Краткие сведения из теории

Ферромагнитные материалы (Fe, Ni, Co и их сплавы) обладают особыми магнитными свойствами: высокое значение относительной магнитной проницаемости и ее сильная зависимость от напряженности внешнего магнитного поля, при перемагничивании наблюдается магнитный гистерезис, обусловленный наличием доменов – областей спонтанной намагниченности.

Основной причиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов в его атомах – вращение электронов вокруг собственных осей (спиновый магнитный момент) и вокруг ядра (орбитальный магнитный момент). У ферромагнетиков даже при отсутствии внешнего магнитного поля имеются домены с параллельной или антипараллельной ориентацией спинов электронов. Такое вещество находится в состоянии спонтанного (самопроизвольного) намагничивания. В различных доменах эта ориентация различна. Если материал не подвергается воздействию внешнего магнитного поля, суммарный магнитный момент всех доменов и магнитный поток такого тела во внешнем пространстве равны нулю.

При намагничивании внешним магнитным полем происходит поворот векторов магнитных моментов доменов в направлении поля и смещение границ доменов. С увеличением напряженности поля этот процесс замедляется (явление насыщения).

При периодическом перемагничивании ферромагнитного материала наблюдается явление магнитного гистерезиса, т. е. отставание изменения магнитной индукции от изменения напряженности поля. На рис. 7.1 показаны гистерезисные диаграммы при различных предельных значениях напряженности внешнего магнитного поля. Кривая, проходящая через вершины этих диаграмм, называется основной кривой намагничивания B = f(H). Гистерезисный цикл, при котором достигается насыщение ферромагнитного материала, называется предельным. По нему определяется остаточная индукция В _r (при H = 0) и коэрцитивная сила Н _c (при B = 0).

Способность материала к намагничиванию характеризуется абсолютной магнитной проницаемостью m = В/Н .                                                       (7.1)

На рис. 7.2 показана основная кривая намагничивания B =(H) и зависимость абсолютной магнитной прони­цаемости от напряженности внешнего магнитного поля. При определенной величине напря­женности m достигает максимума. Точка а, характеризую­щая этот режим, соответ­ствует касательной Оа, проведенной к основной кривой намагничивания из начала координат. Проницаемость, опреде­ленную в очень слабых полях, называют началь­ной (m_н).

Одновременному намагничиванию ферромаг­нитных материалов по­стоянным и переменным полем малой ампли­туды Н_т со­ответствует частный гистерезисный цикл с вер­шинами /—2, лежащими на основной кривой намагничивания (см. рис. 7.2). При этом реверсивная (обратимая) проницаемость определяется положением вершинэтого цикла:

где М _B , М _H – масштабы по осям координат, a – угол наклона к оси абсцисс прямой, соединяю­щей вершины частного гистерезисного цикла. Аналогично определяется дифференциальная магнитная проницаемость:                                                    (7.2)

где b – угол наклона касательной к основной кривой намагничивания в искомой точке.

Для всех упомянутых проницаемостей чаще всего опреде­ляется их относительные значения

                                       (7.3)

где m _о = 4p×10^-7 Гн/м – магнитная постоянная.

Материалы с узкой петлей гистерезиса (H_c £ 1 кА/м) называют магнит­омягкими, материалы с широкой петлей – магнитотвердыми.

При перемагничивании ферромагнитных материалов в них возникают потери на гистерезис и вихревые токи. При посто­янной амплитуде индукции (B_m = const) потери на гистерезис пропорциональны час­тоте, а потери на вихревые токи – квадрату частоты:  Измерив в этих условиях суммарные магнитные потери P_м1 и Р_м2 при двух различных частотах, можно определить постоянные

                   (7.4)

Для выполнения условия В _m = соп st необходимо дейст­вующее значение напряжения намагничивающей катушки изменять пропорционально частоте (U₁/ f = const).

Суммарные магнитные потери могут быть определены по площади  динамической вебер-амперной диаграммы y(i):

                                          (7.5)

где M_i, M _y – масштабы, принятые по осям координат.

Параллельная ориентация спинов в магнитных доме­нах имеет место только ниже определенной для данного ферромагнетика температуры – точки Кюри. При превышении этой температуры спонтанная намагниченность исчезает, и магнитная проницаемость резко падает.