Ферромагнетики (стр. 2 из 8)

Намагніченість.

Термін «магнетики» застосовується до всіх речовин при розгляді їхніх магнітних властивостей. Ступінь намагнічення магнетика характеризується магнітним моментом одиниця об'єму. Цю величину називають намагніченістю і позначають J. Вона являє собою магнітний момент одиничного обсягу

Намагніченість є величиною векторною. Вона зростає зі збільшенням індукції В (чи напруженості Н) магнітного поля.

Величина , що одержала назву відносної магнітної проникності середовища, показує, у скількох разів магнітна індукція поле в даному середовищі більше, ніж магнітна індукція у вакуумі. Величину називають магнітною сприйнятливістю. Якщо у всіх точках речовини вектор J однаковий, говорять, що речовина намагнічена однородно.

Магнітна проникність різних тіл. Тіла парамагнітні і діамагнітні.

Магнітна сприйнятливість може бути як позитивною, так і негативною. Якщо вона <0, то вектор J антирівнобіжний вектору Н. Магнетики, що володіють такою властивістю, називають діамагнетиками. При м.в.>0 вектор J рівнобіжний вектору Н. Магнетики, що володіють такою властивістю, називають парамагнетиками. У більшості випадків по модулю магнітної сприйнятливості парамагнетиків перевищують магнітні сприйнятливості діамагнетиків. Залежність намагніченості цих двох типів магнетиков від напруженості поле є лінійної.

Слід зазначити, що лінійна залежність J(H) для парамагнетиків спостерігається тільки в області слабких полів і при високих температурах. У сильних полях і при низьких температурах J(H) поступово виходить на «насичення». Як у діамагнетиках, так і в парамагнетиках під час відсутності магнітного поле намагніченість дорівнює нулю.

У приведеній нижче таблиці показані значення магнітної проникності для деяких парамагнітних і діамагнітних речовин

Парамагнітні Речовини	Магнітна Прониц-ть	Діамагнітні Речовини	Магнітна прониц-ть
Азот (газоподібний)	1,000013	Водень (газоподібний) ......	0, 999937
Повітря (газоподібний)	1,000038	Вода ........	0, 999991
Кисень (газоподібний)	1,000017	Скло ......	0, 999987
Кисень (рідкий) . .	1,0034	Цинк ........	0, 999991
Ебоніт ........	1,000014	Срібло ......	0, 999981
Алюміній ......	1,000023	Золото .......	0, 999963
Вольфрам ......	1,000175	Мідь ........	0, 999912
Платина .......	1,000253	Вісмут .......	0, 999824

Табл.1

Виміри показують, що магнітна проникність усіх речовин відмінна від одиниці, хоча в більшості випадків ця відмінність дуже мала. Але особливо чудовим виявляється той факт, що в одних тіл величина магнітної проникності >1 , а в інших вона <1, тобто внесення в магнітне поле одних речовин збільшує магнітний потік, а інших речовин - зменшує цей потік. Перші з цих речовин називаються парамагнітними, а другі - діамагнітними. Як показує таблиця 1, відмінність величини м.п. від одиниці як у парамагнітних, так і в діамагнітних речовин невелико.

Потрібно особливо підкреслити, що для парамагнітних і діамагнітних тіл величина проникності не залежить від напруженості зовнішнього, що намагнічує поле, тобто являє собою постійну величину, що характеризує дану речовину. Як ми побачимо нижче, це не має місця для заліза й інших подібних з ним (феромагнітних) тел.

За допомогою дуже ретельних вимірів можна знайти зміну магнітного поля і визначити величину магнітної проникності різних матеріалів..

Вплив парамагнітних і діамагнітних речовин на величину магнітного потоку ми пояснюємо так само, як і вплив речовин феромагнітних, тим, що до магнітного потоку, створюваному струмом в обмотці котушки, приєднується потік, що виходить з елементарних амперівых струмів. Парамагнітні тіла збільшують магнітний потік котушки. Це збільшення потоку при заповненні котушки парамагнітною речовиною вказує на те, що й у парамагнітних речовинах під дією зовнішнього магнітного поле елементарні струми орієнтуються так, що напрямок їхній збігається з напрямком струму обмотки (мал. 1). Невелика відмінність від одиниці вказує лише на те, що у випадку парамагнітних речовин цей додатковий магнітний потік дуже невеликий, тобто що парамагнітні речовини намагнічуються дуже слабко.

Мал. 1. Діамагнітні речовини усередині котушки послабляють магнітне поле соленоїда.

Елементарні струми в них спрямовані протилежно току в соленоїді.

Зменшення магнітного потоку при заповненні котушки діамагнітною речовиною означає, що в цьому випадку магнітний потік від елементарних струмів спрямований протилежно магнітному потоку котушки, тобто що в діамагнітних речовинах під дією зовнішнього магнітного поле виникають елементарні струми, спрямовані протилежно струмам обмотки (мал. 1). Малість відхилень від одиниці й у цьому випадку вказує на те, що додатковий потік цих елементарних струмів невеликий.

Крім діа- і парамагнетиків існує велика група речовин, що володіють спонтанною намагніченістю, тобто маючих не рівну нулю намагніченість навіть під час відсутності магнітного поле. Ця група магнетиков одержала назву ферромагнетиків. Для них залежність J(H) є нелінійною функцією, і повний цикл перемагнічування описується петлею гистерезиса. У цих речовинах магнітна сприйнятливість сама залежить від Н

Циклічне перемагнічування

Розглянемо процес перемагнічування ферромагнетиків.

Допустимо , що кільцевий магнитопровод з феромагнітного матеріалу не намагнічений і струму у витках котушки ні, тобто B=0 і H=0 (початок координат на мал. 4). При поступовому збільшенні струму , що намагнічує, тобто МДС (магніто-рушійна сила), а отже, і напруженості поля від нуля до деякого найбільшого значення

магнітна індукція збільшується по кривій початкового намагнічування (Оа) і досягає відповідного максимального значення Ba.

Якщо потім струм і напруженість поля зменшуються, то і магнітній індукції зменшується, при відповідних значеннях напруженості магнітна індукція трохи більше , ніж при збільшенні напруженості. Крива зміни магнітної індукції (ділянка aб на мал. 4) розташовується вище кривій початкового намагнічування. При нульових значеннях струму і напруженості поля магнітна індукція має деяке значення Br, називане залишковою індукцією (відрізок Про на мал.).

Таким чином, магнітна індукція у феромагнітному матеріалі залежить не тільки від напруженості поля, але і від попереднього стану ферромагнетика. Це явище називається гистерезисом. Воно обумовлено ніби внутрішнім тертям, що виникає при зміні орієнтації магнітних моментів доменів.

При зміні напрямку струму , що намагнічує, а, отже, і напрямку напруженості поля і поступовому збільшенні струму зворотного напрямку напруженість полючи досягає значення Hc, називаного коэрцитивной силою (відрізок Ов), при якому магнітна індукція B=0. При подальшому збільшенні струму і напруженості полючи магнитопровод намагнічується в протилежному напрямку і при напруженості полючи Hг = -Ha магнітна індукція досягне значения Bг = -Ba. Потім при зменшенні струму і напруженості поля до нуля магнітна індукція Bд стає рівною -Bб. Нарешті, при наступній зміні напрямку струму і напруженості поля і збільшення її до колишнього значення На магнітна індукція збільшиться також до колишнього значення Ba. Розглянутий цикл перемагнічування ферромагнетика по кривій абвгдеа називається гістерезисним циклом (петлею гистерезиса).

Така симетрична замкнута петля гистерезиса (мал.) виходить у дійсності тільки після декількох перемагнічувань зі збільшенням струму до значення Іa. При перших циклах перемагнічування петля несиметрична і незамкнута. Найбільша замкнута петля, що може бути отримана для даного феромагнітного матеріалу, називається граничної (мал. 5). При напруженості полючи H > Hmax виходить уже безгістерезисна ділянка кривій B(H).

Якщо для даного феромагнітного матеріалу, вибираючи різні найбільші значення струму Іa, одержати кілька симетричних петель гистерезиса (мал. 5) і з'єднати вершини петель, то одержимо криву, називану основній кривій намагнічування, близьку до кривої початкового намагнічування.

Циклічне перемагнічування можна застосувати для розмагнічування магнитопровода, тобто для зменшення залишкової індукції до нульового значення. З цією метою магнитопровід піддають впливові змінюються по напрямку і поступово зменшуваного магнітного поля.

Періодичне перемагнічування зв'язане з витратою енергії, що, перетворюючи в тепло, викликає нагрівання магнітопровода. Площа петлі гистерезиса пропорційна енергії, витраченої при одному циклі перемагнічування. Енергія, витрачена на процес перемагнічування, називається втратами від гистерезиса. Потужність утрат на циклічне перемагнічування, що виражається звичайно у ватах на кілограм, залежить від матеріалу, максимальної магнітної індукції і числа циклів перемагнічування в секунду або , що теж, частоти перемагнічування.