Электронный учебно-метод ический комплекс по учебному предмету
Главная»Раздел 2. Электромагнетизм»Магнитные свойства вещества. Ферромагнитные материалы
2.2 Магнитные свойства вещества. Ферромагнитные материалы
По величине магнитной проницаемости все вещества делятся на диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные.
Для диамагнитных веществ меньше единицы. Например, для меди и введение медного сердечника в катушку уменьшает магнитную индукцию катушки.
Ферромагнитные материалы имеют магнитную проницаемость порядка нескольких тысяч единиц и играют большую роль в электротехнике. К ним относятся железо, никель, кобальт и их сплавы. Только из этих материалов изготавливаются сердечники электромагнитов, трансформаторов, электромашин и аппаратов.
Чем объяснить столь неординарное влияние различных веществ на индукцию магнитного поля?
Все вещества состоят из молекул и атомов. Вокруг ядра в атомах по орбитам движутся электроны. Движение электронов представляет круговой ток, а атомы и молекулы вещества представляются элементарными магнитиками. Электроны и ядра атомов, вращаясь вокруг своей собственной оси, также создают внутреннее магнитное поле. В отсутствии магнитного поля элементарные магнитики в веществе движутся хаотически. Сердечник из какого-либо вещества, помещенный в магнитном поле катушки намагничивается, его элементарные магнитики под действием внешнего магнитного поля ориентируются вдоль силовых линий магнитной индукции. При этом в одних веществах внутреннее магнитное поле усиливает внешнее магнитное поле катушки, в других - ослабляет, т.е. элементарные магнитики этого вещества имеют противоположное направление магнитной индукции внешнего магнитного поля катушки. Вещества с противоположной ориентацией элементарных магнитиков во внешнем магнитном поле называются диамагнитными (медь, серебро, вода). В других веществах (алюминий, натрий, воздух, кислород) элементарные магнитики ориентируются в направлении силовых линий магнитной индукции внешнего магнитного поля и усиливают его. Но так как внутреннее магнитное поле этих веществ малое, то и усиление внешнего магнитного поля катушки слабое. Такие вещества называются парамагнитными. В веществах (железо, кобальт, никель и их сплавы) внутреннее магнитное поле представляется областями спонтанного намагничивания – доменами, которые ориентируются в направлении силовых линии магнитной индукции внешнего поля и усиливает его в сотни и тысячи раз. Эти вещества называются ферромагнитными.
Следовательно, все вещества характеризуются способностью изменять индукцию магнитного поля. Величина, характеризующая изменение магнитной индукцией среды (В) при воздействии магнитного поля (Н), называется магнитной проницаемостью и обозначается буквой.
Магнитная индукция (В) имеет нелинейную зависимость от напряженности (Н) магнитного поля. Зависимость показана на рис.2.3.
В начальный момент, когда сердечник не намагничен, при увеличении напряженности (Н) магнитного поляэлементарные магнитики сердечника (домены) интенсивно ориентируются в направлении линий магнитной индукции, и магнитная индукция (В) растет быстро. При дальнейшем увеличении Нколичество ориентации дополнительных элементарных магнитиков уменьшается, и при некотором значении Н происходит полная ориентациявсех элементарных магнитиков, т.е. наступает магнитное насыщение сердечника (кривая ob, графика рис.2.3).
При уменьшении напряженности (Н) магнитного поля уменьшение магнитной индукции (кривая bc, графика рис. 2.3) будет отставать, и при H = 0 магнитная индукция не будет равна нулю. Элементарные магнитики частично остались в прежней ориентации. Это явление называется магнитным гистерезисом (от греч. отставание), а Bc – остаточной магнитной индукцией.
Для полного размагничивания ферромагнитного сердечника нужно изменить направление напряженности поля. Напряженность (Hc) называется коэрцитивной силой (от лат. удерживающий). Если произвести перемагничивание сердечника, как показано на рис 2.3 стрелками, то получится петля гистерезиса. При перемагничивании происходит интенсивное движение частиц вещества, сердечник нагревается, происходит потеря энергии от гистерезиса. Величина потерь энергии от гистерезиса пропорциональна площади, ограниченной петлей гистерезиса.
Ферромагнитные вещества с широкой петлей гистерезиса обладают большой коэрцитивной силой и могут надолго сохранять магнитные свойства после намагничивания. К ним относятся высокоуглеродистые стали и сплавы железа, алюминия и никеля. Они применяются для изготовления постоянных магнитов.
Ферромагнитные вещества с узкой петлей гистерезиса называются магнитомягкими и применяются для изготовления сердечников трансформаторов, машин и различных аппаратов переменного тока.
Вопросы для самоконтроля
1. Как разделяются вещества по величине магнитной проницаемости?
2. Чем объясняется малая магнитная проницаемость в диамагнитных веществах?
3. Чем объясняется большая магнитная проницаемость в ферромагнитных веществах? Назовите ферромагнитные вещества.
4. Объясните получение петли гистерезиса.
5. Какие особенности магнитомягких материалы?
6. Назовите магнитомягкие материалы и укажите, где они применяются.
7. Какие особенности магнитотвёрдых материалов? Назовите магнитотвёрдые материалы и укажите их применение.