НАМАГНИЧИВАНИЕ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ (МАГНИТОВ)
Материалы, обладающие большой магнитной проницаемостью, которым относятся: сталь, железо, чугун, кобальт и ряд сплавов, например никеля с алюминием, получили название ферромагнетиков. При внесении ферромагнитного сердечника в слабое магнитное поле, например катушки с током, магнитная индукция поля возрастает в сотни или тысячи раз.
Магнитные свойства ферромагнетиков объясняются наличием в них самопроизвольно намагниченных микроскопических областей, которые для упрощения можно рассматривать как элементарные магнитики. Под действием внешнего поля, например магнитного поля катушки с током, эти магнитики поворачиваются в направлении поля, вызывая этим усиление магнитной индукции. В магнитной цепи, состоящей преимущественно из ферромагнитных участков, можно получить значительную магнитную индукцию при относительно малой магнитодвижущей силе.
А. Г. Столетов (1839—1896).
В 1872 г. профессор Московского университета А. Г. Столетов впервые исследовал изменение магнитных свойств стали от напряженности магнитного поля. Изменение напряженности поля производилось изменением тока в намагничивающей катушке, в поле которой помещалась сталь.
А. Г. Столетовым была получена зависимость магнитной индукции от напряженности поля, т. е. В = f (H), которая выражается кривой начального намагничивания (рис. 3-23). Кривую можно разделить на три участка: 1) прямолинейный участок Оа, который показывает, что магнитная индукция быстро растет почти пропорционально напряженности поля; 2) участок аб — колено кривой, который характеризует замедление роста магнитной индукции; 3) участок магнитного насыщения — участок, расположенный выше точки б, здесь зависимость между В и Н снова прямолинейна, но рост магнитной индукции значительно замедлен по сравнению с первым участком. Этот участок кривой соответствует магнитному насыщению сердечника, при котором почти все элементарные магнитики ориентированы вдоль поля. Рассмотренная нелинейная зависимость указывает на то, μчто абсолютная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов μa= В/Н непостоянна и зависит от напряженности магнитного поля, а следовательно, и тока намагничивающей катушки. Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетиков, который имеет место при работе их в цепях переменного тока.
При увеличении намагничивающего тока, а следовательно, и напряженности поля Н магнитная индукция достигнет максимального значения +ВМ (рис. 3-24).
Рис 3-23. Начальная кривая намагничивания стали.
Рис. 3-24. Петля гистерезиса
Затем при уменьшении напряженности поля будет уменьшаться и магнитная индукция, но при одних и тех же напряженностях магнитная индукция будет несколько большей, чем при увеличении напряженности (участок кривой А Б). При нулевой напряженности поля магнитная индукция будет иметь значение Вr называемое остаточной индукцией (отрезок ОБ).
Явление отставания или запаздывания изменений магнитной индукции от соответствующих изменений напряженности поля называется магнитным гистерезисом и обусловлено как бы внутренним трением областей самопроизвольного намагничивания.
При изменении направления намагничивающего тока, а следовательно, и направления напряженности поля она достигнет значения Нс, называемого коэрцитивной силой (отрезок ОГ), при котором магнитная индукция В = 0.
При дальнейшем увеличении тока обратного направления магнитная индукция достигнет значения — Bм.
Затем при уменьшении тока до нуля будет получена остаточная индукция (отрезок ОЕ). Наконец при следующем изменении направления тока и напряженности поля и увеличении ее вновь будет получена максимальная индукция + Bм.
Таким образом, мы проследили за изменением напряженности поля и магнитной индукции за один цикл их изменения. При циклическом перемагничивании ферромагнетика зависимость В — f (Н) графически выражается замкнутой кривой АБГДЕЖА, называемой симметричной петле гистерезиса. Наибольшая петля, которая может быть получена для данного материала, называется предельной петлей.
Рис 3-25. Три петли гистерезиса и основная кривая намагничивания стали
Если для данного ферромагнетика получить несколько симметричных петель гистерезиса c различными Вм (рис. 3-25) и соединить вершины петель л то получим кривую, называемую основной кривой намагничивания, очень близкую к кривой начального намагничивания.
Перемагничивание стали связано с затратой энергии, которая превращаясь в тепло, вызывает нагрев стали.
Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной при одном цикле перемагничивания. Потери энергии, вызванные процессом перемагничивания, называются потерей от гистерезиса.
Мощность потерь на циклическое перемагничивание, выражаемая обычно в ваттах на килограмм, зависит от сорта стали, максимальной магнитной индукции и числа циклов перемагничивания стали в секунду или, что то же, частоты (f).
Рис 3-26. 1 — магнитно-мягкий материал, электротехническая сталь; 2 — магнитно мягкий материал, пермаллой; 3 — магнитно-твердый материал.
Свойства ферромагнитных материалов характеризуют основной кривой намагничивания и петлей гистерезиса. На рис. 3-26 показаны три типичные петли гистерезиса для важнейших магнитных материалов.
Статья на тему Намагничивание ферромагнетиков (магнитов)