§ 37. Общие сведения о ферромагнетиках

Все материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются. В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все материалы подразделяют на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики – материалы, которые намагничиваются противоположно приложенному полю и ослабляют его, т. е. имеют магнитную восприимчивость k_m<0 (от –10^–4 до –10^–7). К диамагнетикам относятся инертные газы, непереходные металлы (Be, Zn, Pb, Cu, Ag и др.), полупроводники (Ge, Si), диэлектрики (полимеры, стекла и др.), сверхпроводники.

Парамагнетики – материалы, которые имеют k_m> 0 (от 10^–2 до 10^–5) и слабо намагничиваются внешним полем. К парамагнетикам относятся металлы, атомы которых имеют нечетное число валентных электронов (К, Na, A1 и др.), переходные металлы (Мо, W, Ti, Pt и др.) с недостроенными электронными оболочками атомов. Исключение составляют Cu, Ag, Au и др., у которых диамагнитный эффект заполненных электронных оболочек преобладает над парамагнитным эффектом валентных электронов.

Ферромагнетики характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (k_m>>1), а также ее нелинейной зависимостью от напряженности поля и температуры. Fe, Ni, Co и редкоземельный металл Gd имеют чрезвычайно большое значение k_m~10⁶. Их способность сильно намагничиваться широко используется в технике.

Ферромагнетизм – результат обменного взаимодействия электронов недостроенных оболочек соседних атомов, перекрывающихся при образовании кристаллов. Согласно квантовой теории все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов.

Интенсивность роста индукции при увеличении напряженности намагничивающего поля характеризует магнитная проницаемость . Она определяется как тангенс угла наклона к первичной кривой намагничивания B=f(H) (рис. 24).

При этом различают начальную магнитную проницаемость _H при H0 и максимальную _max.

Процессы намагничивания полностью необратимы. Если магнитное поле, доведенное до +H_s, уменьшать до нуля (см. рис. 24), то индукция сохранит определенное значение B_r, называемое остаточной индукцией. Намагничивание поликристалла полем обратного знака уменьшает индукцию В, и при напряженности поля H_c индукция падает до нуля. Напряженность магнитного поля, равная H_c, называется коэрцитивной силой. При перемагничивании от +H_s до –H_s и обратно кривые не совпадают. Площадь, ограниченная этими кривыми, определяет потери на гистерезис или перемагничивание.

Рис. 24. Петля гистерезиса ферромагнетика

Кривая намагничивания и форма петли гистерезиса – важнейшие характеристики ферромагнетика, так как они определяют основные его константы, а следовательно, и области применения. По магнитным свойствам ферромагнетики разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Магнитомягкие материалы используют в производстве сердечников трансформаторов, электромагнитов, электрических машин, в измерительных приборах и

других аппаратах. Они должны иметь высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу, большую индукцию насыщения, узкую петлю гистерезиса, малые магнитные потери.

Магнитотвердые материалы применяют для производства постоянных магнитов, в машинах малой мощности, различных аппаратах и приборах. В отличие от магнитомягких они имеют существенно большие коэрцитивную силу (от 5·10³ до 5·10⁶ А/м) и площадь петли гистерезиса. Такие магнитные материалы применяются для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей, которые во многих случаях выгоднее, чем электромагнитные.

Постоянные магниты имеют рабочий воздушный зазор; следовательно, на разомкнутых концах возникают полюсы, создающие размагничивающее поле с напряженностью Н_d, снижающее индукцию внутри магнита до В_d, которая меньше остаточной индукции В_r. Остаточная индукция B_r характеризует материал, если магнит находится в замкнутом состоянии и предварительно намагничен до насыщения в сильном внешнем магнитном поле.

На рис. 25 приведены кривые, характеризующие свойства магнитотвердых материалов. Удельная магнитная энергия (Дж/м³) поля, создаваемого в воздушном зазоре магнита,

W_d=B_dH_d/2.

Индукция разомкнутого магнита В_d уменьшается с увеличением зазора. При замкнутом магните В_d=В_r – магнитная энергия равна нулю, так как Н_d=0. Если зазор между полюсами велик, то напряженность магнитного поля в зазоре равна коэрцитивной силе материала Н_c, а В_d=0. Следовательно, в этом случае магнитная энергия W_d=0. При некоторых значениях В_d и H_d энергия достигает максимального значения:

W_max=B_dmaxH_dmax/2.

Рис. 25. Кривые размагничивания (1) и магнитной энергии (2) в воздушном зазоре

Величина Wmax является важнейшей при оценке качества материала. Форма кривой размагничивания характеризуется коэффициентом выпуклости =(BH)max/(BrHc). Коэффициент выпуклости приближается к единице с увеличением прямоугольности петли гистерезиса. Максимальная энергия магнита тем больше, чем больше остаточная индукция Вr, коэрцитивная сила Нc и коэффициент выпуклости .