Поведение ферромагнетиков во внешних магнитных полях

Характеристики ферромагнетиков.В ферромагнетике под действием магнитного поля создаётся (возникает, возбуждается) такая намагниченность , которая в десятки и сотни раз превышает первопричину, т. е. намагничивающее поле . Эта способность сохраняется у ферромагнетиков до определённой температуры, называемой температурой Кюри (см. далее магнитное превращение).

С увеличением намагничивающего поля намагниченность возрастает всё медленнее. Если в малых полях , то в больших полях величина становится соизмеримой с намагниченностью . При рассмотрении процессов в ферромагнетике величиной нельзя пренебрегать, поэтому в рассмотрение вводят величину, называемую магнитной индукцией:

. (1.70)

Размерность магнитной индукции - тесла (Тл); и - ампер на метр (А/м); магнитной постоянной - генри разделить на метр (Гн/м). В (1.70) первое слагаемое представляет собой индукцию приложенного магнитного поля, а второе слагаемое характеризует свойства намагничиваемого вещества.

Намагниченность , а, значит, и индукция , зависят от нелинейным образом. В качестве исходного состояния ферромагнетика обычно принимают размагниченное состояние, которое можно получить, например, нагреванием ферромагнетика выше температуры Кюри с последующим охлаждением при отсутствии магнитного поля или переменным магнитным полем низкой частоты с плавно убывающей до нуля амплитудой. Полученные при увеличении намагничивающего поля кривые и называют кривыми намагничивания. Кривые намагничивания могут быть различными в зависимости от способа достижения исходного состояния ферромагнетика и способа измерения этих кривых. На рис. 1.20 приведены кривые намагничивания, полученные различными способами.

Рис. 1.20. Начальная (1), основная (2) и идеальная (3) кривые

Намагничивания

1. Начальную кривую получают измерением при постепенном увеличении из состояния = 0, = 0. Эта кривая часто невоспроизводима, т.к. зависит от многих случайных причин (сотрясений, температуры и т.д.).

2. Основную (коммутационную) кривую получают тем, что перед измерением каждой точки поле переключают несколько раз с положительного на отрицательное (циклическое перемагничивание).

3. Безгистерезисную (идеальную) кривую получают так же, но перед измерением каждой точки на образец воздействуют переменным магнитным полем с убывающей до нуля амплитудой (действие переменного магнитного поля можно заменить механической вибрацией), что облегчает процессы намагничивания и позволяет получить большое значение намагниченности уже в слабых полях.

Магнитная проницаемость. Аналогично (1.7) можно записать

, (1.71)

где - абсолютная магнитная проницаемость. Целесообразно (1.71) переписать в виде

, (1.72)

тогда становится безразмерной величиной, характеризует свойства ферромагнетика и называется относительной проницаемостью. Из выражений (1.7), (1.70) и (1.72) следует

. (1.73)

Величины , , нелинейно зависят от и различаются для разных видов кривых намагничивания. Наиболее часто используют основную кривую намагничивания; проницаемость, соответствующую этой кривой, называют нормальной (в дальнейшем слово "нормальная" опускается). Как видно из рис. 1.21а, проницаемость в некоторой точке основной кривой намагничивания можно определить из выражения . График функции показан на рис. 1.21б.

Различают также начальную и максимальную магнитные проницаемости.

Часто используют понятие дифференциальной магнитной проницаемости

. (1.74)

Зависимость показана на рис. 1.21б. При = 0 следует . В больших полях быстрее стремится к единице, чем ( только при ).

В специальных случаях используются другие виды проницаемостей (дифференциальная проницаемость возрастания, убывания и т.д.).

Рис. 1.21. К определению и и их зависимости от поля.

Магнитный гистерезис.Характерной особенностью ферромагнетиков является то, что при уменьшении поля после намагничивания до некоторой величины , функция будет иметь другой вид, чем при увеличении, и при окажется, что . Если построить , уменьшая поле от некоторого значения до , а затем, увеличивая от до , то получится замкнутая кривая, напоминающая петлю, которая называется петлей магнитного гистерезиса (рис. 1.22). Эти петли являются симметричными. Начиная измерения с различных , можно получить семейство петель гистерезиса (при этом их вершины лежат на основной кривой намагничивания). Однако существует поле , когда измерения с уже не дают новых петель, совпадая между собой. Петля гистерезиса, построенная при циклическом перемагничивании от до , называется предельной. Предельная петля гистерезиса является важнейшей характеристикой данного ферромагнетика. Она имеет несколько характерных точек (см. рис. 1.22).

Индукцией насыщения называют индукцию, соответствующую намагниченности насыщения , когда с увеличением намагниченность не увеличивается, а увеличение осуществляется только за счет поля.

Рис. 1.22. Петли гистерезиса

Остаточной индукцией (см. рис. 1.22) называют индукцию, которая остаётся в предварительно намагниченном до насыщения ферромагнетике после снятия намагничивающего поля .

Коэрцитивной силой (см. рис. 1.22) называют величину размагничивающего поля, которое должно быть приложено, чтобы установить = 0.

Можно говорить о величинах и для любых симметричных петель гистерезиса, но обычно под остаточной индукцией и коэрцитивной силой понимают (если это не оговаривается особо) их значения на предельной петле.

Что касается величины , то различают коэрцитивную силу по индукции и коэрцитивную силу по намагниченности . Их различие показано на рис. 1.23. Суть построений на рис. 1.23 следует из формулы (1.65): величина больше, чем на величину , поэтому величины и ^. совпадают (т.к. Н = 0), а и отличаются. Для обычных материалов это различие несущественно, оно имеет значение только для магнитотвердых (высококоэрцитивных) материалов.

Рис. 1.23. Отличие коэрцитивной силы по намагниченности от

коэрцитивной силы по индукции

Площадь петли гистерезиса пропорциональна работе , затраченной на перемагничивание единицы объёма ферромагнетика, Дж/м3:

. (1.75)

Часто используется понятие удельных потерь - затрат энергии на перемагничивание единицы массы ферромагнетика в единицу времени:

, (1.76)

где - площадь петли гистерезиса, измеренная в квазистатическом режиме, Тл ^.А/м; - частота перемагничивания, Гц; - плотность материала, кг/м3.

Магнитное превращение. Известно, что при нагреве уменьшается намагниченность насыщения ферромагнитных металлов. Полная потеря ферромагнитных свойств и переход в парамагнитное состояние наступает при определенной температуре , называемой точкой (температурой) Кюри. На рис. 1.24 показано изменение намагниченности насыщения при увеличении температуры для трех типичных ферромагнетиков.

Рис. 1.24. Зависимость намагниченности насыщения железа, никеля

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: