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, магнитная проницаемость µ достигает значений, которые в тысячи раз превосходят значения µ 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.

Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты молекулярных токов приобретают в большей или меньшей степени преимущественную ориентацию в направлении поля (в случае ферро- и парамагнетиков) либо возникают индукционные молекулярные токи, магнитные моменты которых ориентированы против поля (диамагнетиков). В результате суммарный магнитный момент молекулярных токов становится отличным от нуля, и тело оказывается намагниченным. Естественно в качестве меры намагниченности вещества принять суммарный магнитный момент молекулярных токов, заключенных в единице объема вещества. В соответствии с этим вводится векторная величина J, намагниченностью вещества и определяемая выражением

(69)

Связь намагниченности J, магнитной индукции B и напряженности магнитного поля выражается следующим образом:

(70)

С учетом того, что , получается формула:

(71)

Изучение зависимости намагниченности железа и других ферромагнитных материалов от напряженности внешнего магнитного поля обнаруживается ряд особенностей этих веществ, имеющих важное практическое значение. Возьмем кусок ненамагниченного железа, поместим его в магнитное поле и будем измерять намагниченность железа, постепенно увеличивая напряженность внешнего магнитного поля. Намагниченность возрастает сначала резко, затем все медленнее и, наконец, при значениях Н около нескольких десятков тысяч ампер на метр намагниченность перестает возрастать: все элементарные токи уже ориентированы, железо достигло магнитного насыщения. Графическая зависимость J от Н в описываемом опыте изображается кривой Оа на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля. Стрелки указывают направление процесса.

Горизонтальная часть этой кривой вблизи точки а соответствует магнитному насыщению.

Достигнув насыщения, начнем ослаблять внешнее магнитное поле. При этом намагниченность железа уменьшается, но убывание это идет медленнее, чем раньше шло ее возрастание. Зависимость между J и Н в этом случае изображается кривой ab. Мы видим, таким образом, что одному и тому же значению Н могут соответствовать различные значения намагниченности (точки ) в зависимости от того, подходим ли мы к этому значению со стороны малых или со стороны больших значений Н. Намагниченность железа зависит 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 некоторую остаточную намагниченность, которая характеризуется отрезком Ob графика.

Для дальнейшего размагничивания железа нужно приложить внешнее магнитное поле, направленное в противоположную сторону. Ход изменения намагниченности при возрастании напряженности этого противоположно направленного поля изображается ветвью кривой bcd. Лишь когда напряженность этого поля достигнет определенного значения (в нашем опыте значения, изображаемого отрезком Ос), железо будет полностью размагничено (точка С). Таким образом, напряженность размагничивающего поля (отрезок Ос) 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 измерения намагниченности железа изображается ветвью кривой .

При новом повторении всего цикла размагничивания, перемагничивания и повторного намагничивания железа в первоначальном направлении форма этой кривой повторяется. Кривая, изображающая ход зависимости намагниченности железа от напряженности внешнего поля, имеет вид петли. Ее называют петлей гистерезиса для данного сорта 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, остаточную намагниченность и коэрцитивную силу.

Процесс намагничивания вещества можно характеризовать кривой зависимости J и Н, но и кривой зависимости В и Н. На рисунке 9.6 показана зависимость В и Н для различных сортов стали.

Рис. 9.6. Кривые намагничивания для различных сортов железа и стали: 1- мягкое железо, 2 – закаленная сталь, 3 – незакаленная сталь.

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 перегреваются при перемагничивании. Речь идет о том нагревании под действием вихревых токов Фуко, которое испытывают все металлы, а о нагревании ферромагнитных тел, обусловленном их перемагничиванием и связанном со своеобразным внутренним трением в перемагничивающемся веществе.

В отличие от парамагнетиков и диамагнетиков у ферромагнетиков магнитная проницаемость µ не остается постоянной, а зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Эта зависимость для магнитного сплава (пермаллоя) и для мягкого железа показана на рисунке 9.7.

Рис. 9.7. Зависимость µ от Н: 1- у магнитного сплава (пермаллоя), 2- у мягкого железа.

Как мы видим, магнитная проницаемость имеет малые значения в слабых полях, затем нарастает до максимального значения и при дальнейшем увеличении поля снова уменьшается.

Важно отметить, что при достижении определенной температуры магнитная проницаемость ферромагнитных тел резко падает до значения, близкого к единице. Эта температура, характерная для каждого ферромагнитного вещества, носит название точки Кюри по имени французского физика Пьера Кюри. При температурах выше точки Кюри все ферромагнитные тела становятся парамагнитными.