Основные характеристики ферромагнитных материалов в стационарных магнитных полях. Магнитодиэлектрики и ферриты

Магнитные цепи

В электротехнике нашли широкое практическое применение ферромагнитные материалы, в которых . Магнитная проницаемость некоторых современных магнитных материалов, например, пермаллоя (сплава железа и никеля с различными присадками), может превышать в сотни тысяч раз магнитную проницаемость . В настоящее время, все большую роль стали играть ферромагнитные полупроводники, называемые ферритами [3].

Ферромагнетики обладают особым свойством – способностью намагничиваться в магнитном поле. Стержень из ферромагнитного материала, например, помещенный в магнитное поле катушки, через которую протекает ток, намагничиваясь, начинает проявлять сильные магнитные свойства. Сущность происходящего процесса связана с электрическими токами в веществе (преимущественно с вращением электронов вокруг своей оси, получившей название спинаэлектрона). У ферромагнетиков магнитные свойства обусловлены собственными (спиновыми) магнитными моментами электронов. При определенных условиях в кристаллах могут возникать обменные силы, в результате которых магнитные моменты электронов ориентируются параллельно друг другу и возникают области спонтанного(самопроизвольного) намагничивания, называемые доменами.В пределах каждого из доменов ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и имеет определенный магнитный момент. Направления магнитных моментов отдельных доменов (областей) различны, вследствие чего в отсутствие внешнего поля суммарный момент ферромагнетика равен нулю. Под действием внешнего поля намагниченные области ориентируются в направлении поля и тем самым во много раз усиливают внешнее поле. В этом случае все области спонтанного намагничивания сориентированы вдоль внешнего поля, наступает насыщениеферромагнетика, поэтому значение магнитной проницаемости значительно больше для ферромагнитных материалов, чем для неферромагнитных. А, следовательно, в ферромагнитных материалах при одной и той же напряженности магнитного поля магнитная индукция также во много раз больше, чем в неферромагнитных материалах. Большая магнитная проницаемость ферромагнетиков используется для того, чтобы усиливать магнитные поля в электрических машинах и аппаратах.

Если вектор магнитной индукции поля, созданного током катушки в неферромагнитной среде, , то в намагниченном ферромагнетике имеется добавочное поле, которое характеризуется магнитной индукцией .Это добавочное поле усиливает поле, создаваемое током катушки. Вектор намагниченности намагниченного ферромагнетика и вектор совпадают по направлению и связаны между собой зависимостью .

Вектор магнитной индукции результирующего поля намагниченного ферромагнетика B в этом случае равен геометрической сумме векторов и :

.

Следует отметить, что намагниченность характеризует состояние ферромагнетика при намагничивании, магнитная же индукция – силовое воздействие магнитного поля на ток или свойство переменного магнитного поля возбуждать электрическое поле. Отношение магнитной индукции к напряженности поля , т. е. магнитная проницаемость , для ферромагнетиков имеет большое значение и непостоянна, что существенно затрудняет расчеты. Так как зависимость для ферромагнетиков нельзя точно описать аналитически, то для каждого ферромагнитного материала эту зависимость устанавливают опытным путем, строя кривую намагничивания .

Если поместить ферромагнетик, не подвергавшийся воздействию магнитного поля, т. е. магнитный момент которого первоначально был равен нулю, в магнитное поле, то линия на рисунке 2.1 будет соответствовать кривой первоначального намагничивания .

Если намагнитить ферромагнетик до насыщения (1 на рисунке 2.1), а затем начать размагничивать его, т. е. уменьшать напряженность поля oт до , получим кривую, которая не совпадает с кривой первоначального намагничивания (1 − 2на рисунке 2.1), причем в отсутствие внешнего поля () намагничивание ферромагнетика не исчезает и характеризуется некоторым значением , получившим название остаточной индукции.

Для полного размагничивания (3 на рисунке 2.1) необходимо к ферромагнетику приложить поле с напряженностью – , имеющее направление, противоположное намагничивающему полю. Значение напряженности магнитного поля обратного знака, необходимое для полного размагничивания ферромагнетика, называется коэрцитивной силой . Способность ферромагнетиков обладать остаточной индукцией дает возможность изготовлять постоянные магниты, свойства которых тем лучше, чем больше коэрцитивная сила ферромагнетика, из которого он выполнен.

Рисунок 2.1 – Семейство петель магнитного гистерезиса

Если периодически намагничивать ферромагнетик в прямом и обратном направлении (например, изменяя плавно значение и направление тока в обмотке кольцевого сердечника, изготовленного из ферромагнетика), то зависимость имеет вид петли гистерезиса (рисунок 2.1, кривая ). Явление отставания изменений магнитной индукции от изменения напряженности поля называется магнитным гистерезисом. Если при периодическом намагничивании максимальные значения напряженности поля достигают насыщения , то получается так называемая максимальная, или предельная, петля гистерезиса (сплошная петля на рисунке 2.1). Если же при насыщение не достигается, т. е. , то получаются петли, называемые частными гистерезисными циклами(пунктирные линии на рисунке 2.1). Частных циклов может быть сколь угодно много, и все они будут находиться внутри предельной петли гистерезиса. Соединив вершины частных гистерезисных циклов, получают основную кривую намагничивания, которая практически совпадает с кривой первоначального намагничивания (кривая на рисунке 2.1). Следует отметить, что кривая первоначального намагничивания может быть разбита на три участка: участок , на котором магнитная индукция возрастает пропорционально напряженности поля ( имеет прямолинейный характер), так как ферромагнитный материал не насыщен; участок , называемый коленом кривой намагничивания, который характеризуется все большим насыщением ферромагнитного материала, вследствие чего темп роста магнитной индукции уменьшается, а также уменьшается значение магнитной проницаемости , и участок , где зависимость становится почти прямолинейной, имеющей небольшой угол наклона к оси абсцисс, − этот участок соответствует значительному насыщению ферромагнитного материала; следовательно, в этом случае увеличение напряженности поля приводит лишь к незначительным приращениям магнитной индукции.

Если магнитную индукцию выражать в , а напряженность поля – в , то площадь петли гистерезиса будет выражаться в . Следовательно, площадь петли гистерезиса численно равна энергии, затрачиваемой за один цикл перемагничивания единицы объема ферромагнетика. Величины являются основными характеристиками ферромагнитных материалов, в частности максимальная проницаемость характеризует ферромагнетик с точки зрения возможности его использования для усиления поля. Значение остаточной индукции и коэрцитивной силы , характеризующие важнейшие свойства ферромагнетика, определяются по предельной петле гистерезиса.

В зависимости от назначения к ферромагнитным материалам предъявляются различные требования. Необходимо, чтобы ферромагнитные материалы, работающие в переменном магнитном поле, имели малую коэрцитивную силу (и соответственно узкую петлю гистерезиса). Такие материалы называются магнитомягкими.Для магнитомягких материалов . Основными материалами этой группы являются электротехническая сталь, содержащая кремний, сплавы железо – никель типа пермаллоя и др. Магнитомягкие материалы применяют в качестве магнитопроводов в электрических машинах, трансформаторах и приборах, т. е. в качестве магнитных цепей, в которых создается магнитный поток. Использование магнитомягких материалов для электрических машин переменного тока и трансформаторов уменьшает потери мощности в ферромагнитных сердечниках, а применение магнитомягких материалов с малой В_r в электрических машинах постоянного тока позволяет в широких пределах изменять магнитный поток.

Магнитомягкие материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, получаемой за счет специальной технологии обработки, обладают малым значением и большой , близкой к . Эти материалы широко применяют в вычислительной технике и устройствах автоматики.

Для изготовления постоянных магнитов и подвижных систем в магнитных компасах требуется большая остаточная индукция и большая коэрцитивная сила (и соответственно широкая петля гистерезиса), которая затрудняет размагничивание. Такие материалы называются магнитотвердыми. У магнитотвердых материалов значение остаточной индукции лежит в пределах , а значение коэрцитивной силы лежит в пределах . К магнитотвердым материалам относятся сплавы железа с алюминием, хромом и вольфрамом, содержащие различные присадки.

Деление ферромагнитных материалов на магнитотвердые и магнитомягкие условно, так как имеются материалы с характеристиками, отличными от указанных. Следует отметить, что с возрастанием температуры магнитная проницаемость ферромагнитных материалов уменьшается, причем для каждого материала существует критическая температура, при которой он теряет ферромагнитные свойства, превращаясь в парамагнетик. Ферромагнитные материалы при намагничивании поменяют размеры, вследствие чего они деформируются. Это явление называется магнитострикцией.Однако наряду со свойством изменять размеры при намагничивании ферромагнетики обладают также свойством намагничиваться при растяжении и сжатии. Следовательно, магнитострикционный эффект обратим.

В рассмотренной ранее теории переменного тока все индуктивности, входившие в различные виды цепей, представляли собой катушки без ферромагнитных (например, стальных сердечников), так что магнитный поток замыкался в неферромагнитной среде. У таких катушек в силу постоянства магнитной проницаемости среды, в которой замыкается магнитный поток, индуктивность постоянна, т. е. для таких катушек характерна линейная зависимость между намагничивающей силой (НС) или магнитодвижущей силой (МДС) и магнитным потоком [1, 5, 6, 7].