Классификация ферромагнитных материалов. Гистерезис.

Основные характеристики ферромагнитных материалов. Свойства ферромагнитных материалов принято характеризовать зависимостью магнитной индукции В от напряженности магнитно­го поля Н. Различают два основных типа этих зависимостей: кривые намагничивания и гистерезисные петли.

Под кривыми намагничивания понимают однозначную зависи­мость между В и Н. Кривые намагничивания подразделяют на на­чальную, основную и безгистерезисную (что будет пояснено далее).

Из курса физики известно, что ферромагнитным материалам присуще явление гистерезиса — отставание изменения магнитной индукции В от изменения напряженности магнитного поля Н. Он обусловлен необратимыми изменениями энергетического состоя­ния под действием внешнего поля Н. При периодическом изменении напряженности поля зависимость между В и Н приобретает петле­вой характер.

Различают несколько типов гистерезисных петель — симмет­ричную, предельную и несимметричную (частный цикл).

На рис. 14.1 изображено семейство симметричных гистерезис­ных петель. Для каждой симметричной петли максимальное поло­жительное значение В равно максимальному отрицательному зна­чению B и соответственно H_max = |-H_max|.

Геометрическое место вершин симметричных гистерезисных пе­тель называют основной кривой намагничивания. При очень боль­ших Н вблизи ±H_max восходящая и нисходящая ветви гистерезисной петли практически сливаются.

Предельной гистерезисной петлей или предельным циклом на­зывают симметричную гистерезисную петлю, снятую при очень больших H_max. Индукцию при Н = 0 называют остаточной индук­цией и обозначают В_r.

Напряженность поля при В = 0 называют задерживающей или коэрцитивной силой и обозначают H_c.

Участок предельного цикла B_rH_c (рис. 14.1) принято называть кривой размагничивания или «спинкой» гистерезисной петли.

Этот участок используют при расчетах магнитных цепей с посто­янными магнитами и магнитных элементов запоминающих уст­ройств вычислительной техники.

Если изменять Н периодически и так, что + H_max ≠ |-H_max|, то зависимость между B и H будет иметь вид петли, но центр петли не совпадает с началом координат (рис. 14.2). Такие гистерезисные петли называют частными петлями гистерезиса или частными цик­лами.

Когда предварительно размагниченный ферромагнитный мате­риал (В = 0, H = 0) намагничивают, монотонно увеличивая Н, по­лучаемую зависимость между В и Н называют начальной кривой намагничивания.

Начальная и основная кривые намагничивания настолько близ­ко расположены друг к другу, что практически во многих случаях их можно считать совпадающими (рис. 14.2).

Безгистерезисной кривой намагничивания называют зависи­мость между В и Н, возникающую, когда при намагничивании фер­ромагнитного материала его периодически постукивают или воз­действуют на него полем, имеющим кроме постоянной составляющей еще и затухающую по амплитуде синусоидальную составляющую. При этом гистерезис как бы снимается.

Безгистерезисная кривая намагничивания резко отличается от основной кривой.

В различных справочниках, а также в ГОСТе в качестве одно­значной зависимости между В и Н дается основная кривая намаг­ничивания.

Потери, обусловленные гистерезисом. При периодиче­ском перемагничивании ферромагнитного материала в нем совер­шаются необратимые процессы, на которые расходуется энергия от намагничивающего источника. В общем случае потери в ферромагнитном сердечнике обусловлены гистерезисом, макроскопически­ми вихревыми токами и магнитной вязкостью. Степень проявления различных видов потерь зависит от скорости перемагничивания ферромагнитного материала. Если сердечник перемагничивается во времени замедленно, то потери в сердечнике обусловлены прак­тически только гистерезисом (потери от макроскопических вихре­вых токов и магнитной вязкости при этом стремятся к нулю).

Физически потери, обусловленные гистерезисом, вызваны инер­ционностью процессов роста зародышей перемагничивания, инер­ционностью процессов смещения доменных границ и необратимы­ми процессами вращения векторов намагниченности.

Площадь гистерезисной петли ∫ HdB характеризует энергию, выделяющуюся в единице объема ферромагнитного вещества за один цикл перемагничивания.

Если ферромагнитный сердечник подвергается периодическо­му намагничиванию (например, в цепях переменного тока), то для уменьшения потерь на гистерезис в нем он должен быть выполнен из магнитомягкого материала (см. § 14.5 [1]).

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Ферромаг­нитные материалы подразделяют на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие материалы обладают круто поднимающейся основной кривой намагничивания и относительно малыми площа­дями гистерезисных петель. Их применяют во всех устройствах, которые работают или могут работать при периодически изменяющемся магнитном потоке (трансформаторах, электрических двига­телях и генераторах, индуктивных катушках и т. п.).

Некоторые магнитомягкие материалы, например перминвар, сплавы 68НМП и др., обладают петлей гистерезиса по форме, близ­кой к. прямоугольной (рис. 14.4, а). Такие материалы получили рас­пространение в вычислительных устройствах и устройствах авто­матики.

В группу магнитомягких материалов входят электротехниче­ские стали, железоникелевые сплавы типа пермаллоя и др.

Магнитотвердые материалы обладают полого поднимающейся основной кривой намагничивания и большой площадью гистерезисной петли. В группу магнитотвердых материалов входят углероди­стые стали, сплавы магнико, вольфрамовые, платинокобальтовые сплавы и сплавы на основе редкоземельных элементов, например самарийкобальтовые. У последних Вr ≈ 0, 9 Тл и Hc = 660 кА/м.

На рис. 14.4, б качественно сопоставлены гистерезисные петли для магнитомягкого материала типа пермаллоя (кривая 1) и для магнитотвердого материала (кривая 2).

Магнитодиэлектрики и ферриты. В радиотехнике, где используют колебания высокой частоты, сердечники индуктивных катушек изготовляют из магнитодиэлектриков или ферритов.

Магнитодиэлектрики — материалы, полученные путем смеше­ния мелкоизмельченного порошка магнетита, железа или пермал­лоя с диэлектриком. Эту смесь формуют и запекают. Каждую фер­ромагнитную крупинку обволакивает пленка из диэлектрика. Благодаря наличию таких пленок сердечники из магнитодиэлектриков не насыщаются; μ _r их находится в интервале от нескольких единиц до нескольких десятков.

Ферриты — ферримагнитные материалы. Магнитомягкие фер­риты изготовляют из оксидов железа, марганца и цинка или из окси­дов железа, никеля и цинка. Смесь формуют и обжигают, в результате получают твердый раствор. По своим электрическим свойствам фер­риты являются полупроводниками. Их объемное сопротивление ρ = 1 ÷ 10⁷ Ом•м, тогда как для железа ρ ~ 10^-6 Ом • м.

Можно получить ферриты с различными магнитными свойства­ми. В отличие от магнитодиэлектриков ферриты могут насыщаться. Коэрцитивная сила магнитомягких ферритов составляет примерно 10 А/м. Маркируют их буквами и цифрой. Например, феррит 6000 НМ означает никель-марганцевый феррит, у которого на началь­ном участке кривой намагничивания μ _r = 6000. Магнитотвердые ферриты выполняют на основе феррита бария. Например, у ферри­та ЗБА Вr = 0.38 Тл; Нc = 145 А/м.

Магнитные цепи