Электроника Физика Электротехника Полупроводниковые материалы Теория конструктивных материалов Курс черчения Контольная работа

Конспект курса лекций по физике. Магнитное поле

Ферромагнетики

 Помимо уже рассмотренных двух классов веществ  - диа- и парамагнетиков, называемых слабомагнитными веществами, существуют еще сильномагнитные вещества - ферромагнетики - вещества, обладающие спонтанной (самопроизвольной) намагниченностью, т.е. они намагничены и при отсутствии внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам кроме основного их представителя - железа, обусловившего происхождение термина “ферромагнетизм”, - относятся кобальт, никель, гадолиний и многочисленные сплавы и соединения названных четырех элементов друг с другом и другими химическими элементами. По физической природе к этой группе примыкают также антиферромагнетики и ферримагнетики - класс магнитоактивных веществ, получаемых по керамической технологии. Ферромагнетики обладают способностью сильно намагничиваться даже в слабых магнитных полях, но, кроме того, они обладают и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагнетиков.

Рис.25.6. Зависимость В = f(H).

 

 Из графика зависимости В = f(H) (рис.25.6) следует, что у ферромагнетиков по мере возрастания напряженности внешнего намагничивающего поля Н намагниченность J сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается так называемое магнитное насыщение Jнас, уже не зависящее от напряженности внешнего поля. Причины сложного вида этой зависимости будут подробно рассмотрены ниже. 

 Зависимость В = f (H) впервые была исследована А.А.Столетовым в 1882 году и представлена на рис.25.6. Как уже было установлено, B = m0 H + m0 J.

 Магнитная индукция в слабых полях быстро растет (области 1,2 на рис.25.6) вследствие увеличения J, а в сильных полях (области 3 и 4) В замедляет свой прирост, поскольку второе слагаемое сначала замедляет свой рост, а затем остается постоянным (J = Jнас), а затем медленно растет с увеличением Н по линейному закону.

 Существенная особенность ферромагнетиков - не только большие значения m (например, для чистого железа m @ 5000, для сплава супермаллоя - до 600 000), но и зависимость m от Н (рис.25.7). 

  Вначале m растет с увеличением Н, затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к m=1. Это объясняется тем, что

 m = В/m0H = 1+J/H,

Рис.25.7. Зависимость магнитной

проницаемости от напряженности намагничивающего поля.

поэтому при J=Jнас=const с ростом Н отношение J/HÞ0, а mÞ1. Характерная особенность ферромагнетиков состоит также в том, что для них зависимость J и В от Н определяется предысторией намагничения вещества. Это явление получило название магнитного гистерезиса.

  Если намагнитить ферромагнетик до насыщения (точка 1, рис.25.8), а затем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то, как показывает опыт, уменьшение  J описывается кривой 1-2, лежащей выше кривой 0-1, наблюдается запаздывание внутреннего поля относительно внешнего. При Н=0 намагниченность J отличается от нуля, т.е. в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничение Jост. С наличием остаточного намагничения связана возможность изготовления постоянных магнитов. Намагничение обращается в нуль под действием поля Нс, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение. Напряженность Нс называется коэрцитивной силой.

  При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3-4) и при Н = - Ннас вновь достигается насыщение (точка 4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4-5-6) и вновь перемагнитить до насыщения (кривая 6-1).

Рис.25.8. Петля гистерезиса ферромагнетиков.

Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного поля намагниченность J изменяется в соответствии с кривой 1-2-3-4-5-6-1, которая называется петлей гистерезиса (от греческого “запаздывание”). 

Гистерезис приводит к неоднозначности намагниченности J = f (H) для ферромагнетиков: одному и тому же значению Н могут соответствовать различные значения J. 

 Различные ферромагнетики дают различные гистерезисные петли. Площадь петли гистерезиса пропорциональна работе, затрачиваемой на однократное перемагничивание единицы объема ферромагнетика и превращающейся в конечном итоге в тепло.

 Ферромагнетики, обладающие малой коэрцитивной силой Нс и малой площадью петли гистерезиса, называются магнитомягкими. К ним относятся чистое железо, кремнистое железо (сплав Fe с ~ 4% Si), сплавы пермаллой, супермаллой и др. Они характеризуются узкой петлей гистерезиса и величиной Нс= (0,35 ¸ 3,2) А/м. Такие материалы применяются для работы с малыми потерями в переменных электромагнитных полях - для изготовления сердечников трансформаторов, частей электромашин и т.п.

  Ферромагнетики, обладающие большой коэрцитивной силой Нс и большой площадью петли гистерезиса называются магнитотвердыми или магнитожесткими. К ним относятся углеродистые, вольфрамовые, хромовые, алюминиево-никелевые и другие стали, а также безжелезистые сплавы и соединения, содержащие редкоземельные элементы. Они используются для изготовления постоянных магнитов. Их Нс находится в пределах (4×103 ¸ 5,6×104) А/м.

 Таким образом, величины Нс, Jост и mмах являются критерием выбора ферромагнетика и его применения для той или иной практической цели.

 Ферромагнетики обладают еще одной существенной особенностью: для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, называемая точкой Кюри Q, при которой он теряет ферромагнитные свойства.

 Например, для железа Q = 7700 С, для никеля Q = 3570 С и т.д. Нагревание ферромагнитного материала до температуры выше точки Кюри приводит к его превращению в парамагнетик.

 При намагничивании ферромагнетика наблюдается изменение его линейных размеров и объема. Это явление называется магнитострикцией, оно было открыто Джоулем в 1842 году. Правильное объяснение этому явлению дал Н.С. Акулов в 1928 году. Величина и знак магнитострикции (расширение или сжатие ферромагнитного образца во внешнем магнитном поле) зависят как от величины напряженности поля, так и от природы ферромагнетика. Наблюдается и обратное явление - изменение намагниченности образца при его деформации.

 Сплавы со значительной магнитострикцией применяются в качестве преобразователей электромагнитных колебаний обычно сравнительно невысокой частоты (до ~ 20 кГц) в механические в устройствах ультразвуковой очистки, перемешивания и т.п. Они могут также применяться в приборах для измерения деформаций, давления, характеристик вибраций.

Классификация колебательных систем. В соответствии, с изложенным выше все колебательные системы можно делить на линейные, параметрические и нелинейные. Линейные цели описываются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Для линейных систем выполняется принцип суперпозиции, т.е. отклик системы на сложное воздействие, равняется сумме откликов на каждое воздействие в отдельности. В линейных инвариантных цепях происходит лишь деформация спектра, т.е. спектральные составляющие входного сигнала изменяют лишь свою амплитуду и новых спектральных составляющих не возникает.

На главный сайта: Курс физики