4. Магнитная проницаемость ферромагнетиков.

4.1 Техническое намагничивание

Важнейшей характеристикой ферромагнетиков является основная кривая намагничивания, описывающая зависимость магнитной индукции В (намагниченности J) от напряженности магнитного поля Н для предварительно размагниченного образца, а также зависимость магнитной проницаемости  от напряжённости магнитного поля Н и предельная петля магнитного гистерезиса. Для практических случаев было бы целесообразным использовать теоретическую зависимость B(H), которая отражала физические процессы происходящие при намагничивании ферромагнетиков. Поскольку процессы намагничивания сложны и разнообразны, то определить такую зависимость в общем виде затруднительно. В некоторых случаях применяют аппроксимирующую функцию в виде полиномов. Однако это будет справедливо лишь для частного случая. На рис. 4.1 представлены кривые зависимости В и  от напряжённости магнитного поля Н для предварительно размагниченного образца ферромагнетика. На кривых этих зависимостей можно выделить четыре характерных участка.

Рис. 4.1. Основная кривая намагничивания (зависимость В от Н) и зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля Н.

I участок - это область самых слабых магнитных полей (Н 0); он характеризуется линейной зависимостью В от Н и постоянным значением На этом участке происходит увеличение объёма (рост) тех доменов, векторы намагниченности которых имеют наименьшие углы с направлением внешнего магнитного поля; их рост происходит за счет доменов, у которых эти углы наибольшие. Рост доменов происходит путём обратимого смещения их границ. Поэтому процесс намагничивания на этом участке называют процессом обратимого смещения границ доменов. На этом участке суммарная намагниченность образца становится отличной от нуля, и материал характеризуется начальной магнитной проницаемостью _H. Её определяют экспериментально в полях с H = 0,1 А/м. Величина _H является удобной характеристикой материала сердечников высокочастотных катушек индуктивности, работающих, как правило, в полях с невысокой напряжённостью. После снятия внешнего магнитного поля границы доменов снова возвращаются в прежнее положение, поэтому остаточная намагниченность не возникает.

II участок — это область слабых магнитных полей; он характеризуется крутым подъёмом В и при увеличении Н. В конце этого участка магнитная проницаемость проходит через максимум и представляет собой максимальную магнитную проницаемость _М. Величина _М является удобной характеристикой материала сердечников реле, дросселей, трансформаторов и др., работающих в полях повышенной напряжённости (конец II - начало III участка). На этом участке границы доменов перемещаются на большие расстояния, а сам процесс перемещения границ доменов необратим, т. е. после снятия внешнего магнитного поля доменная структура не возвращается в исходное состояние, и образец сохраняет какую-то техническую намагниченность. Поэтому процесс намагничивания на этом участке называют процессом необратимого смещения границ доменов. Переориентация спиновых магнитных моментов внутри доменов происходит не постепенно, а скачкообразно. К концу этого участка границы доменов исчезают, и образец превращается в однодоменный, вектор намагниченности которого совпадает с направлением лёгкого намагничивания и составляет наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля.

III участок - это область средних полей; он характеризуется небольшим увеличением В и значительным уменьшением Процесс намагничивания на этом участке заключается в постепенном повороте вектора намагниченности образца до полного совпадения с направлением внешнего магнитного поля Н. Поэтому этот процесс называют процессом вращения вектора намагниченности. В конце этого участка при Н=Н_S намагниченность J материала достигает значения намагниченности технического насыщения J_S или можно сказать, что магнитная индукция В материала достигает значения индукции технического насыщения B_S. Магнитная проницаемость на этом участке значительно снижается, так как напряженность поля Н увеличивается, а магнитная индукция В изменяется незначительно.

IV участок — это область сильных магнитных полей; он характеризуется незначительным возрастанием индукции В с увеличением напряжённости магнитного поля H приближением значения магнитной проницаемости  к единице. Увеличение магнитной индукции B на этом участке происходит в результате парапроцесса. Парапроцесс заключается в гашении сильным полем дезориентирующего действия теплового поля. Дело в том, что абсолютно строгую ориентацию всех спиновых магнитных моментов атомов внутри домена можно получить только при температуре абсолютного нуля, когда отсутствует дезориентирующее действие теплового движения. По мере повышения температуры дезориентация спиновых магнитных моментов атомов возрастает. Дезориентирующее действие теплового движения компенсируется ориентирующим действием внешнего магнитного поля. В этом и заключается парапроцесс. Парапроцесс имеет место и в слабых полях, но здесь он перекрывается процессами смещения и вращения. В сильных полях, когда индукция В достигла значения индукции технического насыщения B_S, парапроцесс проявляется более отчётливо.

В реальных ферро- и ферримагнетиках различные виды процессов намагничивания накладываются друг на друга. На процесс намагничивания, кроме того, влияют магнитострикция, механические напряжения, дефекты структуры и ряд других причин.

Если предварительно размагниченный образец подвергнуть намагничиванию до состояния технического насыщения, то с увеличением напряженности магнитного поля Н магнитная индукция В будет изменяться в соответствии с кривой ОАБ (рис. 4.2). При Н=Н_S индукция достигнет значения технического насыщения или коротко - индукции насыщения В_S.

Отрезок АБ является безгистерезисной частью зависимости В(Н). Если теперь начать уменьшать напряженность поля Н, то намагниченность образца будет уменьшаться по кривой Б-А-В_r, и при H=0 индукция В не будет равна нулю. Эта индукция называется остаточной индукцией и обозначается В_r; с ней связано существование постоянных магнитов.

Рис. 4.2. Предельная петля магнитного гистерезиса.

Остаточная индукция (остаточная намагниченность) обусловлена тем, что при размагничивании при H=0 магнитные моменты доменов оказываются ориентированными вдоль оси легкого намагничивания, направление которой близко к направлению внешнего поля.

Для того чтобы полностью размагнитить образец, к нему необходимо приложить поле определенной напряжённости и противоположное по знаку. Напряженность такого поля называется коэрцитивной силой и обозначается H_C. При дальнейшем возрастании отрицательного поля индукция становится также отрицательной и в точке. А' при H=-H_S достигает значения индукции технического насыщения (В=-В_S). Если теперь уменьшать отрицательное поле, а затем увеличивать положительное поле кривая перемагничивания опишет петлю, называемую предельной петлёй магнитного гистерезиса, которая является важной технической характеристикой магнитных материалов.

Таким образом, предельная петля магнитного гистерезиса — это кривая изменения магнитной индукции при изменении внешнего магнитного поля от +H_S до -H_S, и обратно. Пользуясь предельной петлёй магнитного гистерезиса можно определить основные параметры материала: коэрцитивную силу H_C, индукцию насыщения B_s остаточную индукцию В_r и др. Площадь этой петли пропорциональна работе, затрачиваемой на перемагничивание образца за один цикл; она пропорциональна потерям на гистерезис. Из рис. 4.2 также видно, что в координатах В(Н) при Н<Н_S (или B<B_S) проявляется целое семейство петель магнитного гистерезиса, заключенных одна в другую.

Поскольку ферримагнетики также обладают доменной структурой, поэтому рассмотренные процессы намагничивания и размагничивания (рис. 4.2) происходят в них аналогичным образом.

Коэрцитивная сила H_C является важной технической характеристикой магнитных материалов. Она, так же как и магнитная проницаемость , зависит от суммарной удельной поверхности зёрен, магнитной анизотропии, магнитострикции, механических напряжений, наличия примесей и других дефектов. Чем больше значение этих величин и меньше однородность структуры, тем больше H_C и меньше . Объясняется это тем, что поверхность зёрен более дефектна, имеет более высокие внутренние напряжения кристаллической решётки, чем само зерно. Внутренние напряжения и дефекты при намагничивании препятствуют росту доменов и ориентации их магнитных моментов в направлении поля. В результате H_C возрастает, а  снижается. С уменьшением же размера зёрен, их суммарная удельная поверхность возрастает. Величину суммарной удельной поверхности зёрен можно изменять механической и термической обработкой материалов. Материал, подвергнутый закалке или холодной деформации (прокатке, волочению и т. п.), образует мелкозернистую структуру, которая обладает большой суммарной удельной поверхностью зёрен и соответственно большой H_C и малой . Материал, подвергнутый отжигу, наоборот, образует крупнозернистую структуру с небольшой суммарной удельной поверхностью зерен и соответственно с небольшой H_C и с высокой . Кроме того, при закалке деформируется кристаллическая решетка и возрастает концентрация дефектов и внутри зёрен, а при отжиге идет обратный процесс, что также приводит к изменению значений H_C и .Коэрцитивная сила листового ферромагнетика также увеличивается при уменьшении его толщины h (рис. 4.3), так как при уменьшении толщины измельчается зерно и увеличивается суммарная удельная поверхность зёрен и возрастает концентрация дефектов внутри зёрен.

Таким образом, если точка Кюри и индукция насыщения зависят только от химического состава магнитных материалов, то такие характеристики как коэрцитивная сила H_C, магнитная проницаемость  и площадь петли гистерезиса являются структурно чувствительными. Поэтому, чем больше размер зерна (меньше суммарная удельная поверхность зерен) и более совершенна структура кристаллической решётки материала (меньше дислокаций, внутренних напряжений, примесей и других дефектов), тем меньше H_C и больше , а материал соответственно легче намагничивается и перемагничивается.

Рис. 4.3. Зависимость коэрцитивной силы H_C трансформаторной стали от толщины h листа.

По величине коэрцитивной силы магнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Граница этого раздела по значению H_C условная. Материалы, у которых H_C<4 кА/м, относят к магнитомягким, у которых H_C>4 кА/м - к магнитотвёрдым (ГОСТ 19693-74). Для магнитомягких материалов характерным является малое значение коэрцитивной силы; у промышленных образцов наименьшая H_C = 0,4 А/м. Поэтому они намагничиваются до индукции технического насыщения при невысоких напряжённостях поля. Намагничивание происходит в основном за счёт смещения доменных границ. У магнитомягких материалов высокая магнитная проницаемость, малые потери на перемагничивание и узкая петля гистерезиса при высоких значениях магнитной индукции. Это легконамагничивающиеся материалы.

Магнитомягкие материалы применяют в производстве сердечников катушек индуктивности, реле, трансформаторов, электрических машин и т. п., работающих в постоянном и переменном магнитных полях.

Для магнитотвёрдых материалов характерным является широкая петля гистерезиса с большой коэрцитивной силой; у промышленных образцов наибольшая H_C примерно равна 800 кА/м. Магнитная проницаемость  меньше, чем у магнитомягких материалов. У магитотвердых материалов большая максимальная удельная магнитная энергия W_M, отдаваемая в пространство; она пропорциональна произведению наибольших значений В и H на кривой размагничивания. Намагничиваются эти материалы с трудом, но зато длительное время сохраняют сообщённую энергию. Намагничивание происходит в основном за счёт вращения вектора намагниченности. Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов, в электрических машинах малой мощности, для записи и хранения цифровой, звуковой и видео информации и др.

Термины "магнитомягкие" и "магнитотвёрдые" не являются характеристикой механических свойств материалов. Существуют механически мягкие, но магнитотвёрдые материалы и, наоборот, механически твёрдые, но магнитомягкие материалы.