Явление Гистерезиса

 
 начальное (рис. 3)

2.  

 
 максимальное

Начальная магнитная проницаемость  характеризует возможность использования  ферромагнетика в слабых магнитных  полях. Максимальная магнитная проницаемость  определяет верхнюю границу использования  материала. Так, например, для листовой электротехнической стали m_н=250¸1000, а m_max=500¸30000.

Циклическое перемагничивание.

Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетиков.

 
Допустим, что кольцевой магнитопровод из ферромагнитного материала не намагничен и тока в витках катушки нет, т.е. B=0 и H=0 (начало координат на рис. 4). При постепенном увеличении намагничивающего тока, т.е. МДС (магнито-движущая сила), а следовательно, и напряженности поля от нуля до некоторого наибольшего значения 

магнитная индукция увеличивается  по кривой начального намагничивания (Оа) и достигает соответствующего максимального значения B_a. Если затем ток и напряженность поля уменьшаются, то и магнитная индукция уменьшается, при соответствующих значениях напряженности магнитная индукция несколько больше, чем при увеличении напряженности. Кривая изменения магнитной индукции (участок aб на рис. 4) располагается выше кривой начального намагничивания. При нулевых значениях тока и напряженности поля магнитная индукция имеет некоторое значениеB_r, называемое остаточной индукцией (отрезок Об на рис. 4).

Таким образом, магнитная  индукция в ферромагнитном материале зависит не только от напряженности поля, но и от предшествующего состояния ферромагнетика. Это явление называется гистерезисом. Оно обусловлено как бы внутренним трением, возникающим при изменении ориентации магнитных моментов доменов.

При изменении направления  намагничивающего тока, а, следовательно, и направления напряженности  поля и постепенном увеличении тока обратного направления напряженность  поля достигает значения H_c, называемого коэрцитивной силой (отрезок Ов), при котором магнитная индукция B=0. При дальнейшем увеличении тока и напряженности поля магнитопровод намагничивается в противоположном направлении и при напряженности поля H_г = -H_aмагнитная индукция достигнет значения B_г = -B_a. Затем при уменьшении тока и напряженности поля до нуля магнитная индукция B_д становится равной -B_б. Наконец, при следующем изменении направления тока и напряженности поля и увеличения ее до прежнего значения Н_а магнитная индукция увеличится также до прежнего значения B_a. Рассмотренный цикл перемагничивания ферромагнетика по кривой абвгдеа называется гистерезисным циклом (петлей гистерезиса).

Такая симметричная замкнутая  петля гистерезиса (рис. 4) получается в действительности   только после нескольких перемагничиваний с увеличением тока до значения I_a. При первых циклах перемагничивания петля несимметричная и незамкнутая. Наибольшая замкнутая петля, которая может быть получена для данного ферромагнитного материала, называется предельной (рис. 5). При напряженности поля H > H_max получается уже безгистерезисный участок кривой B(H).

Если для данного ферромагнитного материала, выбирая различные наибольшие значения тока I_a, получить несколько симметричных петель гистерезиса (рис. 5) и соединить вершины петель, то получим кривую, называемую основной кривой намагничивания, близкую к кривой начального намагничивания.

Циклическое перемагничивание можно применить для размагничивания  магнитопровода, т.е. для уменьшения остаточной индукции до нулевого значения. С этой целью магнитопровод подвергают воздействию изменяющегося по направлению и постепенно уменьшающегося магнитного поля.

Периодическое перемагничивание связано с затратой энергии, которая, превращаясь в тепло, вызывает нагрев магнитопровода. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной при одном цикле перемагничивания. Энергия, затраченная на процесс перемагничивания, называется потерями от гистерезиса. Мощность потерь на циклическое перемагничивание, выражаемая обычно в ваттах на килограмм, зависит от материала, максимальной магнитной индукции и числа циклов перемагничивания в секунду или, что тоже, частоты перемагничивания.

Ферромагнитные материалы.

Ферромагнитные материалы делятся на две группы: магнитно-мягкие и магнитно-твердые.

а) Магнитно-мягкие материалы (таблица №1) применяются в качестве магнитопроводов (сердечников) в устройствах и приборах, где магнитный поток постоянный (полюсные башмаки и сердечники измерительного механизма) или переменный (например, магнитопровод трансформатора). Они обладают низким значением коэрцитивной силы H_c (ниже 400А/м), высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями от гистерезиса. К этой группе материалов относятся: техническое железо и низкоуглеродистые стали, листовые электротехнические стали, железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью (пермаллои) и оксидные ферромагнетики – ферриты и оксиферы.

Техническое железо с содержанием  углерода до 0,04%, углеродистые стали и чугун широко применяются для магнитопроводов, работающих в условиях постоянных магнитных полей. Техническое железо обладает высокой индукцией насыщения (до 2,2 Тл), высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой.

Электротехнические  стали – это сплавы железа с кремнием (1-4%). Путем изменения содержания кремния и применением различных технологических приемов получаются стали с широким диапазоном магнитных свойств. Кремний улучшает свойства технического железа: увеличиваются начальная и максимальная магнитные проницаемости, уменьшается коэрцитивная сила, уменьшаются потери энергии от гистерезиса, увеличивается удельное электрическое сопротивление, что важно для уменьшения так называемых вихревых токов, возникающих при циклически изменяющемся магнитном поле и нагревающих магнитопровод.

Стали, с низким содержанием  кремния, имеют низкую магнитную  проницаемость, большую индукцию насыщения  и большие удельные потери, они  применяются в установках и приборах цепей постоянного тока или переменного  тока низкой частоты. Стали с высоким  содержанием кремния применяются  в тех случаях, когда нужно  иметь высокую магнитную проницаемость  в слабых и средних полях и  малые потери от гистерезиса и  вихревых токов, вследствие чего они  могут применятся для магнитопроводов, работающих при повышенной частоте тока.

Рассмотрим некоторые  виды магнито-мягких материалов, которые наиболее часто применяются в промышленности.

Пермаллои – это сплавы различного процентного содержания железа и никеля, а некоторые из них, кроме того, молибдена, хрома, кремния, алюминия. Пермаллои имеют высокую магнитную проницаемость, в 10-15 раз большую, чем у листовой электротехнической стали. В этих сплавах индукция насыщения достигается при малых напряженностях поля (от десятых долей до нескольких сотен ампер на метр). Одни из них имеют низкую индукцию насыщения B_s (около 0,6 –0,8 Тл), другие – относительно высокую (1,3 – 1,6 Тл). К первой группеотносятся высоконикелевые пермаллои, например содержащий 79% никеля и 3,8% молибдена, у которого m_н=22000;m_max=120000; B_s=0,75Тл. Ко второй группе относятся низконикелевые пермаллои, например содержащие 45% никеля, у которого m_н=2500; m_max=23000; B_s=1,5Тл.

У пермаллоев с прямоугольной петлей гистерезиса (рис. 6) степень прямоугольности петли характеризуется отношением остаточной индукции B_r к максимальной индукции B_max, под которой понимают индукцию при напряженности поля, в 5-10 раз превышающую коэрцитивную силу. Это отношение достигает 0,85-0,99. Коэрцитивная сила таких пермаллоев лежит в пределах от 1 до 30 А/м.

Магнитные свойства пермаллоев в сильной  степени зависят от технологии их изготовления.

Ферритами называют ферромагнитные материалы, получаемые из смеси окислов железа, цинка и других элементов. При изготовлении магнитопроводов смесь размалывают, прессуют и отжигают при температуре около 1200 ⁰С; таким образом, получают магнитопроводы нужной формы. Ферриты обладают очень большим удельным сопротивлением, вследствие чего потери из-за вихревых токов чрезвычайно, малы и их можно применять при высокой частоте.

Ферриты обладают значительной начальной магнитной проницаемостью, незначительной индукцией насыщения(0,18 – 0,32Тл) и малой коэрцитивной силой (8 – 80 А/м).

Магнитодиэлектрики – это материалы, получаемые из смеси мелкозернистого ферромагнитного порошка  с диэлектриком (поливинилхлорид, полиэтилен). Смесь формуют, прессуют и запекают; в результате мельчайшие частицы ферромагнетика оказываются разделенными электроизолирующей пленкой из немагнитного материала.

Ферриты и магнитодиэлектрики широко применяются в качестве сердечников в аппаратуре проводной и радиосвязи, в магнитных усилителя, вычислительных машинах и в других областях техники.

В настоящее время ведутся  разработки новых видов магнито-мягких материалов. Одним из таких видовявляется ленточный магнитопровод разработанный фирмой ГАММАМЕТ^® — гаммамет^® 412А.

Магнитопроводы ГАММАМЕТ^® 412А изготавливаются из ленты толщиной 25 мкм с нанокристаллической структурой. Лента получается методом быстрой закалки из сплава на основе железа. Магнитопроводы после термической обработки в продольном магнитном поле имеют высокую прямоугольность петли магнитного гистерезиса (см. рис. 7) и низкие удельные магнитные потери.  

Предельные значения температуры  окружающей среды от -60 °С до +125°С. Полный срок службы магнитопроводов - 30 лет. Технические условия обеспечивают коэффициент прямоугольности B_r/B₁₀>0,85.

Магнитопроводы ГАММАМЕТ^® 412А заменяют магнито-мягкие железоникелевые сплавы и ферриты с прямоугольной петлей магнитного гистерезиса.

Область применения: магнитные усилители, импульсные трансформаторы, дроссели насыщения, магнитные ключи.

 

1.   А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А. Детлаф, Б. М. Яворский. "Курс общей физики". — М.: Высшая школа, 1989г.

2.   В. И. Иверонова и др. "Физический практикум". — М.: Физико-математическая литература, 1962г.

3.   В. С. Попов. "Теоретическая электротехника". — М.: Энергоатомиздат, 1990г.

4.   Т. И. Трофимова. "Курс физики". — М.: Высшая школа,1998г.

5.   Д. Джанколи. "Физика". Том II. — М.: Мир, 1989г.

6.   Г. Г. Рекус, В. Н. Чесноков. "Лабораторные работы по электротехнике и основам электроники". — М.: Высшая школа, 1989г.