Перемагничивание магнитных материалов

Намагниченность M однородного магнитного вещества представляет собой магнитный момент единицы объема:

М = M_i/V (4.3.1)

Намагниченность зависит от величины напряженности магнитного поля H, в которое помещен магнитный материал:

M = 4Н = кН, (4.3.2)

где  - магнитная восприимчивость. Для ферромагнетиков и ферритов >> 0 и зависит от напряженности поля и температуры.

Намагниченность можно рассматривать также и как внутренние поле, возникающее в результате действия элементарных носителей магнетизма. Результирующее магнитное поле B, действующее на вещество, называется магнитной индукцией:

В = µ₀ (Н + M), (4.3.3)

где µ₀ - магнитная постоянная.

В = µ₀ (1 + 4) Н = µ₀  Н, (4.3.4)

г де  - магнитная проницаемость вещества (относительная магнитная проницаемость), в сою очередь для ферромагнетиков и ферритов зависящая от H. Кривые намагничивания В = f(H) имеют качественно общий характер для всех ферромагнетиков [10] (рис. 4.3.4).

В

Рис. 4.3.4. Зависимости магнитной индукции В и магнитной проницаемости  от напряженности магнитного поля Н: 1 - особо чистое железо, 2 - чистое железо (99,98% Fe), техническое чистое железо (99,92% Fe), 4 - пермаллои (78% Ni), 5 - никель, 6 - сплав железо-никель (26% Ni)

достаточно сильных полях достигается индукция насыщения В_S. Если затем уменьшать напряженность поля, то величина индукции будет также уменьшаться, но не по основной кривой, а более медленно, с отставанием на некоторую величину вследствие явления гистерезиса. При увеличении поля противоположного направления образец может быть размагничен и перемагничен, а при новой перемене направления поля индукция снова может вернуться в исходную точку, то есть будет описана кривая, представляющая собой петлю гистерезисного цикла перемагничивания (рис. 4.3.5).

З начение В при Н = 0 в процессе размагничивания образца, намагниченного до насыщения, называют остаточной индукцией В_r. Для того, чтобы уменьшить индукцию В_r до нуля, необходимо приложить поле Н обратного направления с напряженностью Н_С, называемую коэрцитивной (задерживающей) силой. Величины В_S , Н_S характеризуют магнитную индукцию насыщения и магнитное поле насыщения.

Материалы с малой коэрцитивной силой Н_С и большой магнитной проницаемостью называются магнитомягкими [3,10,16]. К ним относятся:

• пермаллои (Н_С= 0.3 - 32 А/м, _max = 17000 - 10000),

• м

  Рис. 4.3.5. Кривая намагничивания, предельная петля гистерезиса (внешняя) и одна из частных петель гистерезиса (внутренняя) магнитного материала

  арганцево-цинковые и никель-цинковые ферриты (Н_С = 0.24 - 100 А/м, _max = 35000 - 360).

• альсиферы (Н_С= 1.8 А/м, _max= 117000),

• диэлектрики на основе карбонильного железа (Н_С= 6.4 А/м, _max= 21000),

• электротехническая сталь (Н_С =64 - 94 А/м, _max = 4500 - 3500).

Рис. 4.3.6. Петли гистерезиса для магнитомягких ( а - феррит) и для магнитотвердых (б - мартенситная сталь, в - магнитотвердый феррит) материалов

Материалы с большой коэрцитивной силой Н_С и меньшей проницаемостью называются магнитотвердыми [3,10,16]. Площадь гистерезисной петли магнитотвердых материалов значительно больше, чем у магнитомягких (рис. 4.3.6). По применению магнитотвердые материалы можно подразделить на материалы для изготовления постоянных магнитов и для записи и длительного хранения звука, изображения. По составу, состоянию и способу получения магнитотвердых материалов различают:

• легированные мартенситные стали (Н_С =4.6 - 13.6 кА/м),

• металлические и неметаллические материалы для звукозаписи (Н_С = 6.4 - 30 кА/м),

• магниты из порошков (Н_С = 24 - 128 кА/м),

• литые высококоэрцитивные сплавы (Н_С = 40 - 145 кА/м),

• магнитотвердые ферриты (Н_С = 128 - 240 кА/м),

• сплавы редкоземельных металлов (Н_С = 10320 - 1440 кА/м).

Типичные петли гистерезиса для магнитомягких и магнитотвердых материалов представлены на рис. 4.3.6.

При перемагничивании ферромагнетиков в переменных магнитных полях возникают потери энергии, приводящие к нагреву образца. Эти потери обусловлены потерями на гистерезис и динамическими потерями. Потери энергии на гистерезис для каждого материала могут быть определены по площади статической петли гистерезиса. Динамические потери вызваны конечной скоростью протекания процессов перемагничивания (магнитной вязкостью) и вихревыми токами, индуцированными в массе магнитного материала. Потери на вихревые токи, в свою очередь, зависят от электрического сопротивления ферромагнетика: чем больше удельное электрическое сопротивление ферромагнетика, тем меньше потери на вихревые токи. Потери, связанные с магнитным последствием (вихревые токи, магнитовязкость), необходимо учитывать при использовании ферромагнетиков в импульсных режимах.