книги / Физические основы электромагнитных процессов в технических средствах автоматизации

Рассмотрим область 1 очень слабого внешнего поля, для которой направление и относительная величина вектора наиря-

женности Н показаны на рис. 4.44, б. Из этого рисунка видно,

что согласно (4.66) во внешнем магнитном поле Й энергия до­ менов, расположенных в образце слева, меньше, чем энергия доменов, расположенных справа, т.е. домены слева являются энергетически более выгодными. Поэтому при увеличении на­

пряженности Н происходит рост энергетически выгодных до­ менов за счет энергетически невыгодных. Следует отметить, что в области очень слабого магнитного поля смещения границ до­ менов обратимы и точно следуют за изменениями поля.

Теперь рассмотрим область 2 среднего по модулю Н маг­ нитного поля. С ростом поля энергетически выгодные домены продолжают расти. При этом границы некоторых доменов “натыкаются” на дефекты кристаллической решетки и останав­ ливаются до тех пор, пока поле не достигнет определенной на­

пряженности Н (рис. 4.44, в). После этого границы доменов срываются и участок длинной £ проходят очень быстро (рис. 4.44, г). Так же быстро, скачком, увеличивается намагничен­ ность J ферромагнетика (увеличенный участок кривой J(H) на рис. 4.44). Эти скачки названы именем немецкого физика Г. Баркгаузена, открывшего их в 1919 году. Они являются еще од­ ним доказательством существования доменов. Магнитное поле в окрестностях таких доменов быстро изменяется. В результате возникают магнистрикция и, вследствие электромагнитной ин­ дукции, вихревые токи. При этом происходит потеря энергии из-за образования звуковых волн и нагревания образца вихре­ выми токами. Поэтому процесс намагничивания ферромагнети­ ка в области 2 необратим.

Далее рассмотрим область 3 сильного поля. При достаточ-

но большой напряженности Н внешнего поля энергетически

невыгодные домены исчезают совсем. При дальнейшем росте И возникает новый тип процесса намагничивания, при котором происходит поворот магнитных моментов внутри доменов (рис.

4,44, д). В конце концов в очень сильном поле магнитные мо­ менты всех доменов устанавливаются параллельно внешнему

полю Н . В этом состоянии ферромагнетик имеет наибольший, возможный при данной температуре, магнитный момент, т.е.

намагничен до насыщения J Hac (рис. 4.44, е). Такое насыщение

называется техническим насыщением.

При дальнейшем увеличении напряженности Н магнитно­ го поля, намагниченность J ферромагнетика будет слабо и прак­ тически линейно расти с полем за счет ориентации магнитных моментов атомов, дезориентированных тепловым движением (рис. 4.44, область 4). Этот процесс называют парапроцессом по аналогии с линейной зависимостью намагниченности J пара­ магнетика от напряженности Н. Парапроцесс увеличивает на­ магниченность ферромагнетика очень мало и практического значения в технике не имеет.

Смещение границ доменов и поворот их магнитных мо­ ментов отстают от изменения напряженности Н внешнего поля, что приводит к явлению гистерезиса в ферромагнетиках. Оно заключается в том, что значение J определяется не только зна­ чением Н в данный момент времени, но зависит от истории на­ магничивания. Поэтому одному значению Н могут соответство­ ватьнесколько значений J (рис. 4.45).

Рассмотрим явление гистерезиса подробнее. Если намаг­ нитить образец ферромагнетика до технического насыщения

(точка 1 на рис. 4.45), а затем уменьшать напряженность Н

магнитного поля, то намагниченность J будет уменьшаться не но основной кривой “0-1”, а по кривой “1-2”. В результате в точке 2 напряженность Н=0, а намагниченность характеризуется величиной Jr, которая называется остаточной намагниченно­ стьюJr.

Намагниченность J обращается в нуль лишь под действием поля противоположного направления с напряженностью Нс, на­ зываемой коэрцитивной силой (точка 3 на рис. 4.45).

Рис, 4.45. Максимальная петля гистерезиса ферромагнетика: Jr - остаточная намагниченность;

Нскоэрцитивная сила

Существование остаточной намагниченности Jr у ферро­ магнетиков делает возможным изготовление постоянных магни­ тов. Очевидно, что постоянный магнит будет тем лучше сохра­ нять свои свойства, чем больше будет коэрцитивная сила Нс ферромагнетика, из которого он изготовлен. Ферромагнетики с большой коэрцитивной силой Нс и, следовательно, с широкой петлей гистерезиса называют магнитожесткими, так как они трудно перемагничиваются. Именно из них делают постоянные магниты.

Ферромагнетики с малой коэрцитивной силой Нс и, следо­ вательно, с узкой петлей гистерезиса называют магнитомягки­ ми, так как они легко перемагничиваются. Из них делают сер-

дечники трансформаторов и электрических машин переменного тока.

При дальнейшем увеличении (после точки 3) напряженно­ сти Н поля противоположного направления вновь достигается состояние насыщения (точка 4 на рис. 4.45). Но в этой точке

вектор JHac направлен противоположно вектору JHac в точке 1.

Уменьшая после этого напряженность поля до Н=0 (точка 5 на рис. 4.45) и меняя его направление на противоположное прихо­ дим через точку 6 в исходное состояние насыщения JHac. (точка 1). Получается так называемая максимальная петля гистере­ зиса ферромагнетика (рис.4.45).

Если при максимальном значении напряженности Н на­ магничивающего поля насыщение не достигается, то получается петля, называемая частным циклом. Частных циклов может быть бесконечное множество, и они располагаются внутри мак­ симальной петли гистерезиса.

Проявлением гистерезиса является то, что, например, при напряженности Hi (рис. 4.45) намагниченность J может иметь любое значение в пределах от JJ до Г2 •

В связи с такой неоднозначностью зависимости J от Н по­ нятие магнитной проницаемости ц применяется лишь к основ­ ной кривой намагничивания J(H) или В(Н) (рис. 4.46, а). Маг­ нитная проницаемость, \х является функцией напряженности Н поля (рис. 4.46, б). На рис. 4.46 видно, что значение ртах дости­ гается несколько раньше, чем насыщение ферромагнетика. При дальнейшем неограниченном увеличении напряженности Н магнитная проницаемость р асимптотически приближается к единице. Этот вывод следует из выражения

где J не может превысить JHHC-

Величины Jr (или Вг), Нс и ртах являются основными ха­ рактеристиками ферромагнетика, обычно помещаемыми в спра­ вочные таблицы.

Рис. 4.46. Сравнение основной кривой намагничивания 6(H ) ферромагнетика а) с зависимостью его магнитной проницаемости р от

напряженности Н внешнего поля б)

При намагничивании ферромагнетики деформируются. Это явление называется магнитострикцией. Оно было открыто английским физиком Д.Джоулем в 1842 году. Возникающие при магнитострикции деформации весьма малы - относительное из-

z t

—► Y

Рис. 5.1. Возникновение э.д.с. электромагнитной индукции и, следовательно, индукционного тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока Ф, сцепленного с ним

Обобщая экспериментальные факты Фарадей вплотную подошел к количественному закону электромагнитной индук­ ции, определяющему величину и направление э.д.с. £,. Теперь этот закон записывается в формулировке, данной позднее, в 1855 году, другим английским физиком Дж. Максвеллом:

скорости изменения — магнитного потока Ф, сцепленного

срассматриваемым контуром.

Вформуле (5.1) знак "минус" отражает правило Ленца (1833 г.): индукционный ток 1ивд в контуре всегда направлен так, чтобы создаваемый им магнитный поток Фнид препят­ ствовал изменению магнитного потока Ф, вызвавшего этот индукционный ток (рис. 5.2).