Гистерезис намагничивания ферромагнетиков

Все ферромагнетики имеют нелинейную зависимость или . Эта зависимость в практических случаях задается так наз. кривой намагничивания, получаемой экспериментально для каждого образца или материала (трансформаторное железо, магнитные сплавы).

На рисунке показаны обе названных зависимости. Верхняя кривая изображает зависимость индукции внутри ферромагнетика от напряженности внешнего намагничивающего поля для реального образца. Нижняя – поведение магнитной проницаемости в соответствии с законами ориентации доменов. При сопоставлении этих кривых нужно учесть связь

,

справедливую для изотропных сред, сохраняющих свойства вне зависимости от ориентации образца относительно поля Н. Таким образом, верхняя кривая получается перемножением двух функций, представленных на нижнем рисунке. В реальности бывает необходимым учитывать и кристаллическую структуру ферромагнетика, тогда конкретный вид и масштаб кривой намагничивания В(Н) может различаться для различных ориентаций осей кристалла.

Приведенная выше кривая получена на образце, который первоначально полностью размагничен. Если же после достижения насыщения намагниченности начать теперь уменьшать внешнее поле, то ферромагнетик начнет проявлять свойство гистерезиса (от греч. histeresis – отставание, запаздывание): обратное движение не повторяет прямое, а проходит по другой кривой, сохраняя "память" о предыдущих значениях. В образном представлении: имея немалые в атомном масштабе размеры, домены "застревают" в своих положениях после каждого поворота в направлении внешнего поля и не могут плавно следовать за изменением индукции (напряженности). На следующем рисунке приведена серия кривых гистерезиса. Часть из этих кривых начинается из точек главной кривой намагничивания ОА, а часть – из того состояния намагниченности, в котором находился данный образец перед началом очередного опыта. Так, если, дойдя в процессе первичного намагничивания до точки А, начать уменьшать ток в намагничивающей катушке, то индукция внутри сердечника этой катушки будет изменяться теперь вначале по кривой АВС. Видно, что даже при нулевом токе индукция в образце осталась ненулевая (остаточная) – образец намагнитился и может проявлять свойства такие же, как у природного магнита: часть его доменов продолжает сохранять ориентацию, заданную внешним полем. Для того, чтобы теперь размагнитить образец, необходимо вновь поместить его в катушку и подать ток, обратного направления (отрицательные значения напряженности Н). Тогда, при определенном значении поля индукция обратится в ноль – это значение исторически называется коэрцитивной силой (coerticio – лат., удерживать). Становится ясно, хорошие постоянные магниты получаются из материалов, имеющих не только высокое значение остаточной намагниченности, но и значительную коэрцитивную силу. Продолжая далее в опыте увеличение значений обратного поля, мы можем перемагнитить образец, разворачивая его домены в направлении обратном предшествующему. Если после этого начать уменьшать внешнее поле, то обратный процесс снова пойдет по другой кривой – теперь по кривой CDA. Если уменьшение поля начать, не доходя до точки А, то возникнет новая петля гистерезиса, вложенная в описанную выше. Таким образом, видно, что, желая сохранить значительное поле внутри сердечника превышающее остаточную намагниченность (например, реле или удерживающий электромагнит), необходимо стремиться к тому, чтобы намагничивающее поле превышало насыщающее значение H_max ( или H_min). Если же мы используем режим, при котором внешнее поле не остается постоянным, а изменяется во времени (например, запись сигнала на магнитофонную ленту или диск), то нужно учитывать как свойства описанных (главных) циклов перемагничивания, так и возможность возникновения частных циклов, подобных циклам a–c или g–h, показанным на том же рисунке. Последнее важно при передаче сигналов через трансформатор. Здесь первичная обмотка является намагничивающей, а ЭДС индукции во вторичной обмотке определяется значением потока магнитной индукции в сердечнике. Очевидно, что передача формы сигнала без искажений здесь принципиально невозможна. Лишь если ток переменного сигнала не выходит за пределы линейного участка основной кривой намагниченности (релеевская область), то искажения будут минимальными. При амплитуде тока переменного сигнала, выходящей по значению напряженности за пределы H_max – H_min искажения станут значительными, что проявится в эффекте возникновения лишних гармоник в передаваемом периодическом сигнале.