Крива початкового намагнічення ферромагнетика

При вивченні літератури с. 223-226; 3, с. 232-242 студенту слід усвідомити суть процесу «технічного намагнічування» ферромагнетика, основні особливості якого полягають у наступному:

1. При розміщенні не намагніченого ферромагнетика (полікристалічного зразка) у зовнішньому магнітному полі, наприклад, в полі соленоїда зі струмом, відбувається його примусове або «технічне» намагнічування, при якому всі домени зразка повністю або частково орієнтуються в напрямку напруженості намагнічує поле, як показано на рис.6 (полеН₁<H₂<H₃). У феромагнітному зразку магнітне поле характеризується індукцією , причому залежністьВ = f₁(H) - нелінійна і в загальному випадку неоднозначна. Тільки процес початкового технічного намагнічування ферромагнетика може бути виражений залежністю В=_о, де _о - магнітна стала;  - магнітна проникність речовини, що залежить від напруженості поля: f₂ (H).

На рис.7 показана крива початкового намагнічування (суцільна лінія). Вона має три характерні ділянки, що відповідають рис.6. На ділянці 1 зі збільшенням напруженості поля відбувається зворотне зміщення меж і збільшення обсягу доменів, орієнтація яких близька до напрямку поля Н. Сусідні антипаралельних домени зменшуються. На ділянці 2 цей процес стає інтенсивним, стрибкоподібним (ефект Баркгаузена) і незворотнім. При стрибкоподібному зміні індукції поля усередині кристалів виникають вихрові струми, що нагрівають речовину, внаслідок чого втрачається енергія намагнічує поля. Частина її також перетворюється в енергію виникають звукових хвиль. Наприкінці ділянки 2 більшість доменів, поглинувши сусідні, виявляється зорієнтованими по осях легкого намагнічування кристалів, близьких за напрямком до поля . На ділянці 3 сильне намагнічу- вальне поле викликає процес повільного і монотонного обертання доменів до напрямку, що збігається з напрямком поле. В результаті наступає стан насичення намагніченості ферромагнетика (Н_S, B_S). Подальше збільшення індукції не залежить від його властивостей і пов'язано тільки із зростанням.

2. Магнітна проникність , як видно з кривої початкового намагнічування, зростає в слабких полях від деякого початкового значення_н до максимального значення приН = Н_о, як показано на рис.8. При подальшому збільшенні намагнічує поля магнітна проникність зменшується, асимптотично наближаючись до значення , коли феромагнетик практично не впливає на магнітне поле в займаному ним обсязі. Саме поняття «магнітна проникність» для ферромагнетика застосовується лише до «кривої початкового намагнічування».

Дослідження властивостей ферромагнетика за допомогою петлі гістерезису на лабораторній установці

1. При зменшенні напруженості намагнічує поля до нуля намагнічений феромагнетик розмагнічуються лише частково внаслідок незворотних процесів (див. рис.7). При Н = 0 поле ферромагнетика характеризується залишковою магнітною індукцією В_r. Відставання індукції В від напруженості Н при зменшенні напруженості називається «магнітним гістерезисом».

2. У намагнічувальної поле зворотного напрямку шляхом зміни його напруженості від Н = 0 до Н = -Н_С залишкову індукцію можна зробити рівною нулю (рис. 7). Значення Н_С напруженості поля називається коерцитивної силою ферромагнетика. Вона показує, як сильно утримується феромагнетиків залишкова індукція.

3. Феромагнетики, у яких Н_С < 80 А/м, називаються «м'якими». Ці матеріали (залізо, електротехнічна сталь, сплави заліза з нікелем - «пермаллой») мають велику проникність магнітну (_max = 5000 - 50000 та більше) застосовуються для виготовлення сердечників трансформаторів і електричних машин. Феромагнетики, що мають Н_С > 4000 А/м, називаються «жорсткими» і застосовуються для виготовлення постійних магнітів (сплави заліза типу «алніка» і «магніко»)  с.230-231.

4. При перемагнічування феромагнетиків в змінному полі Н = f(t) процес зміни магнітної індукції поля у зразку характеризується симетричною замкнутої кривої, яка, внаслідок запізнення зміни індукції, називається петлею гестірезісу (рис. 9). Якщо амплітуда напруженості поля заходить в область насичення намагніченості зразка, петля гестірезісу називається граничної, в інших випадках - петлею основного циклу (основна петля гестірезісу ). Нелінійність петлі показує, що індукція поля змінюється не за законом зміни напруженості. При дослідженнях ферромагнетики перемагнічують в «режимі синусоїдальної індукції» поля у зразку, при якому напруженість поля змінюється за закономН = f(t) різко спотвореної синусоїди (рис. 9).

Дві гілки петлі гестірезісу означають, що будь-якому значенню Н відповідають два значення магнітної індукції В, залежні від передісторії магнітного стану зразка.

Крива, проведена через вершини (В_m; Н_m) ряду основних петель гестірезісу , практично збігається з «кривої початкового намагнічування». Тому магнітна проникність ферромагнетика може бути визначена

Рис.9

через ці максимальні значення В_m та Н_m, що відносяться до будь-якої з основних петель гестірезісу (рис. 9), за формулою

, (1)

де ₀ = 4 10^-7 Г/м.

5. Енергія гістерезисна втрат, що витрачаються за один повний цикл перемагнічування будь-якого зразка, дорівнює  с.190-191; 2, с.227-229 твору обсягу зразка V_o на площу петлі гестірезісу в координатах (В, Н), тобто.

. (2)

Вона переходить у теплову енергію зразка. При перемагнічування феромагнетик нагрівається.

6. Повністю розмагнітити феромагнетик можна, перемагнічівая його в змінному магнітному полі при плавному зменшення амплітуди напруженості поля від насиченого значення НS до нуля протягом ряду циклів.

Схема вимірювальної установки

1. Для визначення параметрів ферромагнетика використовується петля гестірезісу , яка спостерігається на екрані осцилографа при перемагнічування даного феромагнітного зразка зовнішнім змінним магнітним полем. Схема вимірювальної установки показана на рис.10. Вона містить наступні елементи: генератор змінного напруги; ФО - феромагнітний зразок (осердя трансформатора); N₁ - намагнічуються обмотка; N₂ - вимірювальна обмотка; R та С - резистор і конденсатор RC - ланцюги; R1 - резистор для отримання напруги U_x, електронний осцилограф.

2. Відповідно до наведеної на рис. 10 схемою на вхід «» осцилографа подається напруга U_y, пропорційне магнітної індукції В поля в досліджуваному зразку, на вхід «Х» - напруги U_x пропорційне напруженості Н поля, намагнічує зразок (внутрішній генератор горизонтальної розгортки променя осцилографа при цьому вимикається). За один період Т зміни напружень U_x и U_у, характеризує повний цикл перемагнічування зразка, електронний промінь на екрані осцилографа описує петлю гестірезісу , повторюючи її в точності за кожен наступний період. Тому зображення петлі гістерезису на екрані буде нерухомим.

Петля гестірезісу зображується на екрані в координатах (х; у), причому

U_x = К_х; U_у = K_уУ , (3)

де Х і У - вимірюються в «поділу шкали» екрана осцилографа;

К_х (В/дел.) та К_у (В/дел.) - масштабні коефіцієнти, значення яких вказуються або в паспортних даних осцилографа, або близько ручок осцилографа, перемикаючих посилення по осях «Х» та «У» відповідно, або в таблиці вихідних даних, розміщеної близько установки.

3. Напруга U_x, пропорціональна напруженості Н магнітного поля, отримують у такий спосіб. Якщо зразок виконаний у вигляді однорідного замкнутого осердя, на якому рівномірно розподілена первинна (намагнічуються) обмотка з числом витків N₁, то струм I₁ в цій обмотці і напруженість Н створюваного ним поля пов'язані співвідношенням , деl - середня довжина сердечника (феромагнітного зразка).

Послідовно з обмоткою N₁ включений резистор R1, на якому створюється падіння напруги

(4)

Опір R1 малий. Цим забезпечується режим перемагнічування, при якому струм I₁(t) і напруженість Н(t) не синусоїдальні, але синусоїдально магнітна індукція В = В_m sint (при синусоїдальній напрузі генератора, що живить схему).

З (3) і (4) виходить проста формула для вимірювання напруженості магнітного поля у зразку

, (5)

де .

4. Напруга U_у, пропорційне магнітної індукції В поля у зразку, отримують у такий спосіб. Вторинна (вимірювальна) обмотка, нанесена на зразок і що має N₂ витків, пронизує зосередженим в феромагнітному зразку магнітним потоком , деS - площа поперечного перерізу зразка. В обмотці N₂ індуцюється ЭРС

,

що створює струм I₂ і напруга U₂  - ₂ на виході обмотки (падіння напруги на самій обмотці дуже малий). Звідси випливає, що та

. (6)

З (6) видно, що інтегруванням змінної напруги (у нашому випадку - синусоїдальної, що змінюється з частотою     , задається генератором), можна отримати сигнал, пропорційний миттєвого значеннямВ(t) індукції магнітного поля у зразку. Ця операція в схемі на рис. 10 виконується «інтегрує RC - ланцюжком», що складається з резистора R і конденсатора С.

Напруга U₂ створює в RC - ланцюжку струм I₂ і змінний заряд конденсатора, рівний , внаслідок чого на конденсаторі утворюється напруга

(7)

що надходить на вхід «Y» осцилографа (впливом великого вхідного опору осцилографа нехтуємо). Опором RC - ланцюжка синусоїдальній струму з частотою , деТ - Період коливань струму, дорівнює

.

де  = RC - «постійна часу» RC - кола. Загально вибирається значення відносини 30 < < 100, опірZ  R, т. е. є практично чисто активним і не створює помітного зсуву фаз між струмом I₂ і напруга U₂. У цьому випадку для миттєвих значень струму і напруги практично справедливий закон Ома

.

Ця обставина з урахуванням формул (7) і (6) дозволяє записати для миттєвих значень напруг U₂ та U_у і магнітної індукції В наступну залежність:

. (8)

Відзначимо, що збільшення r = RC робить формулу (8) більш точною, тобто підвищує точність інтегрування, але одночасно приводить до зменшення напруги U_у.

З (3) і (8) виходить проста формула для вимірювання індукції магнітного поля у зразку...:

, (9)

де .

5. Формулу для визначення потужності , витрачається за один циклТ = 1/ на перемагнічування феромагнітного зразка, знайдемо, використовуючи (2), (5), (9), в наступному вигляді:

, (10)

где ,

- площа петлі гістерезису на екрані осцилографа в координатах (х; у), яка вимірюється у квадратних поділу шкали екрану осцилографа.