Феромагнетизм

феромагнетизм

Ферромагнетики - залізо, нікель, кобальт, гадоліній і їх різні сплави - в магнітному полі намагнічуються. Стрижень з феромагнітного матеріалу, поміщений в магнітне поле, наприклад в поле котушки, обтічної струмом, виявляє сильні магнітні властивості. На кінці стрижня, з якого магнітний потік виходить, з`являється північний полюсN,а по дорозі назад його кінці - південний полюс S (рис. 1). Намагнічений стрижень, віддалений з магнітного поля, в деякій мірі зберігає магнітні властивості. Це його залишкове намагничение. Воно незначно у м`якого заліза, але дуже виражено у жорстких феромагнітних сплавів. Порівняно великим є залишковий магнетизм у магнітожорстких матеріалів, використовуваних для виробництва незмінних магнітів: наприклад у кобальтової сталі, сплаву магнико і ін.

Намагнічення залізного стрижня в котушці, обтічної струмом

Теорія феромагнетизму дуже складна, але для головних електротехнічних розрахунків вона не вживається. Можна тільки згадати, що феромагнітний тіло всередині розпадається на області мимовільної намагніченості - феромагнітні домени, щось схоже мікроскопічних незмінним магнітів. Ці області щодо великі і містять цілі групи атомів. При певних умовах домени на поверхні феромагнетика можна стежити під мікроскопом. Магнітні сили між 2-ма сусідніми доменами володіють взаємно розмагнічуючої дії, т. Е. Прагнуть встановити домени в зворотному напрямку ( «антипараллельно»). В результаті магнітні поля доменів взаємно компенсуються.

Під впливом зовнішнього магнітного поля повертається магнітна вісь в доменах і зміщуються кордону між ними. Останнє є відповідним відмінністю доменів від уявних простих магнетиков. Орієнтування доменів у напрямку поля робить магнітні полюси на відповідних поверхнях тіла. Сили зовнішнього магнітного поля повинні долати протидію внутрішніх сил в речовині, що прагнуть утримати домени в первісному положенні. Тому, чим сильніше магнітне поле, т. Е чим більше його напруженість, тим більше намагничивается ферромагнетик. Зрештою, при значній напруженості зовнішнього поля всі домени орієнтуються у напрямку зовнішнього поля. Цей стан називається магнітним насиченням феромагнетика.

Зміна положення і кордонів доменів пов`язано зі змішанням входять до їх атомів і викликає зміна форми намагнічуватися тіла, що іменується м а г н і т о з т р і до ц і е й (від лат. Слова «stricio» - натягування). А саме, металевий і нікелевий стрижні подовжуються в напрямку намагнічування. Це подовження мало, порядку не більше однієї тисячної, але має суттєве практичне значення. Наприклад, воно викликає гудіння трансформаторів.

Для електротехнічних розрахунків принципово, що ставлення індукції до напруженості, т. Е. Магнітна проникність mаферромагнетіков дуже велика і непостійна. Велика магнітна проникність феромагнетиків вживається для того, щоб посилювати магнітні поля в електронних машинах і апаратах. Мінливість магнітної проникності значно ускладнює розрахунки. Залежність В від H у феромагнетиків щодо складна і не може бути виражена будь-якої простою формулою. З цієї причини доводиться користуватися графічним зображенням - кривої намагнічування (рис. 2). Нижня гілка такої кривої відповідає ненасиченого стану феромагнетика, перегин ( «коліно») кривої - переходу в насичене стан. Вид кривої намагнічування визначається якостями даного магнітного матеріалу.

Мал. 2Крівая початкового намагнічування електротехнічної листової сталі

Феромагнітні сердечники електронних машин і апаратів розраховуються так, щоб в робочому стані пристрою магнітна індукція відповідала певній частині кривої намагнічування матеріалу осердя.

У вимірювальних приладах, пристроях регулювання і автоматичного захисту необхідно, щоб магнітна індукція змінювалася пропорційно намагнічує струму. Ця умова буде виконана, якщо при роботі приладу магнітна індукція буде змінюватися в межах ненасиченої частини кривої намагнічування.

Для може бути найкращого використання електротехнічних матеріалів, щоб отримати мінімум витрати матеріалів на одиницю потужності, доцільно вибирати індукцію, приблизно відповідну коліну кривої намагнічування.

Якщо необхідно, щоб при коливаннях намагнічує струму магнітний потік, їм порушуваний, мало змінювався (наприклад, в генераторах постійного струму), то магнітна індукція повинна відповідати насиченою гілки кривої намагнічування.

Вищенаведена крива намагнічування є первісна крива намагнічування, т. Е. Крива, яку можна отримати тільки, якщо взяти стовідсотково розмагнічений еталон матеріалу і поступово збільшувати, починаючи від нуля, що намагнічує його струм.

Мал. 3 Петля гістерезису і крива початкового намагнічування

У робочих умовах магнітна індукція залежить не тільки від напруженості магнітного поля, та й від попереднього магнітного стану тіла. Процес намагнічування частково виявляється необоротним - це явище гістерезису (від грец. Слова, що означає запізнювання). Внаслідок гістерезису при зниженні намагнічує струму магнітна індукція зменшується не по кривій початкового намагнічування, а по кривій, розташованої вище (рис. 3), ніж крива початкового намагнічування. При напруженості магнітного поля Н, що дорівнює нулю, коли намагнічує струм вимкнений, в ферромагнетике збережеться якась залишкова індукція В0. Щоб повністю розмагнітити тіло, необхідна напруженість поля оборотного напрямки Нс, іменована коерцитивної силою. Щоб порушити таке розмагнічуюче поле, необхідно пропустити по намагничивающей котушці струм оборотного напрямки. Якщо далі нарощувати напруженість магнітного поля оборотного напрямки, то виникне магнітна індукція оборотного напрямки. Збільшивши ток, її можна довести до умови насичення, якому буде відповідати значення магнітної індукції Вm. Якщо зараз зменшувати намагнічує струм, то магнітна індукція буде зменшуватися по кривій, що лежить нижче осі абсцис, але такий же за формою, як крива убування індукції при позитивному напрямку поля. При зменшенні до нуля намагнічує струму в ферромагнетике збережеться залишкова індукція оборотного напрямки - В0. Якщо потім знову включити струм в первісному напрямку і поступово збільшувати його до значення, відповідного насиченню феромагнетика, то вийде замкнута крива, що зображує залежність індукції від напруженості поля при періодичному перемагничивании. Ця крива називається петлею гістерезису. В умовах такого повторюваного перемагничивания працюють якоря машин постійного струму і сердечники машин і апаратів змінного струму.

Площа петлі гистерезиса пропорційна енерговитрат на один цикл перемагнічування одиниці об`єму феромагнетика. Якщо магнітна індукція В виміряна в вб / см2 = в х сек / см2, а напруженість магнітного поля Н - в а / см, то площа петлі гістерезису буде вимірюватися в в х а х сек / см3 = дж / см3.

Для циклічно перемагнічується сердечників, щоб зменшити втрати в їх від гистерезиса, краще використовувати феромагнітні матеріали з дуже вузькою петлею гистерезиса, наприклад електротехнічну листову сталь.

Для незмінних магнітів потрібен матеріал з великими коерцитивної силою і залишковим намагнічуванням. У таких м а г н і то ж їсть до їх матеріалів петля гістерезису має велику площу, але незмінні магніти повторюється перемагнічуванням не піддавалося.