Природа ферромагнетизма

Ферромагнетики: железо, никель, кобальт, гадолиний и их различные сплавы — в магнитном поле намагничиваются. Стер­жень из ферромагнитного материала, помещенный в магнитное поле, например в поле катушки, обтекаемой током, обнаруживает сильные магнитные свойства. На конце стержня, из которого магнитный поток выходит, возникает северный полюсN, а на противоположном его конце — южный полюс S.

Природа ферромагнетизма.

Намагниченный стержень, удаленный из магнитного поля, в некоторой степени сохраняет магнитные свойства.

Это его оста­точное намагничение. Оно незначительно у мягкого же­леза, но сильно выражено у твердых ферромагнитных сплавов. Сравнительно большим является остаточный магнетизм у магнитожестких материалов, применяемых для изготовления постоянных магнитов: кобальтовой стали, спла­ва магнико  и др.

Теория ферромагнетизма весьма сложна, но для основных электротехнических расчетов она не используется. Можно лишь упомянуть, что ферромагнитное тело внутри распадается на об­ласти самопроизвольной намагниченности — ферромагнитные домены, нечто подобное микроскопическим постоянным маг­нитам. Эти области относительно велики и содержат целые груп­пы атомов. При определенных условиях домены на поверхности ферромагнетика можно наблюдать под микроскопом. Магнитные силы между двумя соседними доменами обладают взаимно размагничивающим действием, т. е. стремятся установить доме­ны в противоположном направле­нии («антипараллельно»). В ре­зультате магнитные поля доме­нов взаимно компенсируются.

Намагничивание стального стержня в катушке, обтекаемой током.

Под воздействием внешнего магнитного поля поворачивается магнитная ось в доменах и сме­щаются границы между ними. Последнее является характерным отличием доменов от воображае­мых элементарных магнетиков. Ориентирование доменов по на­правлению поля создает магнит­ные полюса на соответствующих поверхностях тела. Силы внеш­него магнитного поля должны преодолевать противодействие внутренних сил в веществе, стремящихся удержать домены в пер­воначальном положении. Поэтому чем сильнее магнитное поле, т. е чем больше его напряженность, тем больше намагничивается ферромагнетик. Наконец, при значительной напряженности внеш­него поля все домены ориентируются по направлению внешнего поля. Это состояние именуется магнитным насыщением ферромагнетика.

Изменение положения и границ доменов связано со смеще­нием входящих в них атомов и вызывает изменение формы на­магничиваемого тела, что называется м а г н и т о с т р и к ц и е й (от лат. слова «stricio» — натягивание). В частности, железный и никелевый стержни удлиняются в направлении намагничива­ния. Это удлинение мало, порядка не больше одной тысячной, но имеет существенное практическое значение. Например, оно вызывает гудение трансформаторов.

Для электротехнических расчетов важно, что отношение ин­дукции к напряженности, т. е. магнитная проницаемость m_{а, у} фер­ромагнетиков весьма велика и непостоянна. Большая магнитная проницаемость ферромагнетиков используется для того, чтобы усиливать магнитные поля в электрических машинах и аппара­тах. Непостоянство магнитной проницаемости существенно за­трудняет расчеты. Зависимость В от H у ферромагнетиков отно­сительно сложна и не может быть выражена какой-либо простой формулой. По этой причине приходится пользоваться графиче­ским изображением — кривой намагничивания. Нижняя ветвь такой кривой соответствует ненасыщенному состоянию ферромагнетика, перегиб («колено») кривой — пере­ходу в насыщенное состояние. Вид кривой намагничивания опре­деляется свойствами данного магнитного материала.

Кривая первоначального намагничивания электротехнической листовой стали.

Ферромагнитные сердечники электрических машин и аппара­тов рассчитываются так, чтобы в рабочем состоянии устройства магнитная индукция соответствовала определенной части кри­вой намагничивания материала сердечника.

В измерительных приборах, приборах регулирования и авто­матической защиты нужно, чтобы магнитная индукция изменя­лась пропорционально намагничивающему току. Это условие бу­дет выполнено, если при работе прибора магнитная индукция будет изменяться в пределах ненасыщенной части кривой намаг­ничивания.

Для возможно лучшего использования электротехнических материалов, чтобы получить минимум затраты материалов на единицу мощности, целесообразно выбирать индукцию, пример­но соответствующую колену кривой намагничивания.

Если нужно, чтобы при колебаниях намагничивающего тока магнитный поток, им возбуждаемый, мало изменялся (например, в генераторах постоянного тока), то магнитная индукция должна соответствовать насыщенной ветви кривой намагничивания.

Вышеприведенная кривая намагничивания есть первоначаль­ная кривая намагничивания, т. е. кривая, которую можно полу­чить, если взять полностью размагниченный образец мате­риала и постепенно увеличивать, начиная от нуля, намагничива­ющий его ток.

Петля гистерезиса и кривая первоначального намагничивания.

В рабочих условиях магнитная индукция зависит не только от напряженности магнитного поля, но и от предыдущего маг­нитного состояния тела. Процесс намагничивания частично ока­зывается необратимым — это явление гистерезиса (с греч. “запаздывание”). Вследствие гистерезиса при снижении намагничивающего тока магнитная индукция уменьшается не по кривой первоначального намагничивания, а по кривой, расположенной выше, чем кривая первоначального намагничива­ния.

При напряженности маг­нитного поля Н, равной нулю, когда намагничивающий ток выключен, в ферромагнетике сохранится некоторая остаточ­ная индукция В₀. Чтобы полно­стью размагнитить тело, необ­ходима напряженность поля обратного направления Н_с, называемая коэрцитивной си­лой. Чтобы возбудить такое размагничивающее поле, необходи­мо пропустить по намагничивающей катушке ток обратного на­правления. Если дальше увеличивать напряженность магнитного поля обратного направления, то возникнет магнитная индук­ция обратного направления. Увеличив ток, ее можно довести до условия насыщения, которому будет соответствовать значе­ние магнитной индукции В_m. Если теперь уменьшать намагни­чивающий ток, то магнитная индукция будет уменьшаться по кривой, лежащей ниже оси абсцисс, но такой же по форме, как кривая убывания индукции при положительном направле­нии поля. При уменьшении до нуля намагничивающего тока в ферромагнетике сохранится остаточная индукция обратного направления — В₀. Если затем опять включить ток в первоначаль­ном направлении и постепенно увеличивать его до значения, соответствующего насыщению ферромагнетика, то получится замкнутая кривая, изображающая зависимость индукции от напряженности поля при циклическом перемагничивании. Эта кривая называется петлей гистерезиса. В условиях тако­го циклического перемагничивания работают якоря машин по­стоянного тока и сердечники машин и аппаратов переменного тока.

Площадь петли гистерезиса пропорциональна затрате энергии на один цикл перемагничивания единицы объема ферромагнети­ка. Если магнитная индукция В измерена в вб/см²=в  х сек/см², а напряженность магнитного поля Н — в а/см, то площадь петли гистерезиса будет измеряться в в х а х сек/см³=дж/см³.

Для циклически перемагничиваемых сердечников, чтобы уменьшить потери в них от гистерезиса, желательно применять ферромагнитные материалы с очень узкой петлей гистерезиса, например электротехническую листовую сталь.

Для постоянных магнитов нужен материал с большими коэр­цитивной силой и остаточным намагничиванием. У таких м а г н и то ж е с т к и х материалов петля гистерезиса имеет боль­шую площадь, но постоянные магниты циклическому перемагничиванию не подвергаются.