15 Питання

Поділ речовин на діа-, пара- і феромагнетики носить в значній мірі умовний характер, т. К. Перші два види речовин відрізняються за магнітними властивостями від вакууму менш ніж на 0,05%. На практиці все речовини зазвичай поділяють на феромагнітні (ферромагнетики) і неферомагнітними, для яких відносна магнітна проникність  може бути прийнятою рівною 1,0.

До феромагнетика відносяться залізо, кобальт, нікель і сплави на їх основі. Вони мають магнітну проникність, що перевищує проникність вакууму в кілька тисяч разів. Тому все електротехнічні пристрої, що використовують магнітні поля для перетворення енергії, обов'язково мають конструктивні елементи, виготовлені з феромагнітного матеріалу і призначені для проведення магнітного потоку. Такі елементи називаються магнітопроводи.

Крім високої магнітної проникності ферромагнетики мають сильно вираженою нелінійною залежністю індукції B від напруженості магнітного поля H. а при перемагничивании зв'язок між B і H стає неоднозначною. Функції B (H) мають особливе значення, т. К. Тільки з їх допомогою можна досліджувати електромагнітні процеси в ланцюгах, що містять елементи, в яких магнітний потік проходить в феромагнітної середовищі. Ці функції бувають двох видів: криві намагнічування і петлі гистерезиса.

Розглянемо процес перемагнічування феромагнетика. Нехай спочатку він був повністю розмагнічений. Спочатку індукція швидко зростає за рахунок того, що магнітні диполі орієнтуються по силових лініях поля, додаючи свій магнітний потік до зовнішнього. Потім її зростання сповільнюється в міру того, як кількість неорієнтованих диполів зменшується і, нарешті, коли практично всі вони орієнтуються по зовнішньому полю зростання індукції припиняється і настає режим насичення.

Якщо в процесі намагнічування довести напруженість поля до деякого значення, а потім почати зменшувати, то зменшення індукції буде відбуватися повільніше, ніж при намагнічуванні і нова крива буде відрізнятися від початкової. Крива зміни індукції при збільшенні напруженості поля для попередньо повністю розмагніченого речовини називаетсяначальной кривої намагнічування. На рис. 1 вона показана потовщеною лінією.

Після декількох (близько 10) циклів зміни напруженості від позитивного до негативного максимальних значень залежність B = f (H) почне повторюватися і придбає характерний вид симетричною замкнутої кривої, яку називають петлею гистерезиса. Гістерезисом називають відставання зміни індукції від напруженості магнітного поля. Явище гістерезису характерно взагалі для всіх процесів, в яких спостерігається залежність будь-якої величини від значення іншої не тільки в поточному, а й у попередньому стані, тобто B2 = f (H2, H1) - де H2 і H1 - відповідно поточне і попереднє значення напруженості.

Петлі гістерезису можна отримати при різних значеннях максимальної напруженості зовнішнього поля Hm. Геометричне місце точок вершин симетричних циклів гистерезиса називаетсяосновной кривої намагнічування. Основна крива намагнічування практично збігається з початковою кривою.

Симетрична петля гістерезису, отримана при максимальній напруженості поля Hm (рис. 2), що відповідає насиченню феромагнетика, називається граничним циклом.

Для граничного циклу встановлюють також значення індукції Br при H = 0, яке називається залишкової індукцією. і значення Hc при B = 0, зване коерцитивної силою. Коерцитивна (утримує) сила показує, яку напруженість зовнішнього поля слід докласти до речовини, щоб зменшити залишкову індукцію до нуля.

Форма і характерні точки граничного циклу визначають властивості феромагнетика. Речовини з великою залишковою індукцією, коерцитивної силою і площею петлі гистерезиса (крива 1 рис. 3) називаються магнітнотвердимі. Вони використовуються для виготовлення постійних магнітів. Речовини з малою залишковою індукцією і площею петлі гистерезиса називаються магнітномягкімі і використовуються для виготовлення магнітопроводів електротехнічних пристроїв, особливо працюючих при періодично змінюється магнітному потоці.

При перемагничивании феромагнетика в ньому відбуваються незворотні перетворення енергії в тепло.

Нехай магнітне поле створюється обмоткою, по якій протікає струм i. Тоді робота джерела живлення обмотки, що витрачається на елементарне зміна магнітного потоку дорівнює

.

Повна робота по перемагнічуванням одиниці об'єму речовини визначиться у вигляді інтеграла по контуру петлі гистерезиса

.

Контур інтегрування можна розділити на дві ділянки, відповідних зміни індукції від - Bm до Bm і зміни від Bm до - Bm. Інтеграли на цих ділянках відповідають заштрихованим площами рис. 4 а) і б). На кожній дільниці частина площі відповідає негативній роботі і після вирахування її з позитивної частини ми на обох ділянках отримаємо площу, обмежену кривою петлі гистерезиса (мал. 4 ст)).

Позначаючи енергію, віднесену до одиниці об'єму речовини, яка витрачається на перемагнічування за один повний симетричний цикл, через W'h = A 'отримаємо

.

Існує емпірична залежність для обчислення питомих втрат енергії на перемагнічування

,

Явище гістерезису і пов'язані з ним втрати енергії можуть бути пояснені гіпотезою елементарних магнітиків. Елементарними магнітиками в речовині є частки, що володіють магнітним моментом. Це можуть бути магнітні поля обертаються по орбітах електронів, а також їх спінові магнітні моменти. Причому останні грають в магнітних явищах найбільш істотну роль.

При нормальній температурі речовина феромагнетика складається з мимовільно намагнічених в певному напрямку областей (доменів), в яких елементарні магнітики розташовані майже паралельно один одному і утримуються в такому положенні магнітними силами і силами електричного взаємодії.

Магнітні поля окремих областей не виявляються в зовнішньому просторі, т. К. Все вони намагнічені в різних напрямках. Інтенсивність мимовільного намагнічування доменів J залежить від температури і при абсолютному нулі дорівнює інтенсивності повного насичення. Тепловий рух руйнує впорядковану структуру і при деякій температурі , характерною для даної речовини, впорядковане розташування повністю руйнується. Ця температура називається точкою Кюрі. Вище точки Кюрі речовина має властивості парамагнетика.

Під впливом зовнішнього поля стан речовини може змінюватися двома способами. Намагніченість може змінюватися або за рахунок переорієнтації доменів, або за рахунок зміщення їх кордонів у напрямку області з меншою складової намагніченості, що збігається по напрямку з зовнішнім полем. Зсув кордону домену відбувається оборотно тільки до певної межі, після чого частина або вся область необоротно переорієнтується. При швидкої стрибкоподібної переорієнтації домену створюються вихрові струми, що викликають втрати енергії при перемагнічування.

Дослідження показують, що другий спосіб зміни орієнтації характерний для крутого ділянки кривої намагнічування, а перший - для ділянки області насичення.

Після зменшення напруженості зовнішнього магнітного поля до нуля частина доменів зберігає новий напрямок переважного намагнічування, що проявляється як залишкова намагніченість.

Діамагнетик і парамагнетики в магнітному полі

Мікроскопічні щільності струмів в намагніченому речовині надзвичайно складні і сильно змінюються навіть в межах одного атома. Але в багатьох практичних завданнях настільки детальний опис є зайвим, і нас цікавлять середні магнітні поля, створені великим числом атомів.

Як ми вже говорили, магнетики можна розділити на три основні групи: Діамагнетик, парамагнетики і феромагнетики.

Діамагнетизм (від грец. Dia - розбіжність і магнетизм) - властивість речовин намагнічуватися назустріч прикладеному магнітному полю.

Діамагнетікаміназиваются речовини, магнітні моменти атомів яких у відсутності зовнішнього поля дорівнюють нулю, т. К. Магнітні моменти всіх електронів атома взаємно скомпенсовані (наприклад інертні гази, водень, азот, NaCl та ін.).

При внесенні діамагнітного речовини в магнітне поле його атоми набувають наведені магнітні моменти. В межах малого обсягу ΔV изотропного діамагнетиком наведені магнітні моменти всіх атомів однакові і направленипротівоположно вектору.

Вектор намагніченості діамагнетиком дорівнює: