Основные характеристики магнитных материалов

Магнитные свойства материалов характеризуются петлей гис­терезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании.

1) Петля гистерезиса. При циклическом изменении напряженности постоянного магнитного поля от 0 до +Н, от + Н до - Н и снова от - Н до + Н кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой - петли гистерезиса. Для слабых полей петля имеет вид эллипса (рис. 51).

Рис. 51. Петли гистерезиса при различных значениях напряженности внешнего магнитного поля

При увеличении значения напряженности магнитного поля Н получают серию заключенных одна в другую проме­жуточных петель гис­терезиса. Когда все векторы намагничен­ности доменов сориен­тируются вдоль на­правления поля, про­цесс намагничивания закончится состояни­ем технического насы­щения намагниченнос­ти материала. Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения намагничивания, называют предельной петлей гистерезиса.

Она характеризуется максимально достигнутым значением ин­дукции B_s, называемым индукцией насыщения. При уменьшении на­пряженности магнитного поля от + Н до 0 магнитная индукция со­храняет остаточную индукцию В_с. Чтобы получить остаточную маг­нитную индукцию, равную нулю, необходимо приложить противо­положно направленное размагничивающее поле определенной на­пряженности - Н_с. Отрицательная напряженность магнитного поля - Н_с называется коэрцитивной силой материала. При достижении на­пряженности магнитного поля значения - Н, а затем 0 вновь возни­кает остаточная индукция - В _c. Если повысить напряженность маг­нитного поля до + Н_с, то остаточная магнитная индукция В_с будет равна 0.

Площадь гистерезисных петель в промежуточных и предельном состояниях характеризует рассеивание электрической энергии в процессе перемагничивания материала, т.е. потери на гистерезис. Площадь гистерезисной петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты перемагничивания.

По предельной петле гистерезиса определяют такие характерис­тики магнитных материалов, как индукцию насыщения B_s, остаточ­ную индукцию В_с, коэрцитивную силу Н_с.

2) Кривая намагничивания. Это важнейшая характеристика магнит­ных материалов, показывающая зависимость намагниченности или магнитной индукции материала от напряженности внешнего магнитного поля Н (рис. 52).

Рис. 52. Зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н (основная кривая намагничивания) технически чистого железа (99,92% Fe)

Магнитная индукция материала B_i измеряется в теслах (Тл) и связа­на с намагниченностью М формулой , где  - магнитная постоянная, равная 4 10^-7Гн/м; М -намагниченность, А×м^-1.

Основная (коммутационная) кривая намагничивания представ­ляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полу­ченных при циклическом перемагничивании (см. рис. 6.1) и отра­жает изменение маг­нитной индукции В в зависимости от напря­женности магнитного поля Н, которое созда­ется в материале при намагничивании. На­пряженность магнит­ного поля в образце в виде тороида, когда магнитная цепь замкну­та, равна напряженности внешнего поля В разомкнутой магнитной цепи на концах образца появляются магнитные полюса, создающие размагничи­вающее поле Н_р. Разница между магнитными напряженностями внешнего и размагничивающего полей определяет внутреннюю магнитную напряженность Н _i. материала.

Основная кривая намагничивания (рис. 6.2) имеет ряд характер­ных участков, которые можно условно выделить при намагничива­нии монокристалла ферромагнетика. Первый участок кривой намаг­ничивания соответствует процессу смещения границ менее благо­приятно ориентированных доменов. На втором участке происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении внеш­него магнитного поля. Третий участок соответствует парапроцессу, т. е. завершающему этапу процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия несориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика.

3) Магнитная проницаемость. Для характеристики поведения маг­нитных материалов в поле с напряженностью Н пользуются поня­тиями абсолютной магнитной проницаемости  и относительной магнитной проницаемости :

,

,

где  - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м;  - магнитная постоян­ная.

Подставляя в эти соотношения конкретные значения В и Н, по­лучают различные виды магнитной проницаемости, которые при­меняют в технике. Наиболее часто используют понятия нормальной , начальной , максимальной , дифференциальной  и импульсной  магнитной проницаемости.

Относительную магнитную проницаемость материала  полу­чают по основной кривой намагничивания. Для простоты слово «относительная» не упоминается.

Магнитную проницаемость при Н = 0 называют начальной маг­нитной проницаемостью . Ее значение определяется при очень слабых полях (примерно 0,1 А/м).

Максимум на кривой проницаемости, соответствующий II участку кривой намагничивания (см. рис. 6.2), характеризуется значением мак­симальной магнитной проницаемости . Начальная и максималь­ная магнитные проницаемости представляют собой частные случаи нормальной магнитной проницаемости. Их значения наряду с B_s, B_c и H_с являются важнейшими параметрами магнитного материала.

В сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость стремится к единице.

4) Потери энергии при перемагничивании. Это необратимые потери электрической энергии, которая выделяется в материале в виде тепла. Потери на перемагничивание магнитного материала складыва­ется из потерь на гистерезис и динамических потерь.

Потери на гистерезис создаются в процессе смещения стенок доменов на начальной стадии намагничивания. Вследствие неодно­родности структуры магнитного материала на перемещение стенок доменов затрачивается магнитная энергия.

Потери энергии на гистерезис

,

где а - коэффициент, зависящий от свойств и объема материала; f - частота тока, Гц.

Динамические потери Р_вт вызываются частично вихревыми то­ками, которые возникают при изменении направления и напряжен­ности магнитного поля; они также рассеивают энергию:

,

где b - коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления, объема и геометрических размеров образца.

Потери на вихревые токи из-за квадратичной зависимости от ча­стоты поля превосходят потери на гистерезис на высоких частотах.

К динамическим потерям относятся также потери на последей­ствие Р_п, которые связаны с остаточным изменением магнитного состояния после изменения напряженности магнитного поля. Они зависят от состава и термической обработки магнитного материа­ла и проявляются на высоких частотах. Потери на последействие (магнитную вязкость) необходимо учитывать при использовании ферромагнетиков в импульсном режиме.

Общие потери в магнитном материале

.