Основные характеристики ферромагнитных материалов

Основной особенностью ферромагнитных материалов является их доменная структура. Домен представляет собой область спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, внутри которой все спины ориентированы одинаково и создают суммарный магнитный момент домена.

Так как доменов много, а их магнитные моменты направлены в разные стороны, суммарный магнитный момент некоторого объема ферромагнитного материала в отсутствие внешнего магнитного поля равен нулю.

Под влиянием внешнего магнитного поля все домены вещества ориентируются так, чтобы направление их магнитных моментов совпадало с направлением вектора напряженности внешнего поля. Чем больше величина напряженности поля, тем большее число доменов оказывается сориентированными в направлении поля. При некотором значении напряженности H _max наблюдается насыщение (дальнейшее увеличение напряженности поля не приводит к возрастанию магнитной индукции). Насыщение объясняется тем, что при напряженности поля, соответствующей H _max, все домены данного объема вещества оказываются сориентированными в направлении поля.

Процесс намагничивания ферромагнитного материала описывается зависимостью B = f (H). Если в исходном состоянии материал был полностью размагничен, то процесс намагничивания происходит по кривой, которую называют начальной кривой намагничивания. Заметим, что материал может быть полностью размагничен в результате нагрева выше некоторой температуры, называемой точкой Кюри и последующего охлаждения в отсутствии внешних магнитных полей.

Если полностью размагниченный материал поместить во внешнее магнитное поле и плавно изменять напряженность поля от нуля до H _max, то процесс намагничивания происходит по начальной кривой, достигая при H _max индукции насыщения B _m (рис.33.1). Если теперь плавно уменьшать напряженность поля от H _max до нуля, то магнитное состояние изменяется по кривой 1 – 2 и при H = 0 материал остается намагниченным до величины B _r, называемой остаточной индукцией. Явление несовпадения прямого и обратного хода характеристики B = f (H) называют магнитным гистерезисом. Оно объясняется междоменным трением (магнитной вязкостью).

Теперь изменим направление магнитного поля на противоположное и вновь будем увеличивать напряженность поля. Магнитное состояние материала изменяется по кривой 2 – 3. При этом магнитная индукция достигает нулевого значения при некотором значении напряженности поля H _c, называемом коэрцитивной силой.

Дальнейшее увеличение напряженности поля до величины - H _m вновь приводит к насыщению материала. Если теперь изменять напряженность поля от - H _m, то цикл перемагничивания завершается по кривой 4 – 1 ’. После нескольких циклов перемагничивания устанавливается симметричная гистерезисная петля. Геометрическое место вершин установившихся симметричных петель гистерезиса называют основной кривой намагничивания. Предельной гистерезисной петлей или предельным циклом называют симметричную гистерезисную петлю, снятую при очень больших H _m.

Участок предельного цикла B _r, H _c принято называть кривой размагничивания или «спинкой» гистерезисной петли.

Этот участок используют при расчетах магнитных цепей с постоянными магнитами.

Если изменять Н периодически и так, что , то зависимость между В и Н будет иметь вид петли, но центр петли не совпадает с началом координат. Такие петли называют частными петлями гистерезиса или частными циклами.

Безгистерезисной кривой намагничивания называют зависимость между В и Н, возникающую, когда при намагничивании ферромагнитного материала его периодически постукивают или воздействуют на него полем, имеющим кроме постоянной составляющей еще и затухающую по амплитуде синусоидальную составляющую. При этом гистерезис как бы снимается.

В справочной литературе, а также в ГОСТе в качестве однозначной зависимости между В и Н дается основная кривая намагничивания. Именно эта характеристика используется при расчетах магнитных цепей.

Ферромагнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие материалы обладают круто поднимающейся узкой петлей гистерезиса. Коэрцитивная сила у этих материалов мала, они легко перемагничиваются и поэтому применяются в качестве магнитопроводов в устройствах, работающих в переменных магнитных полях (трансформаторах, электрических машинах, индуктивных катушках и т.п.).

Некоторые магнитомягкие материалы обладают петлей гистерезиса по форме близкой к прямоугольной. Такие материалы (с прямоугольной петлей гистерезиса ППГ) получили распространение в вычислительной технике и устройствах автоматики.

Магнитотвердые материалы обладают пологой и широкой петлей гистерезиса. Эти материалы обладают большой коэрцитивной силой и поэтому плохо перемагничиваются. Они находят применение для изготовления постоянных магнитов.

В радиотехнике, где используют высокочастотные колебания, сердечники индуктивных катушек и трансформаторов изготовляют из магнитодиэлектриков или ферритов.

Магнитодиэектрики – материалы, получаемые путем смешения мелкоизмельченного порошка магнетита, железа или пермаллоя с диэлектриком. Эту смесь формуют и запекают. Каждую ферромагнитную крупинку обволакивает пленка из диэлектрика. Благодаря наличию таких пленок сердечники из магнитодиэлектриков не насыщаются; их относительная магнитная проницаемость лежит в диапазоне от нескольких единиц до нескольких десятков.

Ферриты – ферримагнитные материалы. Магнитомягкие ферриты изготовляют из оксидов железа, марганца и цинка или из оксидов железа, никеля и цинка. Смесь формуют и обжигают, в результате чего получают твердый раствор. По своим электрическим свойствам ферриты являются полупроводниками.