Свойства ферромагнетиков

5.2.1. Ферромагнитные домены.

При отсутствии магнитного поля кристалл ферромагнетика разбивается на небольшие спонтанно намагниченные до насыщения объёмы ¾ домены ¾ размером 10^-4¸ 10^-6м, в которых все магнитные моменты атомов ориентированы параллельно определенному кристаллографическому направлению. В образце происходит образование замкнутых магнитных магнитной цепей. Таким образом результирующий магнитный момент ферромагнетика оказывается равным нулю.

При помещении образца в магнитное поле, направленное по оси лёгкого намагничивания образца, происходит смещение границ доменов, увеличение объёма доменов, имеющих // . Появляется суммарная намагниченность . При увеличении напряжённости внешнего магнитного поля границы доменов смещаются, и четырёхдоменная структура превращается в однодоменную (рис.5.1). Образец намагничивается до насыщения.

 

 

Рис.5.1. Магнитная четырёхдоменная структура в магнитном поле: а – доменная структура при Н _вн. = 0; б и в – изменение доменной структуры в процессе намагничивания.

 

 

5.2.2. Магнитный гистерезис.

Магнитным гистерезисом называется отставание состояния намагниченности материала (магнитной индукции В) от изменения напряжённости внешнего магнитного поля Н.

В переменном магнитном поле происходит перемагничивание образца ферромагнетика. Получаемая при этом зависимость В (Н) называется петлёй магнитного гистерезиса. Каждому диапазону изменения напряжённости магнитного поля Н соответствует своя частная петля гистерезиса. При некоторой напряжённости магнитного поля Н = Н _S = Н _max достигается максимальная для данного вещества площадь предельной петли гистерезиса (рис.5.2).

 

Рис.5.2. Зависимость В (Н): 1 – предельная петля гистерезиса; 2 – частная петля гистерезиса; ОКН – основная кривая намагничивания; В _r – остаточная магнитная индукция; В _S – магнитная индукция насыщения; Н _C – коэрцитивная сила; Н _S – магнитная индукция насыщения.

 

Геометрическое место вершин симметричных частных петель гистерезиса в их семействе называется основной кривой намагничивания (ОКН). По форме ОКН похожа на кривую первоначального намагничивания но не совпадает с ней. Основная кривая намагничивания используется при расчётах электромагнитных устройств, работающих на переменном токе, т.к. связывает между собой В _мах и Н _мах при периодическом намагничивании магнитопроводов и сердечников.

По предельному гистерезисному циклу определяется остаточная магнитная индукция B _r (при Н = 0) и коэрцитивная сила Н _С (при В = 0).

Остаточная магнитная индукция B _r определяет степень намагниченности материала, а коэрцитивная сила Н _С ¾ стабильность намагниченности.

 

5.2.3. Магнитная проницаемость.

Магнитная индукция в ферромагнитных материалах ФММ нелинейно зависит от напряжённости внешнего магнитного поля

,

где m _а = m× m ₀ [Гн/м] — абсолютная магнитная проницаемость;

m ₀ = 4p× 10^-7 [Гн/м] — магнитная постоянная (абсолютная магнитная проницаемость вакуума);

m = m _а/ m ₀ — относительная магнитная проницаемость

Магнитная индукция В характеризует величину магнитного поля в ФММ, а напряжённость Н — внешнее магнитное поле. Относительная магнитная проницаемость m показывает во сколько раз магнитная индукция В в ФММ больше, чем в вакууме.

Рис.5.3. Зависимость В (Н), μ (Н), μ _диф.(Н).

 

На рис. 5.3 приведены нелинейные зависимости В (Н) и m (Н) для ОКН. Магнитная проницаемость вследствие нелинейной зависимости В (Н) не является постоянной величиной и зависит не только от свойств материала, но и от их магнитного режима. Магнитные поля соответствующие росту m (Н) считаются слабыми. В сильных магнитных полях проницаемость уменьшается.

 

5.2.4. Магнитное сопротивление.

Магнитные материалы применяются для изготовления магнитопроводов электромагнитных аппаратов (электрических машин и трансформаторов), сердечников, катушек, дросселей, магнитных антенн.

Габариты электрических машин зависят от магнитной проницаемости материалов магнитопроводов в соответствии с законом магнитной цепи

,

где Ф — магнитный поток;

F = W× I = H× l — магнитодвижущая сила;

R _M = l / m _а× S — магнитное сопротивление участка цепи;

l — длина магнитопроводов;

S — сечение магнитопровода;

m _а — абсолютная магнитная проницаемость;

W — число витков катушки;

I — ток в катушке.

Магнитное сопротивление магнитопровода обратно пропорционально магнитной проницаемости материала магнитопровода. Магнитомягкие материалы с большой магнитной проницаемостью наиболее соответствуют требованиям снижения весов и габаритов электрооборудования.

 

5.2.5. Магнитные потери.

В переменном магнитном поле в ферромагнитных материалах возникают потери энергии на гистерезисе и вихревые токи.

Потери на гистерезисе связаны с затратами энергии на перемагничивание ФММ.

Потери пропорциональны частоте, амплитуде магнитной индукции В _м и объёму магнитопровода V. Коэффициент К _r учитывает свойства ФММ и габариты магнитопровода. Показатель степени n = 1, 6 – 2, 0.

Потери на вихревые токи определяются по формуле

Потери пропорциональны частоте и амплитуде магнитной индукции В _m и объёму магнитопровода. Коэффициент учитывает свойства ФММ и габариты магнитопровода. Для уменьшения Dр_в.Т. используют ФММ с высоким удельным сопротивлением, а магнитопровод набирают из тонких, изолированных пластин.

 

5.3. Магнитомягкие материалы.

Магнитные материалы в зависимости от величины коэрцитивной силы делятся на магнитомягкие (с узкой петлей гистерезиса и Н _С < 0, 8 кА/м) и магнитотвёрдые (с широкой петлёй гистерезиса и Н _С > 4 кА/м) (рис.5.4).

 

Рис.5.4. Петли гистерезиса. а, б – магнитомягких материалов; в – МММ с прямоугольной формой; г – магнитотвёрдых материалов.

 

 

Магнитомягкие материалы имеют высокое значение начальной относительной магнитной проницаемости m _нач., способны намагничиваться до насыщения даже слабых полях, т.е. обладает малой коэрцетивной силой Н _С и имеют малые потери при перемагничивании.

Магнитомягкие материалы используются для изготовления магнитных систем, магнитопроводов, сердечников электрических машин и трансформаторов, а также индуктивных элементов электротехники и электротехники, САУ, ВТ.

К магнитомягким материалам относятся металлические материалы:

– ферромагнитное чистое железо;

– низкоуглеродистые электрические стали (нелегированные и кремнистые);

– магнитомягкие сплавы на железно и железноникелевой основе;

– магнитомягкие ферриты;

- магнитодиэлектрики.