Ферромагнетики (стр. 3 из 5)

Рис.6.Полый железный шар внесен

в однородное магнитное тело

Рис. 7. Магнитные силовые линии сосредоточены в железном кольце, внесенном в магнитное поле.

Изображая графически распределение силовых линий в толще железа и в полости, получим картину рис.7 которая и показывает, что ослабление поля внутри полости есть результат изменения направления силовых линий, а не их обрыва.

Особенности ферромагнитных тел. Бросающейся в глаза особенностью ферромагнитных тел является их способность к сильному намагничиванию, вследствие которой магнитная проницаемость этих тел имеет очень большие значения. У железа, например, величина достигает значений, которые в тысячи раз превосходят значения у парамагнитных и диамагнитных веществ. Намагничивание ферромагнитных тел было изучено в опытах А. Г. Столетова и других ученых.

Эти опыты показали, сверх того, что, в отличие от парамагнитных и диамагнитных веществ, магнитная проницаемость ферромагнитных веществ сильно зависит от напряженности магнитного поля, при которой производят ее измерение. Так, например, в слабых полях магнитная проницаемость , железа достигает значений 5—6 тысяч, а в сильных полях значения , падают до нескольких сот и ниже.

Намагничивание тела, помещенного в магнитное поле, например, внутрь соленоида с током, вызывает изменение магнитного потока. Поэтому величину намагничивания материала можно характеризовать разностью между тем магнитным потоком, который дает соленоид с сечением в 1 см², заполненный данным веществом, и тем потоком, который дает при том же токе этот соленоид без сердечника в воздухе (или, точнее, в вакууме). Если пустой соленоид дает поток Фо, а заполненный — поток Ф, то, согласно теории магнитной проницаемости, Ф= Фо. Таким образом, величина

J=Ф-Фо= ( - 1)*Фопредставляет собой тот добавочный магнитный поток, который создается намагниченным веществом. Эту величину мы и будем называть намагничиванием данного вещества. Намагничивание зависит от магнитной проницаемости веществаи от величины потока Фо, в котором производится намагничивание.

Обращается внимание на то, что мы выбираем соленоид с определенной площадью сечения (1 см²), ибо величина потока зависит от площади сечения соленоида.

В разделе магнитная проницаемость, когда нас интересовало отношение потоков Ф/Фо, это обстоятельство не имело значения, ибо величина площади сечения входит и в числитель и в знаменатель этого отношения. Но за меру намагничивания мы выбрали разность этих потоков; поэтому сечение соленоида должно быть вполне определенное и мы условимся брать его равным 1 см².

Изучение зависимости намагничивания железа и других ферромагнитных материалов от напряженности внешнего магнитного поля обнаруживает ряд особенностей этих веществ, имеющих важное практическое значение. Возьмем кусок ненамагниченного железа, поместим его в магнитное поле и будем измерять намагничивание железа J, постепенно увеличивая напряженность внешнего магнитного поля H. Намагничивание J возрастает сначала резко, затем все медленнее и, наконец, при значениях H около нескольких сот эрстед намагничивание перестает возрастать:

все элементарные токи уже ориентированы, железо достигло магнитного насыщения. Графически зависимость величины J(H) в описываемом опыте изображается кривой ОА на рис. 8. Горизонтальная часть этой кривой вблизи А соответствует магнитному насыщению.

Достигнув насыщения, начнем ослаблять внешнее магнитное поле. При этом намагничивание железа уменьшается, но убывание это идет медленнее, чем раньше шло его возрастание. Зависимость между величинами J(H) в этом случае изображается ветвью кривой AС на рис. 8. Мы видим, таким образом, что одному и тому же значению H могут соответствовать различные значения намагничивания (точки х, х и х" на рис. 8) в зависимости от того, подходим ли мы к этому значению со стороны малых или со стороны больших значений H. Намагничивание железа зависит, стало быть, не только от того, в каком поле данный кусок находится, но и от предыдущей истории этого куска. Это явление получило название магнитного гистерезиса.

Когда внешнее магнитное поле становится равным нулю, железо продолжает сохранять некоторое остаточное намагничивание, величина которого характеризуется отрезком ОС нашего графика. В этом и заключаетсяпричина того, что из железа или стали можно изготовлять постоянные магниты.

Для дальнейшего размагничивания железа нужно приложить внешнее магнитное поле, направленное в противоположную сторону. Ход изменения намагничивания J при возрастании напряженности этого противоположно направленного поля изображается ветвьюCDE кривой. Лишь когда напряженность этого поля достигнет определенного значения (в нашем опыте значения, изображаемого отрезком OD), железо будет полностью размагничено (точка D). Таким образом, величина напряженности размагничивающего поля (отрезок OD) является мерой того, насколько прочно удерживается состояние намагничивания железа. Ее называют коэрцитивной силой. При уменьшении напряженности поля обратного направления и затем при возрастании напряженности поля первоначального направления ход изменения намагничивания железа изображается ветвью кривой EC'A. При новом повторении всего цикла размагничивания, перемагничивания и повторного намагничивания железа в первоначальном направлении форма этой кривой повторяется.

Рис. 8. Кривая намагничивания железа: зависимость намагничивания I от

напряженности внешнего магнитного поля H .

Стрелки указывают направление процесса

{Ветвь ОА изображает ход намагничивания исходного ненамагниченного материала и не повторяется при повторных циклах. Для того чтобы вновь воспроизвести ветвь ОА, необходимо привести материал в первоначальное ненамагниченное состояние. Для этого достаточно, например, сильно нагреть его.}

Из рис. 8 видно, что эта кривая, изображающая ход зависимости намагничивания железа J от напряженности внешнего поля H, имеет вид петли. Ее называютпетлёй гистерезиса для данного сорта железа или стали. Форма петли гистерезиса является важнейшей характеристикой магнитных свойств того или иного ферромагнитного материала.

В частности, зная ее, мы можем определить такие важные характеристики этого материала, как его магнитное насыщение, остаточное намагничивание и коэрцитивную силу.

.Рис. 9. Кривые намагничивания для различных сортов железа и стали:/ — мягкое железо; 2 — закаленная сталь; 3 — незакаленная сталь.

На рис. 9 показана форма петли гистерезиса для различных сортов железа и стали. По форме этой петли можно выбрать материал, который наилучшим образом подходит для той или иной практической задачи. Так, для изготовления постоянных магнитов необходим материал с большой коэрцитивной силой (сталь и особенно специальные сорта кобальтовой стали);для электрических машин и особенно для трансформаторов выгодны материалы с очень малой площадью петли гистерезиса, ибо они, как оказывается, меньше всего нагреваются при перемагничивании; для некоторых специальных приборов важны материалы, магнитное насыщение которых достигается при малых полях и т. д.

В отличие от тел парамагнитных и диамагнитных для ферромагнетиков величина М = Ф/Фо не остается постоянной, а зависит от напряженности внешнего намагничивающего поля Н. Эта зависимость для магнитного сплава (пермаллоя) и для мягкого железа показана на рис.10. Как мы видим, данная величина имеет малые начальные значения в слабых полях, затем нарастает до максимального значения и при дальнейшем увеличении поля в катушке снова уменьшается.

Важно отметить, что при достижении определенной температуры магнитная проницаемость ферромагнитных тел резко падает до значения, близкого к 1. Эта температура, характерная для каждого ферромагнитного вещества, носит название точки Кюри. {Речь идет не о том нагревании под действием вихревых токов Фуко, которое испытывают все металлы, помещенные в переменное магнитное поле, но о нагревании ферромагнитных тел, обусловленном их перемагничиванием и связанном со своеобразным внутренним трением в перемагничиваемом веществе.}

При температурах выше точки Кюри все ферромагнитные тела становятся парамагнитными. У железа точка Кюри равна 767°С, у никеля 360°С, у кобальта около 1130°С. У некоторых ферромагнитных сплавов точка Кюри лежит вблизи 100°С.

Рис. 10. Зависимостьот Н у магнитного сплава пермаллоя (1) и у мягкого железа (2).