Начальная кривая намагничивания

 

Кривая намагничивания – это зависимость индукции в материале (В) от напряжённости внешнего магнитного поля (Н). Кривая намагничивания является важной характеристикой магнитных материалов, к которым относятся ферромагнетики и ферримагнетики.

Ферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все магнитные моменты[9] атомов в определенном объеме вещества (домене) параллельны и однонаправлены, что обусловливает самопроизвольную намагниченность[10] домена. Появление магнитного порядка связано с обменным взаимодействием электронов, имеющим квантово-механическую природу. Силы взаимодействия подчиняются закону Кулона. В отсутствии внешнего магнитного поля ориентация магнитных моментов различных доменов может быть произвольной, и рассматриваемый объем вещества имеет в результате слабую или нулевую намагниченность. При приложении магнитного поля магнитные моменты доменов ориентируются по полю тем больше, чем выше напряженность поля. При этом изменяется значение магнитной проницаемости ферромагнетика и усиливается индукция в веществе. Примеры ферромагнетиков: Железо, никель, кобальт, гадолиний и сплавы этих металлов между собой и другими металлами (Al, Au, Cr, Si и др.). Магнитная проницаемость[11] (μ) ферромагнетиков зависит от напряженности внешнего магнитного поля и лежит в пределах ≈ 100…100000.

Ферримагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором магнитные моменты атомов образуют в определенном объеме вещества (домене) магнитные подрешетки атомов или ионов с суммарными магнитными моментами не равными друг другу и направленными навстречу друг другу. Ферримагнетизм можно рассматривать как наиболее общий случай магнитоупорядоченного состояния, а ферромагнетизм как случай с одной подрешеткой. В состав ферримагнетиков обязательно входят атомы ферромагнетиков. Примеры ферримагнетиков:

Fe₃O₄; MgFe₂O₄; CuFe₂O₄; MnFe₂O₄; NiFe₂O₄; CoFe₂O₄…

Магнитная проницаемость ферримагнетиков имеет тот же порядок, что и у ферромагнетиков(μ ≈ 100…100000) и также зависит от напряжённости магнитного поля.

Начальные кривые намагничивания – это зависимости намагниченности материала (кривая намагничивания по намагниченности) или индукции в материале (кривая намагничивания по индукции) от напряженности внешнего магнитного поля. Начальные кривые намагничивания получают на образцах предварительно термически размагниченного материала при последовательном возрастании напряжённости магнитного поля. Начальная кривая намагничивания по индукции и зависимость магнитной проницаемости от напряжённости внешнего магнитного поля показаны на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Кривая намагничивания магнитного материала и соответствующая ей зависимость магнитной проницаемости от напряжённости внешнего магнитного поля.

Начальная кривая намагничивания отражает процессы перестройки доменов в магнитном материале при увеличении напряжённости внешнего магнитного поля. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов располагаются таким образом, чтобы обеспечить минимум энергии в материале. Это достигается замыканием магнитного потока (векторов магнитных моментов) соседних доменов внутри материала. При наложении внешнего магнитного поля с небольшой напряжённостью (зона 1 на рис 4.4) происходит рост объёма доменов, которые имеют направление намагниченности, совпадающее или близкое к направлению напряженности внешнего поля. В материале появляется индукция, большая, чем у внешнего поля, и формируется значение магнитной проницаемости, которое называется «начальной магнитной проницаемостью». В области I процесс намагничивания обратим. Это означает, что при уменьшении напряжённости магнитного поля индукция в материале снижается по той же кривой. По которой она возрастала. Кривая намагничивания в области II характеризуется тем, что здесь происходит неупругое смещение доменных границ, индукция в материале растёт более быстрыми темпами, нежели напряжённость внешнего поля и магнитная проницаемость увеличивается до своего максимального значения. Этот процесс уже не является полностью обратимым (при снижении напряжённости внешнего магнитного поля до нуля индукция в материале остаётся и имеет определённое значение). К концу этого участка по мере роста напряжённости внешнего магнитного поля материал превращается в один домен с направлением вектора намагниченности, совпадающим с направлением лёгкого намагничивания материала. С вектором внешнего поля намагниченность материала составляет некоторый угол. В области приближения к насыщению (область III) изменение индукции в материале объясняется в основном процессом вращения вектора намагниченности в сторону уменьшения угла, который вектор намагниченности составляет с вектором напряжённости внешнего поля. Значение магнитной проницаемости начинает уменьшаться. При совпадении векторов намагниченности и внешнего поля наступает область технического насыщения. На последнем участке кривой индукции (область IV) последняя увеличивается в основном за счёт внешнего поля, а значение магнитной проницаемости уменьшается вплоть до 1.

По начальной кривой намагничивания можно определить такие параметры магнитного материала как:

- начальная магнитная проницаемость, μ_нач – значение магнитной проницаемости начальной кривой намагниченности по индукции при стремлении магнитного поля к нулю;

- максимальная магнитная проницаемость,μ_макс – значение магнитной проницаемости в точке кривой намагничивания по индукции с максимальным значением производной;

- индукция технического насыщения , В_нас - значение индукции в магнитном материале, определяемое экстраполяцией из области напряженности магнитных полей, соответствующих намагниченности технического насыщения, к нулевому значению напряжённости поля.

 

4.11. Петля гистерезиса и её характерные точки

Комплекс магнитных свойств магнитного материала описывается кривыми намагничивания-размагничивания – петлями магнитного гистерезиса (hysteresis – отставание, запаздывание). Намагничивание происходит при увеличении напряжённости внешнего магнитного поля, а размагничивание при снижении напряжённости внешнего магнитного поля. Магнитный гистерезис – это неоднозначная зависимость магнитной индукции в материале или намагниченности материала от напряженности внешнего магнитного поля при квазистатическом[12] его изменении. Неоднозначность точек кривой при намагничивании и размагничивании объясняется необратимостью процессов намагничивания в области II (рис. 4.4). При снижении напряжённости внешнего магнитного поля снижение намагниченности в материале происходит с отставанием: при определённом значении снижающейся напряжённости намагниченность материала будет выше, чем при том же значении увеличивающейся напряжённости внешнего магнитного поля.

Петли гистерезиса могут быть построены как по намагниченности, так и по индукции.

Петля магнитного гистерезиса по индукции – замкнутая кривая, выражающая зависимость магнитной индукции в материале от амплитуды напряжённости магнитного поля при периодическом достаточно медленном изменении последнего.

Петля магнитного гистерезиса по намагниченности – замкнутая кривая, выражающая зависимость магнитной намагниченности материала от амплитуды напряжённости магнитного поля при периодическом достаточно медленном изменении последнего.

В зависимости от значения амплитуды периодически меняющейся напряжённости внешнего магнитного поля может быть построено множество петель гистерезиса для одного образца магнитного материала (рис 4.5)

Рис. 4.5 Частные петли гистерезиса и основная кривая намагничивания

 

Вершины частных петель гистерезиса соединяет основная кривая намагничивания - геометрическое место вершин симметричных петель магнитного гистерезиса[13], которые получают при последовательно возрастающих максимальных значениях напряжённости внешнего магнитного поля.

Наиболее информативной является предельная петля гистерезиса, когда индукция в материале достигает индукции технического насыщения для взятого образца (материал полностью намагничен). Петля гистерезиса представлена на рисунке 4.6.

Предельная петля гистерезиса определяет следующие параметры магнитного материала:

- остаточная индукция , В_ост -индукция, сохраняющаяся в магнитном материале после намагничивания его до намагниченности технического насыщения и уменьшения напряжённости внешнего магнитного поля до нуля.

- коэрцитивная сила , Н_с - величина, равная напряжённости магнитного поля, необходимого для изменения магнитной индукции от остаточной индукции до нуля (коэрцитивная сила по индукции).

- магнитные потери на гистерезис – потери энергии на перемагничивание, пропорциональные площади, охватываемой петлей гистерезиса.

По значению коэрцитивной силы и площади петли гистерезиса различают магнитомягкие и магнитотвёрдые материалы. Магнитомягкие материалы имеют малую площадь петли гистерезиса, а магнитотвердые – большую.

У магнитомягких материалов коэрцитивная сила, как правило, ниже 800 А/м. Эти материалы используются, например, для магнитопроводов электрических машин переменного тока, и малая коэрцитивная сила обусловливает малые потери на перемагничивание.

Магнитотвердые материалы имеют коэрцитивную силу более 4000 А/м. Они имеют также большую остаточную индукцию и используются как материалы для постоянных магнитов.

4.12. Твёрдость материалов

Твёрдость – характеристика материала, отражающая его прочность и пластичность.

Пластичность – это свойство твёрдых тел сохранять часть деформации при снятии нагрузки, которая её вызвала. При растяжении цилиндрического металлического образца последний деформируется вначале пропорционально нагрузке, а затем, – опережая рост растягивающих усилий – σ [МПа] (рис. 4.7).

До значения нормального напряжения σ_пц относительное удлинение δ% пропорционально нормальному напряжению. Здесь выполняется закон Гука:

σ = Е_ю·δ,

где Е_ю – модуль нормальной упругости (модуль Юнга). Предел σ_пц называют пределом пропорциональности. При нагрузках меньше предела пропорциональности образец подвержен лишь упругой деформации, и при снятии нагрузки его длина становится равной первоначальной. Упругая деформация происходит за счёт изменения межатомных расстояний в кристаллической решётке. Её устранение после снятия нагрузки происходит благодаря силам взаимодействия между атомами, имеющими «кулоновскую» природу.

При нормальном напряжении, превышающем предел пропорциональности σ_пц, деформация увеличивается быстрее роста нагрузки. Здесь уже начинают проявляться пластические деформации. На этом этапе выделяют «условный предел текучести» - σ_0,2, - значение нормального напряжения, после снятия которого в образце наблюдается остаточная деформация, составляющая 0,2% от длины образца. Пластическая деформация носит дислокационный[14] механизм, при котором наблюдается взаимный сдвиг по линии (или плоскости) дислокаций дефектной кристаллической структуры. Сдвиг (скольжение) начинается от мест нарушения кристаллической решётки и распространяется последовательно по плоскости сдвига.

Твёрдость наиболее часто определяется методом вдавливания шарика или призмы в испытуемый образец или царапанием.

В методе Виккерса алмазная пирамида стандартных размеров вдавливается остриём в тело со шлифованной поверхностью (рис. 4.8).

Рис. 4.8 схема определения твёрдости по Виккерсу

Твёрдость по Виккерсу (HV) определяется как отношение стандартной силы Рк площади отпечатка в мм²:

где d – среднеарифметическое значение для двух диагоналей отпечатка.

Твёрдость по Бринеллю (HB) – отношение силы, вдавливающей стандартный стальной шарик к площади отпечатка.

Твёрдость по Роквеллу (HR) – отношение силы вдавливания к глубине внедрения алмазного конуса (е) с углом при вершине 120⁰ (шкалы А и С), или стального шарика диаметром 1,5875 мм (шкала В). Твердость по Роквеллу для шкал А и С (HRC) равна (100 - )е, а по шкале В (HRB) равна (130 – е). Чем меньше величина е, выраженная в делениях шкалы циферблата, тем выше твёрдость, которую показывает шкала. При использовании алмазного конуса HRC не зависит от нагрузки, так как условия пластической деформации под вершиной конуса остаются постоянные, и действует закон подобия.

Твердость по Моосу (твёрдость царапанием) определяется с использованием эталонных минералов, каждому из которых присвоено число твёрдости:

1 – тальк, 2 – гипс, 3 –кальцит, 4 – флюорит, 5 – апатит,

6– ортоклаз, 7 – кварц, 8 – топаз, 9 –корунд, 10– алмаз.