Обновлено: 18.05.2024

Важнейшим вопросом эффективного использования магнит­нотвердых материалов является высокое качество намагничива­ния систем с постоянными магнитами.

Обычно магниты (кроме магнитов из феррита бария) намаг­ничиваются после сборки системы, так как при этом после маг­нитной стабилизации значение индукции в зазоре оказывается больше, чем при намагничивании без системы, с последующей сборкой и магнитной стабилизацией (рис. 57). На рисунке OA — линия коэффициента размагничивания, характеризующая маг­нитную систему после сборки; ОС — ли­ния коэффициента размагничивания для магнита без арматуры; В\ и Ва — индук­ции в зазоре, получаемые после магнит­ной стабилизации соответственно для си­стемы, намагниченной до и после сборки.

Намагничивание до сборки связано также и с трудностями технологического характера, возникающими при сборке устройства с намагниченным магнитом (необходимость иметь немагнитный ин­струмент. возможность засорения ферро­магнитной пылью и т. п.).

Исследования показали, что для по­нятного состояния при лучения предельных магнитных характе-

Намагничивании до и пИСТИК напряженность намагничивающе - после сборки г г, г п ґ

Го поля должна быть в 5—7 раз больше

Коэрцитивной силы. Эти данные относят­ся к тому случаю, когда весь объем магнита пронизывается по­лем указанной величины, что имеет место, например, при намаг­ничивании магнита с плоскопараллельными полюсами, зажатого между полюсами электромагнита постоянного тока. В большин­стве случаев из-за влияния потоков рассеивания, магнитного сопротивления воздушных промежутков, вихревых токов (при намагничивании переменным полем) значение намагничивающе­го поля должно быть больше указанного и соответствовать 3000—10 000 э.

Для создания полей такой величины в объеме, достаточном для помещения в зазор магнитной системы, требуются значи­тельные намагничивающие ампервитки. При одновитковом на­магничивании, которое применяется в ряде случаев, для этого необходимо иметь токи в десятки тысяч ампер.

Применяется намагничивание в установках, питаемых по­стоянным током, переменным, при одновременном действии по­стоянного и переменного токов, а также импульсное.

Рис. 57. Изменение маг-

Намагничивание постоянным током производится в электро­
магнитах [47]. Такие электромагниты получаются громоздкими и для них требуются мощные источники питания.

Например, пермеаметр сильных полей установки типа У-541, создающий поле, равное 4000 э в зазоре 50 мм, имеет массу, равную 250 кг, а электромагнит, созданный для намагничивания постоянных магнитов, при поле в 40 000 э и зазоре 12 мм потреб­ляет мощность, равную 28 кет.

На переменном токе требуемое значение тока в результате применения трансформаторов полу­чить относительно просто. Однако в этом случае возникают другие труд­ности: нельзя гарантировать высо­кое качество намагничивания, так как в зависимости от того, при ка­ком мгновенном значении тока про­изойдет выключение, магнит может оказаться намагниченным хуже, лучіпе и даже совсем не намагни­ченным. Для устранения этого недо­статка надо или обеспечить выклю­чение тока при достижении им максимального значения, или иметь большой запас по намагничивающему току, что умень­шает вероятность плохого намагничивания.

Следует также иметь в виду влияние вихревых токов, дейст­вие которых приводит к тому, что в результате затухания элек­тромагнитной волны при ее проникновении в глубь металла внутренний объем магнита может оказаться ненамагни - ченным.

Связь между минимальной продолжительностью импульса Т, при которой весь объем магнита промагничивается, размерами магнита и его физическими свойствами может быть представле­на следующей эмпирической формулой:

Т= 8K^-D2-\0~10 [сек], (62)

Рис. 58. Схематическое устройство ударного транс­форматора

Где К — удельная проводимость материала магнита (для желе- зоникельалюминиевых сплавов К= 1,7-104 ом~1)\ В — индукция в магните, гс\ Н — напряженность намагничивающего поля, э\ D — эффективный диаметр магнита, см.

Практическое осуществление метод намагничивания пере­менным током нашел в ударном трансформаторе (рис. 58).

Трансформатор состоит из первичной обмотки W\ с большим числом витков и вторичной обмотки ®2 = 1 в виде короткозамк - нутой толстой медной шины. При размыкании ключом К цепи первичной обмотки во вторичной возникает импульс тока в не­сколько десятков тысяч ампер, который и используется для на­магничивания магнита.

Б. М. Яновский предложил производить намагничивание по идеальной кривой, для получения которой магнит помещают в постоянное поле и одновременно воздействуют на него перемен­ным полем с убывающей до нуля амплитудой. При этом значе­ние постоянного тока, необходимое для намагничивания до на­сыщения, может быть взято приблизительно в три раза меньше, чем при отсутствии переменного поля.

Для намагничивания широкое применение находят схемы, в которых используется явление заряда и разряда мощной бата­реи конденсаторов. Для исключения колебаний в таких схемах применяют различные выпрямляющие устройства, позволяющие пропускать ток в одном направлении, т. е. производить импульс­ное намагничивание.

Установки с импульсным намагничиванием накапливают энергию в конденсаторе длительно, а отдают ее в процессе раз­ряда за короткий промежуток времени. Поэтому для создания мощного импульса не требуется большого тока потребления, что позволяет использовать для питания установки обычную осве­тительную сеть. К достоинствам импульсных установок надо от­нести также их малые габариты и относительную простоту уст­ройства.

Одна из возможных схем импульсной намагничивающей установки приведена на рис. 59.

Рассматриваемое устройство может быть использовано не только для намагничивания магнитных систем, но также и для их размагничивания. В первом случае должен быть замкнут штепсельный разъем НУ и разомкнут штепсельный разъем РУ, во втором случае — наоборот.

Рассмотрим работу схемы в качестве намагничивающего устройства. При замыкании ключа К напряжение сети подается через трансформатор Тр в обмотку реле Р\, которое срабатыва­ет и замыкает контакт К\, создавая тем самым цепь заряда кон­денсаторов С, и С2 (через выпрямитель В, зарядное сопротивле­ние 7*ь контакт /Сі и штепсельный разъем НУ). Емкости конден­саторов С] и С2 равны 700 мкф.

Вольтметр V, включенный через делитель напряжения (со­противления г2 и г3), измеряет текущее напряжение на емкостях. В зависимости от необходимой величины тока в импульсе схема позволяет при помощи сопротивления г4 устанавливать макси­мальное значение зарядного напряжения от 600 до 1000 в. При достижении заданного значения напряжения срабатывает реле

Рг и размыкает через контакт К.2 цепь питания реле Контакт Ki размыкается, и процесс заряда емкостей заканчивается.

Нажатием кнопки А подается питание на реле Яз, которое, замкнув контакты /Сз, создает цепь питания игнитрона И. Игни­трон зажигается, и батарея конденсаторов разряжается через намагничивающую катушку, подключенную к зажимам 1 и 2. В цепь разряда входят также сопротивления r5 = Ю-2 ом и г6. Первое сопротивление используется при включении осциллогра­фа для наблюдения намагничивающего импульса. Второе со­противление необходимо для исключения возможности возник-

Рис. 59. Принципиальная схема установки для импуль­сного намагничивания

Новения обратной полуволны и устанавливается в зависимости от индуктивности намагничивающей обмотки с магнитом.

При использовании схемы для размагничивания штепсель переставляется из гнезда НУ в гнездо РУ, а к зажимам 1, 2 и 3 подключается размагничивающее устройство. Оно представляет собой воздушный трансформатор с двумя обмотками. Начала обмоток соединяются с зажимами 1 и 3, а концы — с зажимом 2. В данном случае при включении питания заряжается только конденсатор Сг. Во время его разряда через игнитрон и первич­ную обмотку размагничивающего трансформатора во вторичной цепи, представляющей собой колебательный контур, состоящий из индуктивности обмотки и емкости Сь возникают затухающие колебания. Они создают переменное поле с убывающей до нуля амплитудой, которое и используется для размагничивания.

Техника намагничивания зависит от формы и размеров маг­нита.

Подковообразные магниты можно намагничивать, например, так, как показано на рис. 60.

Устройство для намагничивания состоит из железной плиты с малым магнитным сопротивлением, на котором располагается катушка с большим числом витков. Магниты ставят на плиту, охватывая катушку и замыкая полюса через железо. Установка позволяет осуществить одновременное намагничивание большо­го числа магнитов.

Рис. 60. Намагничивание подко - Рис. 61. Намагничивание рогооб - вообразных магнитов на плите разных массивных магнитов

Для намагничивания массивных магнитов рогообразной фор­мы массой до 50—100 кг применяют метод последовательного намагничивания, заключающийся в следующем. На магниты одевают плоские катушки и полюса замыкают железными пере­мычками (рис. 61).

Катушки рассчитывают так, чтобы при включении тока маг­нит промагнитился в месте их расположения до насыщения. Включают ток, т. е. промагничивают участок под катушками. Ток выключают, катушки передвигают по магниту, включают ток, снова передвигают катушки и так до полного сближения катушек.

Приведенные примеры показывают, что каждый раз, исходя из конкретных условий задачи, надо продумывать вопрос о ме­тоде намагничивания и выборе конструкции намагничивающего устройства.

Магнетизм и электромагнетизм

Среди железных руд, добываемых для металлургической промышленности, встречается руда, называемая магнитным железняком. Эта руда обладает свойством притягивать к себе железные предметы.

Кусок такой железной руды называется естественным магнитом , а проявляемое им свойство притяжения — магнетизмом .

В наше время явление магнетизма используется чрезвычайно широко в различных электрических установках. Однако теперь применяют не естественные, а так называемые искусственные магниты .

Искусственные магниты изготовляются из специальных сортов стали. Кусок такой стали особым образом намагничивают, после чего он приобретает, магнитные свойства, т. е. становится постоянным магнитом.

Форма постоянных магнитов может быть самая разнообразная в зависимости от их назначения.

У постоянного магнита силами притяжения обладают только его полюсы. Конец магнита, обращенный к северу, условились называть северным полюсом магнита , а конец, обращенный к югу, — южным полюсом магнита . Каждый постоянный магнит имеет два полюса: северный и южный. Северный полюс магнита обозначается буквой С или N, южный полюс — буквой Ю или S.

Магнит притягивает к себе железо, сталь, чугун, никель, кобальт. Все эти тела называются магнитными телами. Все же остальные тела, которые не притягиваются к магниту, называются немагнитными телами.

Строение магнита. Намагничивание

Любое тело, в том числе и магнитное, состоит из мельчайших частиц — молекул. В отличие от молекул немагнитных тел, молекулы магнитного тела обладают магнитными свойствами, представляя собой молекулярные магнитики. Внутри магнитного тела эти молекулярные магнитики расположены своими осями в различных направлениях, в результате чего само тело никаких магнитных свойств не проявляет. Но если эти магнитики заставить повернуться вокруг своих осей так, чтобы они своими северными полюсами были обращены в одну сторону, а южными в другую, то тело приобретет магнитные свойства, т. е. станет магнитом.

Процесс, в результате которого магнитное тело приобретает свойства магнита, называется намагничиванием . При изготовлении постоянных магнитов намагничивание производится при помощи электрического тока. Но можно намагнитить тело и другим способом, пользуясь обычным постоянным магнитом.

Если прямолинейный магнит распилить по нейтральной линии, то получатся два самостоятельных магнита, причем полярность концов магнита сохранится, а на концах, полученных в результате распила, возникнут противоположные полюсы.

Каждый из полученных магнитов можно также разделить на два магнита, и сколько бы мы ни продолжали такое деление, мы всегда будем получать самостоятельные магниты с двумя полюсами. Получить же брусок с одним магнитным полюсом невозможно. Этот пример подтверждает то положение, что магнитное тело состоит из множества молекулярных магнитиков.

Магнитные тела отличаются одно от другого степенью подвижности молекулярных магнитиков. Есть тела, которые быстро намагничиваются и так же быстро размагничиваются. И, наоборот, есть тела, которые намагничиваются медленно, но зато долго сохраняют в себе магнитные свойства.

Так железо быстро намагничивается под действием постороннего магнита, но так же быстро и размагничивается, т. е. теряет магнитные свойства при удалении магнита. Сталь же, намагнитившись раз, длительное время сохраняет в себе магнитные свойства, т. е. становится постоянным магнитом.

Свойство железа быстро намагничиваться и размагничиваться объясняется тем, что молекулярные магнитики железа чрезвычайно подвижны, они легко поворачиваются под действием внешних магнитных сил, но зато так же быстро приходят в прежнее беспорядочное положение при удалении намагничивающего тела.

Однако в железе небольшая часть магнитиков и после удаления постоянного магнита все же продолжает оставаться некоторое время в положении, которое они приняли при намагничивании. Следовательно, железо после намагничивания сохраняет в себе очень слабые магнитные свойства. Это подтверждается тем, что при удалении железной пластинки от полюса магнита не все опилки упали с ее конца — небольшая часть их осталась еще притянутой к пластинке.

Свойство стали оставаться длительное время намагниченной объясняется тем, что молекулярные магнитики стали с трудом поворачиваются в нужном направлении при намагничивании, но зато сохраняют на продолжительное время установившееся положение и после удаления намагничивающего тела.

Способность магнитного тела проявлять магнитные свойства после намагничивания называется остаточным магнетизмом.

Явление остаточного магнетизма вызвано тем, что в магнитном теле действует так называемая задерживающая сила, которая удерживает молекулярные магнитики в положении, занятом ими при намагничивании.

В железе действие задерживающей силы очень слабое, в результате чего оно быстро размагничивается и имеет очень маленький остаточный магнетизм.

Свойство железа быстро намагничиваться и размагничиваться чрезвычайно широко используется в электротехнике. Достаточно сказать, что сердечники всех электромагнитов, применяемых в электрических аппаратах, изготовляются из специального железа, обладающего крайне малым остаточным магнетизмом.

Сталь обладает большой задерживающей силой, благодаря чему в ней сохраняется свойство магнетизма. Поэтому постоянные магниты изготовляются из специальных стальных сплавов.

На свойствах постоянного магнита отрицательно сказываются удары, сотрясения и резкие колебания температуры. Если, например, постоянный магнит нагреть докрасна и затем дать остыть, то он совершенно потеряет свои магнитные свойства. Точно так же, если подвергать постоянный магнит ударам, то сила его притяжения заметно уменьшится.

Объясняется это тем, что при сильном нагреве или ударах преодолевается действие задерживающей силы и тем самым нарушается упорядоченное расположение молекулярных магнитиков. Вот почему с постоянными магнитами и приборами, имеющими постоянные магниты, надо обращаться с осторожностью.

Магнитные силовые линии. Взаимодействие полюсов магнитов

Вокруг любого магнита существует так называемое магнитное поле.

Магнитным полем называется пространство, в котором действуют магнитные силы . Магнитным полем постоянного магнита является та часть пространства, в котором действуют поля прямолинейного магнита магнитные силы этого магнита.

Магнитные силы магнитного поля действуют в определенных направлениях . Направления действия магнитных сил условились называть магнитными силовыми линиями . Этим термином широко пользуются при изучении электротехники, однако надо помнить, что магнитные силовые линии не материальны: это — условное понятие, введенное только для облегчения понимания свойств магнитного поля.

Форма магнитного поля , т. е, расположение в пространстве магнитных силовых линий, зависит от формы самого магнита.

Магнитные силовые линии обладают рядом свойств: они всегда замкнуты, никогда не пересекаются, имеют стремление пойти по кратчайшему пути и оттолкнуться друг от друга, если направлены в одну сторону. Принято считать, что силовые линии выходят из северного полюса магнита и входят в его южный полюс; внутри магнита они имеют направление от южного полюса к северному.

Одноименные магнитные полюсы отталкиваются, разноименные магнитные полюса притягиваются.

В правильности обоих выводов нетрудно убедиться практически. Возьмите компас и поднесите к ней один из полюсов прямолинейного магнита, например северный. Вы увидите, что стрелка моментально повернется своим южным концом к северному полюсу магнита. Если быстро повернуть магнит на 180°, то сразу же повернется на 180° и магнитная стрелка, т. е. ее северный конец будет обращен к южному полюсу магнита.

Магнитная индукция. Магнитный поток

Сила воздействия (притяжения) постоянного магнита на магнитное тело убывает с увеличением расстояния между полюсом магнита и этим телом. Наибольшую силу притяжения магнит проявляет непосредственно у его полюсов, т. е. как раз там, где наиболее густо расположены магнитные силовые линии. По мере удаления от полюса густота силовых линий уменьшается, они располагаются все реже и реже, вместе с этим ослабевает и сила притяжения магнита.

Таким образом, сила притяжения магнита в разных точках магнитного поля неодинакова и характеризуется густотой силовых линий. Для характеристики магнитного поля в различных его точках вводится величина, называемая магнитной индукцией поля .

Магнитная индукция поля численно равна количеству силовых линий, проходящих через площадку 1 см2, расположенную перпендикулярно их направлению.

Значит, чем больше густота силовых линий в данной точке поля, тем больше в этой точке магнитная индукция.

Общее количество магнитных силовых линий, проходящих через какую-либо площадь, называется магнитным потоком.

Магнитный поток обозначается буквой Ф и связан с магнитной индукцией следующим соотношением:

где Ф - магнитный поток, В - магнитная индукция поля; S - площадь, пронизываемая данным магнитным потоком.

Эта формула справедлива только при условии, если площадь S расположена перпендикулярно направлению магнитного потока. В противном случае величина магнитного потока будет зависеть еще и от того, под каким углом расположена площадь S, и тогда формула примет более сложный вид.

Магнитный поток постоянного магнита определяется полным числом силовых линий, проходящих через поперечное сечение магнита. Чем больше магнитный поток постоянного магнита, тем большей силой притяжения этот магнит обладает.

Магнитный поток постоянного магнита зависит от качества стали, из которой магнит изготовлен, от размеров самого магнита и от степени его намагничивания.

Свойство тела пропускать через себя магнитный поток называется магнитной проницаемостью . Магнитному потоку легче пройти через воздух, чем через немагнитное тело.

Чтобы иметь возможность сравнивать различные вещества по их магнитной проницаемости, принято считать магнитную проницаемость воздуха равной единице.

Вещества, у которых магнитная проницаемость меньше единицы, называются диамагнитными . К ним относятся медь, свинец, серебро и др.

Алюминий, платина, олово и др. обладают магнитной проницаемостью немного больше единицы и носят название парамагнитных веществ.

Вещества, магнитная проницаемость которых значительно больше единицы (измеряется тысячами), называются ферромагнитными. К ним относятся никель, кобальт, сталь, железо и др. Из этих веществ и их сплавов делают всевозможные магнитные и электромагнитные приборы и детали различных электрических машин.

Практический интерес для техники связи представляют специальные сплавы железа с никелем, получившие название пермаллоев .

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Намагничивание и магнитные материалы

Наличие у вещества магнитных свойств проявляется в изменении параметров магнитного поля по сравнению с полем в немагнитном пространстве. Происходящие физические процессы в микроскопическом представлении связывают с возникновением в материале под воздействием магнитного поля магнитных моментов микротоков , объёмная плотность которых называется вектором намагниченности .

Возникновение намагниченности в веществе при помещении его в магнитное поле объясняется процессом постепенной преимущественной ориентации магнитных моментов циркулирующих в нём микротоков в направлении поля. Подавляющий вклад в создание микротоков в веществе вносит движение электронов : спиновое и орбитальное движение связанных с атомами электронов, спиновое и свободное движение электронов проводимости.

Диамагнетики и парамагнетики относятся к материалам со слабыми магнитными свойствами. Значительно более сильный эффект намагничивания наблюдается у ферромагнетиков.

Магнитная восприимчивость (отношение абсолютных значений векторов намагниченности и напряженности поля) у таких материалов положительная и может достигать нескольких десятков тысяч. У ферромагнетиков образуются области самопроизвольной спонтанной однонаправленной намагниченности - домены.

Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов: железа, кобальта, никеля и у ряда сплавов.

При наложении внешнего магнитного поля с возрастающей напряженностью векторы спонтанной намагниченности, изначально ориентированные в разных доменах по-разному, постепенно выстраиваются в одном направлении. Этот процесс называется техническим намагничиванием . Он характеризуется кривой начального намагничивания - зависимостью индукции или намагниченности от напряженности результирующего магнитного поля в материале.

При относительно небольшой напряженности поля (участок I) происходит быстрое возрастание намагниченности преимущественно из-за увеличения размеров доменов, имеющих ориентацию намагниченности в положительной полусфере направлений векторов напряженности поля. Одновременно пропорционально сокращаются размеры доменов в отрицательной полусфере. В меньшей степени изменяются размеры тех доменов, намагниченность которых ориентирована ближе к плоскости, ортогональной вектору напряженности.

При дальнейшем увеличении напряженности преобладают процессы поворота векторов намагниченности доменов по полю (участок II) до достижения технического насыщения (точка S). Последующему возрастанию результирующей намагниченности и достижению одинаковой ориентации всех доменов по полю препятствует тепловое движение электронов. Область III близка по характеру процессов к парамагнетикам, где увеличение намагниченности происходит из-за ориентации немногих спиновых магнитных моментов, дезориентированных тепловым движением. С увеличением температуры дезориентирующее тепловое движение усиливается и намагниченность вещества уменьшается.

Для конкретного ферромагнитного материала существует определенная температура, при которой ферромагнитное упорядочение доменной структуры и намагниченности исчезают. Материал становится парамагнитным. Эта температура носит название точки Кюри. Для железа точка Кюри соответствует 790 °С для никеля - 340 °С, для кобальта - 1150 °С.

Снижение температуры ниже точки Кюри вновь возвращает материалу магнитные свойства: доменную структуру с нулевой результирующей намагниченностью, если при этом отсутствовало внешнее магнитное поле. Поэтому разогрев изделий из ферромагнитных материалов выше точки Кюри используют для их полного размагничивания.

Кривая начального намагничивания

Процессы намагничивания ферромагнитных материалов подразделяются на обратимые и необратимые по отношению к изменению магнитного поля. Если после снятия возмущения внешнего поля намагниченность материала возвращается в исходное состояние, то такой процесс обратимый, в противном случае - необратимый.

Обратимые изменения наблюдаются на малом начальном отрезке участка I кривой намагничивания (зона Релея) при малых смещениях доменных стенок и на участках II, III при повороте векторов намагниченности в доменах. Основная часть участка I относится к необратимому процессу перемагничивания, который в основном определяет гистерезисные свойства ферромагнитных материалов (отставание изменений намагниченности от изменений магнитного поля).

Петлей гистерезиса называют кривые, отражающие изменение намагниченности ферромагнетика под воздействием циклически изменяющегося внешнего магнитного поля.

При испытаниях магнитных материалов петли гистерезиса строятся для функций параметров магнитного поля В (Н) или М (Н), которые имеют смысл результирующих параметров внутри материала в проекции на зафиксированное направление. Если материал предварительно был полностью размагничен, то постепенное увеличение напряженности магнитного поля от нуля до Hs дает множество точек начальной кривой намагничивания (участок 0-1).

Точка 1 - точка технического насыщения (Вs, Hs). Последующее снижение напряженности Н внутри материала до нуля (участок 1-2) позволяет определить предельное (максимальное) значение остаточной намагниченности Br и дальнейшим уменьшением отрицательной напряженности поля добиться полного размагничивания B = 0 (участок 2-3) в точке Н = -НсВ - максимальной коэрцитивной силы по намагниченности.

Далее материал перемагничивается в отрицательном направлении до насыщения (участок 3-4 ) при Н = - Hs. Изменение напряженности поля в положительную сторону замыкает предельный гистерезисный цикл по кривой 4-5-6-1.

Множество состояний материала внутри предельного гистерезисного цикла может быть достигнуто при изменении напряженности магнитного поля , соответствующем частным симметричным и несимметричным гистерезисным циклам .

Магнитный гистерезис: 1 – кривая начального намагничивания; 2 – предельный гистерезисный цикл; 3 – кривая основного намагничивания; 4 – симметричные частные циклы; 5 – несимметричные частные циклы

Частные симметричные гистерезисные циклы опираются вершинами на кривую основного намагничивания , которая и определяется как множество точек вершин этих циклов до совпадения с предельным циклом.

Частные несимметричные гистерезисные циклы образуются, если начальная точка не находится на кривой основного намагничивания при симметричном изменении напряженности поля, а также при несимметричном изменении напряженности поля в положительном или отрицательном направлении.

В зависимости от значений коэрцитивной силы ферромагнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвёрдые .

Магнитомягкие материалы используются в магнитных системах как магнитопроводы . Эти материалы имеют малую коэрцитивную силу, высокую магнитную проницаемость и индукцию насыщения.

Магнитотвёрдые материалы имеют большую коэрцитивную силу и в предварительно намагниченном состоянии используются как постоянные магниты – первичные источники магнитного поля .

Существуют материалы, которые по магнитным свойствам относятся к антиферромагнетикам . У них оказывается энергетически более выгодным антипараллельное расположение спинов соседних атомов. Созданы антиферромагнетики, обладающие значительным собственным магнитным моментом из-за асимметрии кристаллической решётки . Такие материалы называются ферримагнетиками (ферритами) . В отличие от металлических ферромагнитных материалов, ферриты – полупроводники и в них значительно меньшие потери энергии на вихревые токи в переменных магнитных полях.

Кривые намагничивания различных ферромагнитных материалов

Магнетизм и его практическое применение

Огромный круг явлений природы определяется магнитными силами. Современная наука достаточно глубоко проникла в сущность магнитных явлений и вскрыла их основные закономерности.

Научные и технические применения магнетизма в наши дни столь обширны и многообразны, что делают физику магнитных явлений одним из важных разделов естествознания.

Магнитные свойства обнаруживаются во всем окружающем мире, от мельчайших элементарных частиц до безграничных космических просторов, заполненных магнитными полями.

Что такое магнетизм

Магнетизм — особая форма материальных взаимодействий, возникающих между движущимися заряженными частицами. Если источником электрического поля являются электрические заряды, то источником магнитного поля является электрический ток.

Магнитные свойства присущи всем веществам, т. е. все они являются магнетиками. Все вещества реагируют на воздействие внешнего магнитного поля: одни создают диамагнитный эффект, другие — парамагнитный эффект.

В природе встречаются различные поля: гравитационное, магнитное, электрическое и др., обладающие характерными особенностями. Поля недоступны нашему восприятию, однако вид полей, получаемых с помощью спектров поля, исследование сил, действующих в поле, дают возможность представления поля в виде потока.

Магнитный поток в отличие от потоков других полей является всегда замкнутым. В качестве физической величины, характеризующей интенсивность магнитного потока, служит вектор магнитной индукции.

Единица магнитного потока в СИ — вебер (Вб). За единицу магнитной индукции принимают индукцию, при которой через площадь в 1 м 2 , расположенную перпендикулярно направлению магнитного потока, проходит поток в 1 Вб. Эта единица называется тесла (Тл).

Графически магнитный поток является скалярной интегральной величиной и изображается линиями, расположенными таким образом, чтобы во всех точках касательные к ним совпадали по направлению с векторами магнитной индукции.

Магнитные материалы

Название магнит произошло от того места, где впервые были найдены железные руды, обладающие магнитными свойствами.

Магниты, являющиеся кусками руды магнитного железняка, называются естественными. Они способны притягивать к себе другие стальные предметы. При этом притянутые предметы приобретают способность сами намагничиваться. Такие магниты называются искусственными.

Отличительной особенностью магнита является то, что он притягивает к себе другие предметы неравномерно по всей поверхности. Наиболее сильно проявляется сила притяжения на концах магнита. Эти места называются полюсами магнита. Основным магнитным материалом является железо.

Наилучшими магнитными свойствами обладает железо без примесей. Хорошими магнитными свойствами обладает также электротехническая (легированная) сталь. Поэтому из нее изготавливаются магнитопроводы трансформаторов и других электрических аппаратов и машин.

По способу изготовления электротехническая сталь подразделяется на холоднокатаную и горячекатаную.

В качестве магнитных материалов применяются также специальные магнитные сплавы.

Магнитное поле электрического тока

При прохождении тока по проводнику в пространстве вокруг него возникает магнитное поле, обладающее энергией, которая воздействует на вещества. Для характеристики свойств магнитного поля его действия выражаются через так называемые магнитные линии. Направление их соответствует направлению вращения буравчика при его продвижении вдоль тока.

В отличие от электрических силовых линий, которые начинаются на одном электрическом заряде и заканчиваются на другом, магнитные линии являются замкнутым и. Фактически они распределены вдоль всего проводника. С увеличением тока происходит усиление магнитного поля. Чем ближе к проводнику, тем действие магнитного поля проявляется более сильно.

Если применить проводник в виде спирали виде спирали (соленоид, катушка), то при прохождении по нему тока магнитное поле будет значительно сильнее, чем в прямолинейном проводнике. При этом чем больше витков у этой катушки и чем больше ток, тем сильнее магнитное поле.

В катушке магнитные поля отдельных витков складываются, образуя общее магнитное поле. Для усиления его в катушку вводят железный сердечник, который, в результате воздействия магнитного поля катушки, сам намагничивается и значительно усиливает магнитный поток.

Катушка из изолированной проволоки, в которую вставлен сердечник, изготовленный из материала, хорошо проводящего магнитные линии, называется электромагнитом.

Большинство электромагнитов изготавливается с сердечниками, которые способны быстро намагнититься относительно небольшим током, но после прекращения протекания тока почти полностью размагничиваются. Электромагнит проявляет действие только при протекании по нему тока.

Электромагниты находят самое широкое практическое применение. Они используются для возбуждения магнитного потока в электрических машинах, в электромагнитных реле и т. д.

Подробно о том, как работают магниты и электромагниты смотрите здесь:

Виды магнетизма

В зависимости от значения и знака восприимчивости все вещества условно делят на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики имеют отрицательную магнитную восприимчивость, в большинстве случаев не зависящую от напряженности поля. Во внешнем магнитном поле диамагнетики намагничиваются в направлении, противоположном внешнему полю.

Диамагнетизм существует во всех веществах независимо от структуры их атомов и видов связи, т. е. в жидком, твердом и газообразном состояниях. Он проявляется в тех веществах, где имеет место полная компенсация как орбитальных, так и спиновых магнитных моментов.

Существует ряд диамагнетиков с аномальным поведением; их восприимчивость значительно больше указанной и зависит от температуры. К таким веществам относятся сурьма, висмут, галлий и таллий. В технике диамагнитный эффект ввиду его малости используется сравнительно редко.

Парамагнетики имеют положительную магнитную восприимчивость. К ним относятся большая часть газов, щелочные металлы, многие соли на основе железа, ферромагнетики при температуре выше точки Кюри.

Парамагнитный эффект возникает в веществах с наличием нескомпенсированных магнитных моментов. Результирующий магнитный момент парамагнетика равен нулю.

Под действием внешнего магнитного поля возникает результирующий магнитный момент, совпадающий с направлением поля. Для большинства парамагнетиков намагниченнсоть зависит от температуры, уменьшаясь с ее ростом (закон Кюри).

Разновидностью парамагнетизма является суперпарамагнетизм, обычно наблюдающийся в тонкодисперсных выделениях ферромагнитных частиц в какой-либо матрице, например в выделениях супермагнитных частиц в сплаве медь—железо (Cu+1%Fe). Кривые намагничивания суперпарамагнетиков существенно зависят от температуры.

Одним из признаков ферромагнетиков является высокое значение магнитной восприимчивости и ее сильная зависимость от напряженности магнитного поля.

Зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля неоднозначна, и при всех температурах ниже точки Кюри наблюдается гистерезис.

Даже в отсутствие внешнего магнитного поля отдельные частицы ферромагнетика (домены) находятся в состоянии самопроизвольного намагничивания и имеют результирующий магнитный момент. При воздействии внешнего поля магнитные моменты доменов ориентируются в направлении этого поля и ферромагнитное вещество намагничивается.

Из чистых химических элементов ферромагнитными свойствами обладают элементы группы 3d — металлы (железо, кобальт, никель) и группы 4f — металлы (гадолиний, диспрозий, тербий, гольмий, эрбий, тулий). Практически необозримо число ферромагнитных материалов, причем это в основном металлы и их сплавы.

Существует группа материалов, называемая антиферромагнетиками. Антиферромагнитный эффект заключается в том, что в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты одинаковых соседних атомов направлены встречно, так что результирующий магнитный момент домена равен нулю.

Магнитное упорядочение сохраняется до температуры, называемой точкой Нееля. Выше этой температуры вещество переходит в парамагнитное состояние. При воздействии внешнего поля магнитные моменты атомов приобретают ориентировку в направлении этого поля и антиферромагнитное вещество намагничивается.

К антиферромагнетикам относятся чистые металлы: хром и марганец, редкоземельные металлы (церий, празеодим, самарий, неодим, европий).

Материалы с некомпенсированным антиферромагнетизмом называют ферримагнетиками. При температурах выше точки Кюри у ферромагнетиков и точки Нееля у антиферромагнетиков атомное магнитное упорядочение нарушается и вещество переходит в парамагнитное coстояние.

Ферримагнетики получили свое название от ферритов первой группы — некомпенсированных антиферромагнетиков. Сюда относятся соединения окиси железа Fe₂O₃ с окислами других металлов, например соединения с формулой МеОхFe₂О₃, где Me — металл (железо, никель, марганец, цинк, кобальт, медь, магний и др.).

Ферримагнетикам свойственна такая же, как и ферромагнетикам зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля.

Подробно про диамагнетики:

Подробно про ферромагнетики:

Применение магнетизма

Универсальность магнетизма открыла широкие широкие возможности для его применения в науке и технике. Во-первых, это использование магнитных материалов для различных отраслей техники (энергетики, электроники, автоматики и т. д.). Во-вторых, используя информационный аспект магнетизма и измеряя магнитные характеристики, можно получить детальные сведения о физических свойствах веществ и их химическом составе.

Использование методов и средств магнитных измерений положено в основу широко применяемых в технике методов структурного анализа, магнитной дефектоскопии и дефектометрии — важнейших неразрушающих методов контроля качества промышленной продукции.

Непрерывно растет производство конструкционных и электротехнических сталей, низкокоэрцитивных сплавов со специальными свойствами (безгистерезисных, с прямоугольной петлей гестерезиса и др.), выоококоэрцитивных магнитных материалов.

Увеличивается применение миниатюрных магнитных сердечников и систем, энергоемких постоянных магнитов и магнитных пленок. Сейчас трудно найти отрасль техники, в которой не использовались бы магнитные системы, в том числе системы с постоянными магнитами.

В связи с этим контроль качества магнитных материалов и изделий из них, измерение параметров магнитных полей и исследование ферромагнитных материалов и магнитных систем в лабораторных условиях и производстве становятся важной задачей.

В последние годы достигнуты значительные результаты в создании автоматической магнитоизмерительной аппаратуры. Применение унифицированных блоков, узлов и микропроцессоров, серийно выпускаемых промышленностью, значительно ускоряет процесс создания магнито-измерительных систем и комплексов, обеспечивающих автоматическое управление процессом перемагничивания, измерение и обработку результатов с высокой точностью и производительностью.

Неразрушающие методы контроля изделий из ферромагнитных материалов

Контроль качества изделий из ферромагнитных материалов неразрушающими методами в настоящее время охватывает многие отрасли промышленности. Широко применяется контроль рельсов на железных дорогах, контролируются сварные швы различных изделий, осуществляется проверка деталей машин и механизмов при их изготовлении.

При неразрушающем контроле изделий из ферромагнитных материалов используются магнитный и вихретоко-вый методы для оценки структурного состояния деталей при термообработке, для обнаружения дефектов в процессе эксплуатации и для определения характера развития трещин, возникающих в деталях под влиянием больших нагрузок.

При применении неразрушающего контроля обеспечивается необходимый запас прочности машин и механизмов и снижается их материалоемкость. Подробнее смотрите здесь: Магнитная дефетоскопия

Применение ферромагнитных материалов в электротехнических устройствах

Самым распространенным компонентом ферромагнитных материалов является железо. Поэтому естественно стремление его возможно шире использовать, но получить свободное от примесей железо практически невозможно.

Наибольшее распространение получило технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь). Его используют для изготовления сердечников электромагнитов постоянного и переменного тока, полюсных башмаков, магнитопроводов, реле и ряда других устройств, работающих в постоянных и низкочастотных магнитных полях.

Применение низкоуглеродистой стали для работы в переменных полях высокой частоты ограничено из-за низкого удельного сопротивления, обусловливающего большие потери на вихревые токи.

При изготовлении магнитопроводов асинхронных двигателей мощностью до 100 кВт основным требованием, предъявляемым к магнитным материалам, являются высокая проницаемость, малое значение коэрцитивной силы, возможно большее значение индукции насыщения.

Низкоуглеродистая сталь для этих целей выпускается горячекатаной и холоднокатаной. Механические напряжения, возникающие в результате обработки материала, в значительной степени ухудшают магнитные свойства. Внутренние напряжения, возникающие после обработки, снимают отжигом при 725—1000 °С.

При необходимости получения особо высоких магнитных свойств термообработку проводят в вакууме при высокой температуре. Для получения материалов с большим удельным электрическим сопротивлением и большой магнитной проницаемостью при индукции 1,2—1,7 Тл используют легирование железа кремнием (от 0,5 до 4%).

Такая электротехническая сталь нашла широкое применение при изготовлении магнитопроводов электрических машин, силовых трансформаторов и коммутирующей аппаратуры силовых электрических цепей.

В настоящее время холоднокатаные стали вытесняют стали, изготовленные горячей прокаткой. Это происходит из-за более высоких магнитных свойств первых.

Кроме того, более гладкая поверхность холоднокатаных сталей позволяет увеличить коэффициент заполнения объема изделий на 20—30% по сравнению с горячекатаными, а более высокая стоимость их компенсируется значительным уменьшением потерь и в конечном счете массы готовых изделий.

Иные требования предъявляются к материалам магнитных систем электротехнических устройств, работающих на повышенных частотах (до единиц мегагерц). Эти материалы должны обладать большим электрическим сопротивлением. Наибольшее распространение здесь нашли никель-цинковые, марганец-цинковые, ферриты и магнитодиэлектрики.

Обычно параметрами, определяющими выбор типа ферритов и магнитодиэлектриков для этих целей, являются начальная магнитная проницаемость, тангенс угла потерь, удельное электрическое сопротивление.

В настоящее время магнитодиэлектрики вытесняются ферритами, характеризующимися лучшими магнитными свойствами, но имеющими худшие показатели по стабильности и чувствительности к внешним воздействиям.

Повышение стабильности ферритов и снижение их чувствительности к внешним воздействиям (температура, время, подмагничивание) ведет к еще более широкому их применению.

Применение ферромагнитных материалов:

Ферромагнитные материалы специального назначения

В измерительной технике, электронике, технике связи часто требуются материалы с постоянной магнитной проницаемостью в заданных пределах изменения напряженности намагничивающегося поля (сердечники катушек постоянной индуктивности, дроссели фильтров, измерительные трансформаторы и т. д.). Здесь широко применяются перминвары, изопермы.

Для построения магнитных систем магнитоэлектрических приборов, микрофонов и т. п. широко используются пермендюр, имеющий индукцию насыщения 2,5 Тл. Этот материал используется также для магнитопроводов электромагнитов, силовых трансформаторов, сердечников роторов и статоров электрических машин.

Широкое использование получили магнитные материалы для экранирования устройств от внешних магнитных полей. Различают два вида экранирования: магнитостатическое и электромагнитное.

В первом случае экранируемый объект окружают кожухом из материала с высокой магнитной проницаемостью, через который проходят линии потока внешнего постоянного или медленно изменяющегося магнитного поля.

Электромагнитное экранирование основано на эффекте вытеснения линий потока внешнего переменного поля магнитным полем вихревых токов, индуцируемых в кожухе с высокой проводимостью. С увеличением частоты внешних возмущающих полей эффект магнитостатического экранирования уменьшается, а электромагнитного — возрастает.

Для электромагнитного экранирования применяют магнитные материалы с высокой проницаемостью, малой коэрцитивной силой и низким удельным электрическим сопротивлением, например пермаллой 79НМ. Иногда используют сплав 50Н или низкоуглеродистую сталь.

Подробно про электромагнитное экранирование смотрите здесь:

В области техники звуковых и ультразвуковых частот широко используются магнитострикционные материалы. К таким материалам предъявляются требования максимального коэффициента магнитострикции при возможно меньшей напряженности магнитного поля.

Наилучшими свойствами в этом смысле обладают сплавы на основе платины и кобальта, но их техническое применение ограничено высокой стоимостью. В настоящее время в основном в этой области применяются металлические материалы и реже ферриты.

Современные магнитные материалы:

КАК ПРОИСХОДИТ НАМАГНИЧИВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Познакомимся теперь более детально с тем, как проис­ходит намагничивание ферромагнетиков. Этот вопрос представляет не только научный, но и большой техниче­ский интерес, так как без знания механизма намагничива­ния и перемагничивания ферромагнитных материалов было бы невозможно их правильное применение в раз­личных приборах и аппаратах. Поэтому учёные уже давно начали изучать процессы намагничивания и пере­магничивания в ферромагнетиках.

В парамагнитных веществах процесс намагничивания довольно прост. По мере возрастания силы магнитного поля (что осуществляется увеличением силы электриче­ского тока в катушке электромагнита) атомные магнитики располагаются всё более параллельно полю. Этот процесс происходит постепенно, и намагниченность тела также растёт постепенно. Только при огромном магнитном поле мы достигли бы максимальной намагниченности парамаг­нитного тела. При этом магнитные моменты всех атомов
почти полностью повернулись бы в направлении поля, и парамагнитное тело намагнитилось до насыщения. Но пока мы ещё не располагаем источниками таких сильных магнитных полей.

У диамагнитных веществ дело обстоит примерно так же. С увеличением поля намагниченность растёт равномерно; однако здесь не наблюдается даже намёка на насыщение.

В ферромагнитных веществах процесс намагничивания гораздо сложнее. Рост намагниченности здесь протекает неравномерно и очень бурно. Насыщение достигается уже в сравнительно небольших магнитных полях. Есть такие ферромагнитные материалы, которые намагничиваются до насыщения в ничтожно слабых полях, например, в земном магнитном поле. Другие ферромагнитные материалы тре­буют для своего насыщения более сильных магнитных полей, но эти поля всегда неизмеримо меньше, чем поля, требующиеся для намагничивания парамагнитных ве­ществ. Лёгкость, с которой достигается магнитное насы­щение в ферромагнетиках, нетрудно объяснить: это свя­зано с тем, что отдельные участки ферромагнетика уже намагничены до насыщения. Роль внешнего поля состоит только в том, чтобы ориентировать магнитные моменты всех областей самопроизвольной намагниченности по полю.

Есть ещё особенности, которые отличают ферромагнит­ные материалы от парамагнитных. В парамагнитных телах после выключения поля атомные магнитные моменты при­ходят в первоначальное беспорядочное расположение, и намагниченность опять становится равной нулю. У ферро­магнетиков же после выключения магнитного поля или уменьшения его величины часть областей возвращается в прежнее беспорядочное состояние, а другая часть остаётся в направлении поля или близком к нему. Это явление называют магнитным гистерезисом (от греческого слова «отстаю, запаздываю»). Поэтому в ферромагнетике наблюдается некоторая остаточная намагниченность.

В некоторых ферромагнитных материалах, к которым принадлежат, например, мягкое железо, сплав пермаллой (78% никеля и 22% железа) и др., остаточная намагни­ченность очень неустойчива. Достаточно встряхнуть мате­риал или поместить его в слабое переменное поле, и оста­точная намагниченность почти полностью исчезает. Но в других материалах, таких, как закалённая сталь, остаточ­ная намагниченность удерживается долгое время, не­смотря на внешние воздействия. Такой материал может служить магнитом.

Мерой устойчивости остаточной намагниченности в каком-либо ферромагнитном материале служит то магнит­ное поле, которое уничтожает эту остаточную намагничен­ность. Это поле называется задерживающей или, как гово­рят в технике и физике, коэрцитивной силой (от латин­ского слова «коэрситио» — удерживание). Чем больше коэрцитивная сила, тем прочнее в материале удерживается остаточная намагниченность, и с тем большим успехом этот материал может быть использован как магнит.

Опыты показали, что ферромагнитные материалы, по­мещённые в переменное поле (изменяющееся и по вели­чине, и по направлению), выделяют некоторое количество теплоты. Эту теплоту называют теплотой гистерезиса. Она особенно велика в материалах, имеющих большие оста­точную намагниченность и коэрцитивную силу.

Почему же одни ферромагнитные материалы достигают насыщения при очень слабых полях, а другие только при очень сильных? Почему в одних материалах остаточная намагниченность устойчива, а в других она быстро разру­шается? В чём состоит природа теплоты гистерезиса? Для того чтобы разобраться в этих вопросах, необходимо хотя бы коротко познакомиться с внутренним строением ферромагнитных материалов.

Известно, что в твёрдых телах атомы расположены в строгом порядке, симметрично относительно друг друга, образуя кристаллическую ячейку[5]). Множество таких ячеек образует так называемую пространственную кри­сталлическую решётку.

Для железа и никеля кристаллические ячейки имеют вид куба, поэтому их пространственные решётки называют кубическими (рис. 21, а, б). Разница между кристалли­ческой решёткой железа и никеля состоит в том, что в ячейке железа атомы расположены в центре и по углам куба, в никеле же, кроме того, имеются атомы, располо­женные в центрах каждой плоскости или грани. Ещё слож­нее устроен кристалл кобальта, его ячейка имеет вид шестигранной призмы (рис. 21, в). Такая система кристал­лов называется гексагональной (по-гречески «гекса» — шесть, гонио — грань).

Обычные магнитные материалы состоят не из одного кристалла, а из множества мелких кристаликов, соприка­сающихся друг с другом. Их можно видеть, например, на изломе куска металла. Такие металлы называют поликри­сталлическими (поли — много).

Вания в кристаллах: а — железа, б — никеля ив — кобальта.

Расположение кристаликов в поликристаллическом металле можно изменять, подвергая его механической обработке (прокатке между вальцами прокатного стана, ковке молотом и т. д.) и термической обработке (от­жигу, т. е. нагреву до определённой температуры и по­следующему медленному охлаждению, закалке, т. е. на­греву и быстрому охлаждению, и т. д.). Под действием этих обработок кристалики меняют своё положение в теле и деформируются (растягиваются в одном направлений и сжимаются в другом). При этом атомы, из которых состоят кристалики, могут несколько «выходить» со своих мест, что нарушает правильность кристаллической ре­шётки.

Тот же результат дают примеси различных элементов. Металл редко бывает свободным от примесей. Атомы при­месей могут располагаться или между отдельными кри-
сталиками, или в решётке самого кристалла. Это также искажает решётку и приводит её в напряжённое состояние. Атомы посторонних веществ, находясь вблизи атомов ферромагнитного тела, влияют на их электрическое и маг­нитное взаимодействие, а это может привести к существен­ному изменению самопроизвольной намагниченности, а часто и к исчезновению её.

Количество примесей может изменяться в весьма широ­ких пределах вплоть до той величины, когда оно уже пере­станет быть «примесью», т. е. когда мы получаем уже смесь или раствор двух веществ. Такое смешанное веще­ство и называется сплавом.

В некоторых сплавах атомы одного вещества распола­гаются в кристаллической решётке второго строго опре­делённым образом. Такие сплавы называются упорядо­ченными. В других сплавах, наоборот, атомы примеси рас­полагаются без всякого порядка. Такие сплавы назы­ваются неупорядоченными.

Как же влияют все эти особенности строения, или, как часто говорят, структуры вещества, на процесс намагни­чивания?

Прежде всего посмотрим, как происходит процесс на­магничивания в одном отдельном кристалле ферромагнит­ного материала. Чтобы изучить этот процесс, получают отдельные кристаллы железа, никеля, кобальта и сплавов достаточно больших размеров, чтобы на них можно было проводить магнитные измерения. Такая задача очень трудна и требует много времени. Для приготовления, на­пример, кристалла никеля необходимо медленно, в тече­ние многих суток, охлаждать расплавленный никель от точки плавления до комнатной температуры. При этом в отдельных местах расплава возникают зародышевые кри­сталлы, которые затем вырастают до больших размеров.

Измерения магнитных свойств таких кристаллов дали интересные результаты. Оказывается, в некоторых направ­лениях намагничивание кристалла происходит легко и на­сыщение достигается даже в слабых полях; в других же направлениях намагнитить кристалл гораздо труднее — для этого требуются очень сильные поля.

Иными словами, магнитные моменты областей под дей­ствием поля в одних направлениях по отношению

К решётке кристалла поворачиваются сравнительно сво­бодно, а в других — так, как будто их повороту препят­ствуют какие-то силы. Это явление получило название магнитной анизотропии (анизотропия — неодинаковость свойств в различных направлениях кристалла), а силы, препятствующие повороту магнитных моментов — силами магнитной анизотропии. Направления, в которых эти мо­менты поворачиваются свободно, называются осями лёгкого намагничивания. Направления же, в которых они поворачиваются с трудом, называются осями трудного намагничивания.

Расположение осей лёгкого намагничивания в кристал­лических ячейках железа, никеля, а также и кобальта, по­казано на рис. 21 стрелками.

Магнитные моменты областей «предпочитают» распо­лагаться в кристалле вдоль направлений лёгкого намагни­чивания, так как для них эти направления более устой­чивы, чем направления трудного намагничивания.

Выражаясь образно, мы можем сказать, что область, магнитный момент которой расположен вдоль оси лёгкого намагничивания, лежит как бы в «яме» и поэтому нахо­дится в устойчивом равновесии. Область же, магнитный момент которой расположен вдоль оси трудного намагни­чивания, лежит на «горбе» и, следовательно, находится в неустойчивом равновесии. Если есть достаточно сильное магнитное поле, направленное по оси трудного намагни­чивания, то область благодаря ему ещё может удер­жаться на «горбе». Поле как бы преодолевает силы ани­зотропии, которые «тянут» магнитный момент области в направлении лёгкого намагничивания, т. е. в «яму». Чем больше силы анизотропии, тем большее поле нужно при­ложить, чтобы преодолеть эти силы. Если поле выклю­чить, то область не может удержаться на «горбе» и «па­дает» в «яму», т. е. её магнитный момент резко поворачи­вается в направление лёгкого намагничивания. При этом выделяется некоторое количество тепла, подобно тому, как это происходит при обычном падении тела на землю. Поворот магнитного момента области и обусловливает тепло гистерезиса.

Имеются и другие причины этого явления, на которых мы останавливаться не будем.

Существование магнитной анизотропии объясняется тем, что в кристалле между атомами действуют магнит­ные силы. Так как межатомные расстояния в кристалли­ческой решётке неодинаковы (например, диагональ куби­ческой ячейки всегда больше её ребра), то и силы в раз­ных направлениях кристалла различны. Таким образом, магнитная анизотропия определяется характером кри­сталлической решётки ферромагнетика. Хотя магнитное

Рис. 22. Расположение кристаликов: а — в обычном материале ив — в текстуре, б — схема прокатного стана.

Взаимодействие мало по величине и, как мы видели, не может вызвать самопроизвольной намагниченности, тем не менее оно играет исключительно важную роль, ибо обусловливает силы анизотропии, которые определяют «поведение» областей самопроизвольной намагниченности в кристалле.

В выяснении природы магнитной анизотропии боль­шую роль сыграли работы физиков Московского универ­ситета.

Изучив «поведение» областей в кристалле, мы выяс­нили одну из причин того, почему одни материалы для намагничивания до насыщения требуют малых полей, а другие — больших. Поскольку реальные магнитные мате­риалы представляют поликристаллические тела, в которых кристаллы ориентированы беспорядочным образом (рис. 22, а), то и направления лёгкого и трудного на­магничивания здесь распределены беспорядочно. Поэтому магнитная анизотропия в поликристаллах незаметна. Но тем не менее она будет сказываться, ибо для того, чтобы повернуть магнитные моменты областей в направ­лении поля, надо преодолеть силы анизотропии в тех
кристаллах, в которых оси лёгкого намагничивания не совпадают с ним. Чем больше силы анизотропии, тем большее магнитное поле необходимо, чтобы намагнитить материал до насыщения. Если большая часть кристаллов в таком материале расположена так, что направления лёгкого намагничивания совпадают или близки к совпаде­нию с направлением поля, то материал намагничивается сравнительно легко.

Материал, у которого большая часть кристаллов по­вёрнута в одном направлении (рис. 22, в), называют текстурованным. Текстуру в материале можно получить искусственным путём. Для этого материал нужно, напри­мер, прокатать между вальцами прокатного стана (рис. 22, б). В этом случае возникает кристаллическая текстура, т. е. кристалики располагаются в направлении прокатки. Подбирая направление текстуры и вид термиче­ской обработки, можно изменять магнитные свойства в нужную сторону.

На поведение областей сильное влияние оказывают также механические напряжения. Например, при растя­жении или сжатии ферромагнитного материала атомы смещаются со своих нормальных положений; это приводит к изменению характера магнитного взаимодействия в кристалле.

В результате, кроме обычной магнитной анизотропии, возникает так называемая магнитоупругая анизотропия, вызванная дополнительным магнитным взаимодействием атомов вследствие искажения решётки.

Магнитоупругая анизотропия, как и обычная магнит­ная анизотропия, очень сильно изменяет характер на­магничивания ферромагнетиков. При намагничивании, на­пример, сильно растянутого (внешними силами) никеле­вого образца трудно получить магнитное насыщение даже в очень сильном магнитном поле. Наоборот, если никеле­вый образец подвергается сжатию, то насыщение может быть получено в слабом магнитном поле.

Магнитоупругая анизотропия присутствует в материа­лах и в том случае, если внешние силы не действуют, так как в материалах всегда имеются так называемые внут­ренние механические напряжения, искажающие решётку. Если материал подвергнуть длительному отжигу, то внут­
ренние напряжения, а следовательно, и магнитоупругая анизотропия, пропадают.

Учёные установили, что намагничивание ферромагне­тиков происходит не только путём поворота магнитных моментов областей в направлении поля. Полное намагни­чивание осуществляется за счёт трёх процессов.

На рис. 23, а схематически показано расположение гра­ниц областей в ферромагнетике в отсутствие поля. Допу­стим, что наложено поле, которое направлено по стрелке, Направление маенитмго лпля

Тного ппля J

Рис. 23. Процесс намагничивания ферромагнетика: а — магнитного поля нет, б и в—магнитное поле постепенно нарастает, границы между областями смещаются вправо, г — ферромагнетик намагничен

Нарисованной над ферромагнетиками (рис. 23). Тогда границы между областями смещаются вправо, причём объём области, магнитный момент которой близок к на­правлению поля, будет увеличиваться (рис. 23, б ив). Этот процесс называется «смещением»; он обычно проис­ходит в слабых магнитных полях. После того, как оста­нется одна область, а остальные будут как бы поглощены ею, при дальнейшем увеличении поля (увеличение длины стрелок на рис. 23 указывает, что величина поля растёт) наступает известный нам уже процесс «враще­ния»; он продолжается до тех пор, пока магнитный мо­мент области не совпадёт с полем, т. е. пока не наступит насыщение (рис. 23, г).

Но этим дело, оказывается, не ограничится. При даль­нейшем увеличении поля наблюдается ещё некоторый рост намагниченности. Дело в том, что внутри самой
области самопроизвольной намагниченности увеличивается число параллельных атомных магнитных моментов за счёт тех, которые из-за теплового движения не были ориенти­рованы внутренними силами. Этот процесс похож на па­рамагнитное намагничивание, поэтому он носит название парапроцесса.

Прирост намагничивания вследствие парапроцесса, однако, очень мал и изучение его представляет только теоретический интерес.

Допустим теперь, что поле уменьшается и затем его направление меняется на обратное. При этом будет на­блюдаться отставание намагниченности от изменений маг­нитного поля, т. е. гистерезис. Если поле уменьшить до нуля, то часть магнитных моментов областей «застрянет» в направлениях лёгкого намагничивания, расположенных близко к направлению поля. Этим и объясняется возник­новение остаточной намагниченности в материале. Для того чтобы уничтожить остаточную намагниченность, надо приложить некоторое, обратное по направлению, поле — коэрцитивную силу.

Для того чтобы в материале прочнее удерживалась остаточная намагниченность, или, что то же, материал обладал большой коэрцитивной силой, необходимо разъ­единить области самопроизвольной намагниченности, на­пример, введением в пространство между ними прослоек из неферромагнитного вещества. В настоящее время ис­кусственным путём получают высококоэрцитивный мате­риал, производя дробление мягкого железа и перемеши­вая его с каким-либо неферромагнитным веществом, ко­торое образует прослойки между областями. Наоборот, для того чтобы получить материал с малой коэрцитивной силой, надо устранить эти прослойки.

Путём соответствующей обработки, регулируя состав и количество примесей, мы можем получать материалы с разными магнитными свойствами. Металлурги разрабо­тали таким путём высококачественные магнитные мате­риалы, применяемые для изготовления различных электро­технических и радиотехнических аппаратов и приборов. Создание теоретических представлений о процессах на­магничивания, природе коэрцитивной силы и магнитного гистерезиса имеет большое значение для правильного под­хода к изысканию и совершенствованию магнитных мате­риалов.

Большая заслуга в этом принадлежит профессору Московского университета Е. И. Кондорскому.

Читайте также:

  
• Изготовление лестниц из металла и дерева
  
• Краска ral 7040 по металлу
  
• Каким валиком лучше красить металлическую поверхность
  
• Чем оттереть масло машинное с металла
  
• Крепление металлического профиля под гипсокартон