Основные свойства и параметры магнитных материалов

Кривая намагничивания - зависимость магнитной индукции В (или намаг-ниченности М) от напряженности магнитного поля Н - приведена на рис. 5.8. Основная кривая намагничивания - геометрическое место вершины симмет-ричных петель - перемагничивания - отвечает требованиям хорошей воспроиз-водимости и широко используется для определения параметров магнитных ма-териалов. По основной кривой намагничивания определяется магнитная про-ницаемость, например, для точки А: .

Основная кривая намагничивания и зависимость от Н могут быть разде-лены на четыре области в соответствии с возможным различием процессов на-магничивания при увеличении напряженности намагничивающего поля [8].

Первая область (см. рис. 5.8) - область слабых полей - характеризуется об-ратимым смещением границ доменов. Магнитная проницаемость в этой облас-ти называется начальной и имеет постоянное значение, практически определяется при H ≈ 0,1 А/м. При этом происходит рост доменов, вектор намагниченности которых составляет с направлением поля наименьший угол (рис. 5.9, б).

Вторая область - область необратимого смещения границ доменов. Магнитная проницаемость в этом случае проходит через максимум (рис. 5.9, в).

Третья область – область вращения вектора намагниченности. Магнитная проницаемость уменьшается, приближаясь к единице (рис. 5.9, г).

Четвертая область – область насыщения (парапроцессы).

Магнитный гистерезис, свойственный ферромагнетикам, - отставание намагниченности ферромагнитного материала от внешнего магнитного поля (см. рис. 5.4), вследствие этого неоднозначна зависимость В от Н. Магнитный гистерезис обусловлен необратимыми изменениями магнитных свойств ферромагнетика под влиянием тех магнитных процессов, которым он ранее подвергался.

Рис. 5.8. Характер зависимости магнитной проницаемости

от типа смещения доменов

Необратимость связана: 1) с задержками в смещении границ доменов, вызываемыми различного рода искажениями кристаллической решетки; 2) с процессами зарождения обратных доменов (зародышами перемагничивания). Эти зародыши образуются около границ между кристаллитами или у наружной поверхности вещества.

Для материалов, состоящих из однодоменных частиц, перемагничивание идет за счет вращения вектора намагничивания и причиной гистерезиса является магнитная анизотропия.

Форма петли гистерезиса зависит от исходного состояния материала, скорости перемагничивания и максимальных значений напряженности магнитного поля. Для слабых полей петля гистерезиса имеет вид эллипса. С увеличением Н возрастает ширина петли и изменяется ее форма. Петля гистерезиса, полученная при условии насыщения, называется предельной. Петля, полученная при медленном изменении поля, называется статической.

По петле магнитного гистерезиса определяются следующие основные параметры магнитных материалов: индукция насыщения B_s, остаточная индукция B_r, коэрцитивная сила H_c. Удельные магнитные потери на гистерезис за один цикл перемагничивания определяются на площади петли гистерезиса:

(Дж/м³). (5.3)

Рис. 5.9. Схема процессов, протекающих при намагничивании: а - исходное состояние при Н = 0, когда монокристалл или четыре домена с различно направленными векторами спонтанной намагниченности доменов (указаны стрелками); б - смещение границ доменов при воздействии внешнего магнитного поля (рост объема домена 1); в – образование однодоменной структуры; г - вращение вектора намагниченности

Удельные магнитные потери зависят от ряда факторов: состава и примесей, технологии изготовления материала, температуры и механических напряжений. Участок петли гистерезиса, лежащий во втором квадрате, называется кривой размагничивания. Размагничивать можно, пропуская через катушку ток встречного направления.

Удельная магнитная энергия . При B = B_r H = 0, поэтому W = 0. Это состояние соответствует замкнутой магнитной цепи, т.е. отсутствию воздушного зазора. При Н = Н_D W = 0, W_D = W _max, где - коэффициент выпуклости кривой размагничивания, (см. рис. 5.10). С ростом частоты циклического изменения поля вид петли гистерезиса, основной кривой намагничивания и зависимость изменяются. Петля гистерезиса, соответствующая высокой частоте перемагничивания, называется динамической. Динамическая кривая шире статической. Площадь динамической петли пропорциональна мощности полных магнитных потерь, которые определяются равенством:

P = P_r + P_B + P_D, (5.4)

где P_r - потери на гистерезис; P_B - потери на вихревые токи; P_D - потери на последействие.

Потери на гистерезис:

, (5.5)

где - коэффициент, зависящий от материала; f - частота поля; B_m - максимальная индукция; n - показатель степени в пределах 1,6…3,5; V - объем материала. Потери на вихревые токи определяются из равенства

(5.6)

где - коэффициент, зависящий от материала. Дополнительные потери , связанные с магнитной вязкостью:

P_D = P – (P_r + P_B). (5.7)

Зависимость от f называется дисперсией магнитной проницаемости. Она имеет релаксационный или резонансный характер. Магнитная релаксация происходит в два этапа: а) быстрая релаксация - за счет сравнительно сильных обменных взаимодействий устанавливается абсолютное значение магнитной проницаемости; б) медленная релаксация спин-орбитального взаимодействия устанавливает магнитные моменты вдоль оси легкого намагничивания.

Рис. 5.10. Характер изменения удельной

магнитной энергии от напряженности

магнитного поля

Процесс магнитной релаксации необратим и связан с потерей энергии. Резонансные явления связаны с избирательным поглощением энергии электромагнитного поля при частотах, совпадающих с собственными частота-ми колебаний границ доменов или частотами прецессии магнитных моментов электронной системы.

Магнитная анизотропия - неодинаковость магнитных свойств материала по различным направлениям. Энергия магнитной анизотропии складывается из энергии кристаллографической магнитной анизотропии и энергии магнитострикционной деформации (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Магнитная анизотропия по различным направлениям кристалла магнита

Энергия, которая требуется для намагничивания единицы объема материала, определяется площадью S. Наибольшей энергией обладает кристалл, намагниченный вдоль оси трудного намагничивания, а наименьшей - кристалл, намагниченный по оси легкого намагничивания. Разность этих энергий соответствует энергии магнитной кристаллографической анизотропии. С ростом температуры энергия уменьшается.

При намагничивании имеют место изменения формы и размеров тела. Это

явление называется магнитострикцией. Параметр, характеризующий магнитострикцию, обозначается : - относительное удлинение в направлении поля.

Ход кривой зависимости магнитострикции от Н и намагниченности зависит от структурных особенностей образца (рис. 5.12), связанных с наличием примесей, и режимов термической обработки.

На рис. 5.13 приведены кривые магнитострикционной деформации монокристалла никеля для различных направлений и напряженности (кА/м).

Рис. 5.12. Зависимость магнитострикции Рис. 5.13. Кривые магнито- от Н никеля стрикционной деформации

монокристалла никеля

Магнитоупругая энергия - это энергия, возникающая под действием внешних механических напряжений. Магнитостатическая энергия - это энергия, связанная с размагничивающим полем свободных полюсов. Магнитная энергия - это энергия, обусловленная взаимодействием намагниченности материала с внешним полем. Полная энергия - сумма всех энергий. Форма доменов и их расположение соответствуют минимуму результирующей энергии.

Дата добавления: 2015-10-21