательно, и напряженности поля H от нуля до некоторого наибольшего значения магнитная индукция B увеличивается по кривой начального намагничивания (0-a) и достигает соответствующего максимального значения Ba. Если затем ток и напряженность поля уменьшаются, то и магнитная индукция уменьшается. При этом кривая изменения магнитной индукции (участок a-б на рис. 1) располагается выше кривой начального намагничивания 0-а. При нулевых значениях тока и напряженности поля магнитная индукция имеет некоторое значение Br, называемое остаточной индукцией (отрезок О-б на рис. 1). Таким образом, магнитная индукция в ферромагнитном материале зависит не только от напряженности поля, но и от предшествующего состояния ферромагнетика. Это явление называется гистерезисом.
При изменении направления намагничивающего тока, а, следовательно, и направления напряженности поля и постепенном увеличении тока обратного направления напряженность поля H достигает значения Hc, называемого коэрцитивной силой (отрезок О-в), при котором магнитная индукция B =0. При дальнейшем увеличении тока и напряженности поля магнитопровод намагничивается в противоположном направлении и при напряженности поля Hг = - Ha магнитная индукция достигнет значения Bг = - Ba. Затем при уменьшении тока и напряженности поля до нуля магнитная индукция Bд становится равной - Bб. Наконец, при следующем изменении направления тока и напряженности поля и увеличения ее до прежнего значения На магнитная индукция увеличится также до прежнего значения Ba. Рассмотренный цикл перемагничивания ферромагнетика по кривой абвгдеа называется гистерезисным циклом (петлей гистерезиса).
Такая симметричная замкнутая петля гистерезиса (рис. 1) получается в действительности только после нескольких перемагничиваний с увеличением тока до значения Ia, которому соответствует величина напряженности Ha. При первых циклах перемагничивания петля несимметричная и незамкнутая. Наибольшая замкнутая петля, которая может быть получена для данного ферромагнитного материала, называется предельной (рис. 2). При напряженности поля H> Hmax получается уже безгистерезисный участок кривой B(H).
Рис.2.Типы петель гистерезиса
Если для данного ферромагнитного материала, выбирая различные значения тока Ia, получить несколько симметричных петель гистерезиса (рис. 2) и соединить вершины петель, то получим кривую, называемую основной кривой намагничивания, близкую к кривой начального намагничивания.
Циклическое перемагничивание можно применить для размагничивания магнитопровода, т.е. для уменьшения остаточной индукции до нулевого значения. С этой целью магнитопровод подвергают воздействию изменяющегося по направлению и постепенно уменьшающегося магнитного поля.
Периодическое перемагничивание связано с затратой энергии, которая, превращаясь в тепло, вызывает нагрев магнитопровода. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной при одном цикле перемагничивания. Энергия, затраченная на процесс перемагничивания, называется потерями от гистерезиса, или потерями на гистерезис. Мощность потерь на циклическое перемагничивание, выражаемая обычно в ваттах на килограмм, зависит от материала, максимальной магнитной индукции и числа циклов перемагничивания в секунду или, что тоже, частоты перемагничивания.
Ферромагнитные материалы делятся на две группы: магнитомягкие и магнитотвердые.
Магнитомягкие материалы применяются в качестве магнитопроводов (сердечников) в устройствах и приборах, где магнитный поток постоянный (полюсные башмаки и сердечники измерительного механизма) или переменный (например, магнитопровод трансформатора). Они обладают низким значением коэрцитивной силы Hc (ниже 400А/м), высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на гистерезис.
Магнитотвердые материалы предназначены для изготовления постоянных магнитов самого различного назначения. Эти материалы характеризуются большой коэрцитивной силой, большой остаточной индукцией и большими потерями на гистерезис.
