Ферромагнетики (стр. 4 из 8)

На мал. 5 зображені, наприклад, зміни, що спостерігаються при внесенні шматка заліза прямокутної форми в магнітне поле, що раніш було однорідним.

Мал. 5 Зміна магнітного поле при внесенні в нього шматка заліза.

Як бачимо, поле перестає бути однорідним і здобуває складний характер: в одних місцях воно підсилюється, в інші - послабляється.

Дуже цікаво і практично важлива картина, що спостерігається при внесенні в магнітне поле замкнутої залізної судини, наприклад кульової форми.

Як видно з мал.6, у результаті додавання зовнішнього магнітного поле з полем заліза, що намагнітилося, поле у внутрішній області кулі майже зникає. Цим комалтаються для створення магнітного чи захисту магнітної экранировки, тобто для захисту тих чи інших приладів від дії зовнішнього магнітного поле. Картина, що ми спостерігаємо при створенні магнітного захисту, зовні нагадує створення електростатичного захисту за допомогою провідної оболонки. Однак між цими явищами є глибоке принципове розходження. У випадку електростатичного захисту металеві стінки можуть бути як завгодно тонкі. Досить, наприклад, посріблити поверхня скляної судини, поміщеного в електричному полі, щоб усередині судини не виявилося електричного поле, що обривається на поверхні металу. У випадку ж магнітного поле тонкі залізні стінки не є захистом для внутрішнього простору: магнітні поле проходять крізь залізо, і усередині судини виявляється деяке магнітне поле. Лише при досить товстих залізних стінках ослаблення поле усередині порожнини може зробитися настільки сильним, що магнітний захист здобуває практичне значення, хоча й у цьому випадку поле усередині не знищується цілком. І в цьому випадку ослаблення поле не є результат обриву його на поверхні заліза; магнітні силові лінії аж ніяк не обриваються, але як і раніше залишаються замкнутими, проходячи крізь залізо.

Мал.6.Порожня залізна куля внесена

в однорідне магнітне тіло

Зображуючи графічно розподіл силових ліній у товщі заліза й у порожнині, одержимо картину мал.7 яка і показує, що ослаблення поле усередині порожнини є результат зміни напрямку силових ліній, а не їхнього обриву.

Особливості феромагнітних тіл. особливістю феромагнітних тіл є їхня здатність до сильного намагнічування, унаслідок якої магнітна проникність цих тіл має дуже великі значення. У заліза, наприклад, величина досягає значень, що у тисячі разів перевершують значення в парамагнітних і діамагнітних речовин. Намагнічування феромагнітних тіл було вивчено в досвідах А. Г. Столетова й інших учених.

Ці досліди показали, поверх того, що, на відміну від парамагнітних і діамагнітних речовин, магнітна проникність феромагнітних речовин сильно залежить від напруженості магнітного поле, при якій роблять її вимір. Так, наприклад, у слабких полях магнітна проникність , залоза досягає значень 5—6 тисяч, а в сильних полях значення , падають до кількох сотень і нижче.

Намагнічування тіла, поміщеного в магнітне поле, наприклад, усередину соленоїда зі струмом, викликає зміна магнітного потоку. Тому величину намагнічування матеріалу можна характеризувати різницею тим часом магнітним потоком, що дає соленоїд з перетином у 1 див², заповнений даною речовиною, і тим потоком, що дає при тім же струмі цей соленоїд без сердечника в повітрі (чи, точніше, у вакуумі). Якщо порожній соленоїд дає потік Фо, а заповнений — потік Ф, то, відповідно до теорії магнітної проникності, Ф= Фо. Таким чином, величина

J=Ф-Фо= ( - 1)*Фо являє собою той додатковий магнітний потік, що створюється намагніченою речовиною. Цю величину ми і будемо називати намагнічуванням даної речовини. Намагнічування залежить від магнітної проникності речовини і від величини потоку Фо, у якому виробляється намагнічування.

Звертається увага на те, що ми вибираємо соленоїд з визначеною площею перетину (1 див²), тому що величина потоку залежить від площі перетину соленоїда.

У розділі магнітна проникність, коли нас цікавило відношення потоків Ф/Фо, ця обставина не мала значення, тому що величина площі перетину входить і в чисельник і в знаменник цього відношення. Але за міру намагнічування ми вибрали різницю цих потоків; тому перетин соленоїда повинен бути цілком визначене і ми умовимося брати його рівним 1 див².

Вивчення залежності намагнічування заліза й інших феромагнітних матеріалів від напруженості зовнішнього магнітного поле виявляє ряд особливостей цих речовин, що мають важливе практичне значення. Візьмемо шматок ненамагніченого заліза, помістимо його в магнітне поле і будемо вимірювати намагнічування заліза J, поступово збільшуючи напруженість зовнішнього магнітного поле H. Намагнічування J зростає спочатку різко, потім усе повільніше і, нарешті, при значеннях H біля кількох сотень ерстед намагнічування перестає зростати:

всі елементарні струми вже орієнтовані, залізо досягло магнітного насичення. Графічно залежність величини J(H) в описуваному досвіді зображується кривої ОА на мал. 8. Горизонтальна частина цієї кривої поблизу А відповідає магнітному насиченню.

Досягши насичення, почнемо послабляти зовнішнє магнітне поле. При цьому намагнічування заліза зменшується, але убування це йде повільніше, ніж раніш йшло його зростання. Залежність між величинами J(H) у цьому випадку зображується галуззю кривий АС на мал. 8. Ми бачимо, таким чином, що тому самому значенню H можуть відповідати різні значення намагнічування (точки х, х и х" на мал. 8) у залежності від того, чи підходимо ми до цього значення з боку малих чи з боку великих значень H. Намагнічування заліза залежить, стало бути, не тільки від того, у якім полі даний шматок знаходиться, але і від попередньої історії цього шматка. Це явище одержало назву магнітного гистерезиса.

Коли зовнішнє магнітне поле стає рівним нулю, залізо продовжує зберігати деяке залишкове намагнічування, величина якого характеризується відрізком ОС нашого графіка. У цьому і полягає причина того, що з чи заліза сталі можна виготовляти постійні магніти.

Для подальшого розмагнічування заліза потрібно прикласти зовнішнє магнітне поле, спрямоване в протилежну сторону. Хід зміни намагнічування J при зростанні напруженості цього протилежно спрямованого поле зображується галуззю CDE кривої. Лише коли напруженість цього поле досягне визначеного значення (у нашому досвіді значення, зображуваного відрізком OD), залізо буде цілком розмагнічена (точка D). Таким чином, величина напруженості що розмагнічує поле (відрізок OD) є мірою того, наскільки міцно утримується стан намагнічування заліза. Її називають коэрцитивной силою. При зменшенні напруженості поле зворотного напрямку і потім при зростанні напруженості поле первісного напрямку хід зміни намагнічування заліза зображується галуззю кривої EC'A. При новому повторенні всього циклу розмагнічування, перемагнічування і повторного намагнічування заліза в первісному напрямку форма цієї кривої повторюється.

Мал. 8. Крива намагнічування залоза: залежність намагнічування I від

напруженості зовнішнього магнітного поле H .

Стрілки вказують напрямок процесу

{Галузь ОА зображує хід намагнічування вихідного ненамагніченого матеріалу і не повторюється при повторних циклах. Для того щоб знову відтворити галузь ОА, необхідно привести матеріал у первісний ненамагнічений стан. Для цього досить, наприклад, сильно нагріти його.}

З мал. 8 видно, що ця крива, що зображує хід залежності намагнічування заліза J від напруженості зовнішнього поле H, має вид петлі. Її називають петлею гистерезиса для даного сорту чи заліза сталі. Форма петлі гистерезиса є найважливішою характемалтикою магнітних властивостей того чи іншого феромагнітного матеріалу.

Зокрема, знаючи її, ми можемо визначити такі важливі характемалтики цього матеріалу, як його магнітне насичення, залишкове намагнічування і коэрцитивную силу.

. Мал. 9. Криві намагнічування для різних сортів заліза і сталі: / — м'яке залізо; 2 — загартована сталь; 3 — незагартована сталь.

На мал. 9 показана форма петлі гистерезиса для різних сортів заліза і сталі. За формою цієї петлі можна вибрати матеріал, що щонайкраще підходить для тієї чи іншої практичної задачі. Так, для виготовлення постійних магнітів необхідний матеріал з великий коэрцитивной силою (сталь і особливо спеціальні сорти кобальтової сталі); для електричних машин і особливо для трансформаторів вигідні матеріали з дуже малою площею петлі гистерезиса, тому що вони, як виявляється, найменше нагріваються при перемагнічуванні; для деяких спеціальних приладів важливі матеріали, магнітне насичення яких досягається при малих полях і т.д.

На відміну від тіл парамагнітних і діамагнітних для ферромагнетиків величина М = Ф/Фо не залишається постійної, а залежить від напруженості зовнішнього що намагнічує поле Н. Ця залежність для магнітного сплаву (пермаллоя) і для м'якого заліза показана на мал.10. Як ми бачимо, дана величина має малі початкові значення в слабких полях, потім наростає до максимального значення і при подальшому збільшенні поле в котушці знову зменшується.

Важливо відзначити, що при досягненні визначеної температури магнітна проникність феромагнітних тіл різко падає до значення, близького до 1. Ця температура, характерна для кожної феромагнітної речовини, зветься точки Кюрі. {Мова йде не про тім нагріванні під дією вихрових струмів Фуко, що випробують усі метали, поміщені в перемінне магнітне поле, але про нагрівання феромагнітних тіл, обумовленому їх перемагнічуванням і зв'язаному зі своєрідним внутрішнім тертям у перемагничиваемом речовині.}