Петля гистерезиса

Гистерезис происходит от греческого слова, означающего запаздывание или отставание. С данным понятием связана такая физическая величина, как петля гистерезиса, определяющая одну из характеристик тела. Она определенным образом связана также и с физическими величинами, характеризующими внешние условия, такие как магнитное поле.

Общие понятия гистерезиса

Гистерезис можно наблюдать в те моменты, когда какое-либо тело в конкретный период времени будет находиться в зависимости от внешних условий. Данное состояние тела рассматривается и в предыдущее время, после чего производится сравнение и выводится определенная зависимость.

Подобная зависимость хорошо просматривается на примере человеческого тела. Чтобы изменить его состояние потребуется какой-то отрезок времени на релаксацию. Поэтому реакция тела будет всегда отставать от причин, вызвавших измененное состояние. Данное отставание значительно уменьшается, если изменение внешних условий также будет замедляться. Тем не менее, в некоторых случаях может не произойти уменьшения отставаний. В результате, возникает неоднозначная зависимость величин, известная как гистерезисная, а само явление называется гистерезисом.

Эта физическая величина может встречаться в самых разных веществах и процессах, однако чаще всего рассматриваются понятия диэлектрического, магнитного и упругого гистерезиса. Магнитный гистерезис как правило появляется в магнитных веществах, например, таких как ферромагнетики. Характерной особенностью этих материалов является самопроизвольная или спонтанная неоднородная намагниченность, наглядно демонстрирующая это физическое явление.

Механизм возникновения петли гистерезиса

Сам по себе гистерезис представляет собой кривую, отображающую измененный магнитный момент вещества, на которое воздействует периодически изменяющаяся напряженность поля. Когда магнитное поле воздействует на ферромагнетики, то изменение их магнитного момента наступает не сразу, а с определенной задержкой.

В каждом ферромагнетике изначально присутствует самопроизвольная намагниченность. Сам материал включает в свой состав отдельные фрагменты, каждый из которых обладает собственным магнитным моментом. При направленности этих моментов в разные стороны, значение суммарного момента оказывается равным нулю в результате взаимной компенсации.

Если на ферромагнетик оказать воздействие магнитным полем, то все моменты, присутствующие в отдельных фрагментах (доменах) будут развернуты вдоль внешнего поля. В итоге, в материале образуется некоторый общий момент, направленный в одну сторону. Если внешнее действие поля прекращается, то домены не все окажутся в изначальном положении. Для этого потребуется воздействие достаточно сильного магнитного поля, предназначенного для разворота доменов. Такому развороту создают препятствия наличие примесей и неоднородность материала. Поэтому материал имеет некоторую остаточную намагниченность, даже при отключенном внешнем поле.

Для снятия остаточного магнитного момента, необходимо приложение действия поля в противоположном направлении. Напряженность поля должна иметь величину, достаточную, чтобы выполнить полное размагничивание материала. Такая величина известна как коэрцитивная сила. Дальнейшее увеличение магнитного поля приведет к перемагничиванию ферромагнетика в противоположную сторону.

Когда напряженность поля достигает определенного значения, материал становится насыщенным, то есть магнитный момент больше не увеличивается. При снятии поля вновь наблюдается наличие остаточного момента, который снова можно убрать. Дальнейшее увеличение поля приводит к попаданию в точку насыщения с противоположным значением.

Таким образом, на графике появляется петля гистерезиса, начало которой приходится на нулевые значение поля и момента. В дальнейшем, первое же намагничивание выводит начало петли гистерезиса из нуля и весь процесс начинает происходить по графику замкнутой петли.

electric-220.ru

Магнитный гистерезис: описание явления, гистерезисная петля

В данной статье мы рассмотрим явление под названием магнитный гистерезис, которое связано со свойствами намагничивания материала, благодаря которому он сначала намагничивается, а затем размагничивается. Рассмотрим кривые намагничивания, сохраняемость, а так же магнитную петлю гистерезиса.

Описание явления магнитного гистерезиса

Мы знаем, что магнитный поток, создаваемый электромагнитной катушкой, представляет собой величину магнитного поля или силовых линий, создаваемых в данной области, и что его чаще называют «плотностью потока», обозначенным символ B с единицей измерения Тесла, Т.

Мы также знаем из предыдущих уроков, что магнитная сила электромагнита зависит от числа витков катушки, тока, протекающего через катушку, или от типа используемого материала сердечника, и если мы увеличим либо ток, либо число оказывается, мы можем увеличить напряженность магнитного поля H.

Ранее относительная проницаемость, символ µ _r, определялась как отношение абсолютной проницаемости µ и проницаемости свободного пространства µ _o(вакуум), и это задавалось как постоянная величина. Однако взаимосвязь между плотностью потока B и напряженностью магнитного поля H может быть определена тем фактом, что относительная проницаемость µ _r не является постоянной величиной, а функцией интенсивности магнитного поля, что дает плотность магнитного потока как:   B = M H .

Тогда плотность магнитного потока в материале будет увеличена в большей степени в результате его относительной проницаемости для материала по сравнению с плотностью магнитного потока в вакууме, µ 

o H, а для катушки с воздушной сердцевиной это соотношение определяется как:

Таким образом, для ферромагнитных материалов отношение плотности потока к напряженности поля ( B / H ) не является постоянным, а изменяется в зависимости от плотности потока. Тем не менее, для катушек с воздушной сердцевиной или любой сердцевины с немагнитной средой, такой как дерево или пластмасса, это отношение можно считать постоянной величиной, и эта постоянная известна как μ _o , проницаемость свободного пространства ( μ _o = 4.π.10 ^-7  ч / м ).

Построив значения плотности потока ( B ) против напряженности поля, ( Н ) мы можем произвести набор кривых , называемых Кривые намагничивания, кривые магнитного гистерезиса или более обычно BH кривые для каждого типа основного используемого материала.

Намагниченность или кривая B-H

Набор кривых намагничивания выше, представляет пример взаимосвязи между B и H для сердечников из мягкого железа и стали, но каждый тип материала сердечника будет иметь свой собственный набор кривых магнитного гистерезиса. Вы можете заметить, что плотность потока увеличивается пропорционально напряженности поля до тех пор, пока она не достигнет определенного значения, если оно больше не может становиться почти равным и постоянным, поскольку напряженность поля продолжает увеличиваться.

Это связано с тем, что существует ограничение на количество плотности потока, которое может генерироваться ядром, поскольку все домены в железе идеально выровнены. Любое дальнейшее увеличение не будет влиять на значение M , и точка на графике, где плотность потока достигает своего предела, называется магнитным насыщением, также известным как насыщение сердечника, и в нашем простом примере выше точки насыщения стальной кривой начинается примерно с 3000 ампер-витков на метр.

Насыщение происходит потому, что, как мы помним из предыдущей статьи по магнетизму, который включал теорию Вебера, случайное расположение структуры молекулы в материале ядра изменяется, когда крошечные молекулярные магниты в материале становятся «выстроенными».

По мере увеличения напряженности магнитного поля ( H ) эти молекулярные магниты становятся все более и более выровненными, пока они не достигнут идеального выравнивания, создавая максимальную плотность потока, и любое увеличение напряженности магнитного поля из-за увеличения электрического тока, протекающего через катушку, будет иметь мало или вообще не будет иметь эффекта.

Сохраняемость (способность сохранять остаточный магнетизм)

Предположим, что у нас есть электромагнитная катушка с высокой напряженностью поля из-за тока, протекающего через нее, и что материал ферромагнитного сердечника достиг своей точки насыщения, максимальной плотности потока. Если мы теперь откроем переключатель и удалим ток намагничивания, протекающий через катушку, мы ожидаем, что магнитное поле вокруг катушки исчезнет, ​​когда магнитный поток уменьшится до нуля.

Однако магнитный поток не исчезает полностью, поскольку материал электромагнитного сердечника все еще сохраняет часть своего магнетизма, даже когда ток прекращает течь в катушке. Эта способность к катушке, чтобы сохранить часть своего магнетизма внутри сердечника после процесса намагничивания остановилось называются сохраняемость или остаточной намагниченности, в то время как величина плотности потока все еще остается в ядре, называется 

остаточным магнетизмом B _R  .

Причиной этого является то, что некоторые из крошечных молекулярных магнитов не возвращаются к совершенно случайному образцу и все же указывают в направлении исходного поля намагничивания, давая им своего рода «память». Некоторые ферромагнитные материалы обладают высокой удельной удерживаемостью (магнитной твердостью), что делает их превосходными для изготовления постоянных магнитов.

В то время как другие ферромагнитные материалы имеют низкую способность удерживать (магнитно-мягкие), что делает их идеальными для использования в электромагнитах, соленоидах или реле. Один из способов уменьшить эту остаточную плотность потока до нуля — изменить направление тока, протекающего через катушку, путем изменения значения H, напряженности магнитного поля, отрицательной. Этот эффект называется коэрцитивной силой H _C .

Если этот обратный ток увеличивается еще больше, то плотность потока будет также увеличиваться в обратном направлении, пока ферромагнитный сердечник не достигнет насыщения снова, но в обратном направлении от предыдущего. Снижая ток намагничивания I снова до нуля создаст аналогичную величину остаточного магнетизма, но в обратном направлении.

Затем путем постоянного изменения направления тока намагничивания через катушку с положительного направления на отрицательное направление, как в случае с источником переменного тока, можно создать петлю магнитного гистерезиса ферромагнитного сердечника.

Магнитная петля гистерезиса

Магнитная петля гистерезиса выше, показывает поведение ферромагнитного сердечника графически в виде соотношения между B и H является нелинейным. Начиная с немагнитного сердечника, и B, и H будут в нуле, точка 0 на кривой намагничивания.

Если ток намагничивания I увеличивается в положительном направлении до некоторого значения, напряженность магнитного поля H линейно увеличивается с I,и плотность потока B также будет увеличиваться, как показано кривой из точки 0 в точку a, когда она движется к насыщению.

Теперь, если ток намагничивания в катушке уменьшается до нуля, магнитное поле, циркулирующее вокруг сердечника, также уменьшается до нуля. Однако магнитный поток катушек не достигнет нуля из-за остаточного магнетизма, присутствующего в сердечнике, и это показано на кривой от точки а к точке b .

Чтобы уменьшить плотность потока в точке b до нуля, необходимо обратить ток, протекающий через катушку. Сила намагничивания, которая должна применяться для обнуления остаточной плотности потока, называется «Коэрцитивной силой». Эта коэрцитивная сила меняет магнитное поле, перестраивая молекулярные магниты, пока ядро ​​не станет немагнитным в точке с .

Увеличение этого обратного тока вызывает намагничивание сердечника в противоположном направлении, и дальнейшее увеличение этого тока намагничивания приведет к тому, что сердечник достигнет своей точки насыщения, но в противоположном направлении, точки d на кривой.

Эта точка симметрична точке b . Если ток намагничивания снова уменьшится до нуля, остаточный намагниченность, присутствующая в сердечнике, будет равна предыдущему значению, но в точке е будет обратной .

Снова изменение направления тока намагничивания, протекающего через катушку на этот раз в положительном направлении, приведет к тому, что магнитный поток достигнет нуля, точка f на кривой, и, как и прежде, дальнейшее увеличение тока намагничивания в положительном направлении приведет к насыщению сердечника в точке а .

Затем кривая B-H следует по пути a-b-c-d-e-f-a, когда ток намагничивания, протекающий через катушку, чередуется между положительным и отрицательным значением, таким как цикл переменного напряжения. Этот путь называется магнитной петлей гистерезиса.

Эффект магнитного гистерезиса показывает, что процесс намагничивания ферромагнитного сердечника и, следовательно, плотность потока зависят от того, на какую часть кривой намагничивается ферромагнитный сердечник, поскольку это зависит от прошлых цепей, придающих сердечнику форму «памяти». Тогда ферромагнитные материалы имеют память, потому что они остаются намагниченными после того, как внешнее магнитное поле было удалено.

Однако мягкие ферромагнитные материалы, такие как железная или кремниевая сталь, имеют очень узкие петли магнитного гистерезиса, что приводит к очень небольшим количествам остаточного магнетизма, что делает их идеальными для использования в реле, соленоидах и трансформаторах, поскольку они могут легко намагничиваться и размагничиваться.

Поскольку для преодоления этого остаточного магнетизма необходимо применять коэрцитивную силу, необходимо выполнить работу по замыканию петли гистерезиса, чтобы используемая энергия рассеивалась в виде тепла в магнитном материале. Это тепло известно как потеря гистерезиса, величина потери зависит от значения материала коэрцитивной силы.

Добавляя добавки к металлическому железу, такие как кремний, можно получить материалы с очень малой коэрцитивной силой, которые имеют очень узкую петлю гистерезиса. Материалы с узкими петлями гистерезиса легко намагничиваются и размагничиваются и известны как магнитомягкие материалы.

Магнитные петли гистерезиса для мягких и твердых материалов

Магнитный гистерезис приводит к рассеиванию потраченной энергии в виде тепла, причем энергия теряется пропорционально площади петли магнитного гистерезиса. Потери гистерезиса всегда будут проблемой в трансформаторах переменного тока, где ток постоянно меняет направление, и, таким образом, магнитные полюсы в сердечнике будут вызывать потери, потому что они постоянно меняют направление.

Вращающиеся катушки в машинах постоянного тока также будут нести гистерезисные потери, поскольку они попеременно проходят севернее южных магнитных полюсов. Как указывалось ранее, форма петли гистерезиса зависит от природы используемого железа или стали, и в случае железа, которое подвергается массивным изменениям магнетизма, например, сердечники трансформатора, важно, чтобы петля гистерезиса B-H была как можно меньше.

В следующей статье об электромагнетизме мы рассмотрим закон электромагнитной индукции Фарадея и увидим, что, перемещая проводной проводник в стационарном магнитном поле, можно вызвать электрический ток в проводнике, образующий простой генератор.

meanders.ru

Что такое петля гистерезиса? — Вольтик.ру

Биологические и физические системы способны мгновенно откликаться на приложенное к ним воздействие. Если рассмотреть это явление на временной оси координат, то становится заметно, что отклик зависит от предыстории системы и ее текущего состояния. График, который наглядно демонстрирует это свойство систем, получил название петли гистерезиса, которая отличается остроугольной формой.

Оригинальная форма петли обусловлена эффектом насыщения и неравномерностью траектории между соседними расстояниями. Эффект гистерезиса имеет кардинальные отличия от инерционности, с которой его часто путают, забывая о том, что монотонное сопротивление существенно отличается от мгновенного сопротивления на воздействие.

Петля гистерезиса является циклом, в ходе которого часть свойств системы используются независимо от воздействий, а часть – отправляется на повторную проверку.

В физике наиболее часто системы сталкиваются со следующими видами гистерезиса:

• Магнитный – отражает зависимость между векторами напряжения магнитного поля и намагничивания в веществе. Это явление объясняет существование постоянных магнитов.
• Сепнгетоэлектрический – зависимость между поляризацией сегнетоэлектриков и изменения внешнего электрического поля.
• Упругий – зависимость деформации упругих материалов от воздействия высоких давлений. Это явление лежит в основе великолепных механических характеристик изделий из кованого метала.

Упругий гистерезис встречается двух основных видов – статический и динамический. В первом случае петля будет равномерной, во втором – постоянно меняющейся.

В электротехнике широко применяются устройства, в основе которых лежат магнитные взаимодействия. Наиболее распространение получили магнитные носители данных. Понимание гистерезиса необходимо для подавления в них шумов, таких как быстрые колебания или дребезжание контактов.

В большинстве электронных приборов наблюдается явление теплового гистерезиса. В процессе работы устройства нагреваются, а после охлаждения ряд характеристик уже не могут принять первоначальные явления.

Так, в процессе нагрева происходит расширение микросхем и печатных плат, полупроводниковых кристаллов. В результате развивается механическое напряжение, воздействие которого на элементы системы сохраняется после остывания. Особенно ярко тепловой гистерезис проявляется в высокоточных источниках опорного напряжения.

voltiq.ru

Гистерезиз и его магнитная петля

Явление остаточного магнетизма достаточно изучено и понятно. Любой металлический сердечник после определённого времени нахождения в электромагнитном поле сохраняет однонаправленные магнитные свойства. Для того чтобы его перемагнитить, требуется его помещение в магнитное поле обратной направленности. Тут возникает достаточно интересное явление – магнитная индукция не успевает изменяться в момент изменения магнитного потока, для этого требуется некоторый период времени. Именно это явление получило название гистерезиса. Для объяснения этого понятия и термина «петля гистерезиса» придётся уточнить некоторые базисные понятия, связанные с магнитными свойствами.

Графическое отображение петли гистерезиса

Вещества и их магнитные свойства

Вещества, обладающие естественными магнитными свойствами, называют ферромагнетиками. Обычно они используются как постоянные магниты, по составу обычно это металлы, но встречаются и ферримагнитные составы, состоящие из неметаллических элементов. Нужно отметить, что естественная намагниченность существует только при определённом диапазоне температур. По достижении температуры, так называемой точки Кюри, все магнитные свойства элемента теряются. Точка Кюри для разных минералов и веществ отличается.

Природный магнетизм этих веществ изучен и с древних времён поставлен на службу человечеству. Например, всем известен магнитный компас или неодимовые магниты. Основной характеризующий признак этих элементов – это способность создавать собственное магнитное поле, без влияния любого рода извне. Присутствие в составе атомов этих минералов и их смесей некомпенсированных спиновых магнитных моментов служит основной причиной возникновения такого явления, как ферромагнетизм. Обмен при взаимодействии электронов элемента при строго определённом отношении диаметра орбиты атома и его оболочки, при положительной величине интеграла энергии приводит к параллельной ориентации спинов. Ориентация спинов такого рода обеспечивает значение минимальной суммы энергии обменно-магнитного взаимодействия. Нужно отметить что вещества, обладающие обратными характеристиками, обычно называют антиферромагнетиками – это такие металлы, как марганец и хром.

При таком распределении возникают однонаправленные области естественной намагниченности – домены, при включении их в замкнутую сеть достигается наибольшая эффективность действия общего магнитного поля. Но при различной направленности в рядом расположенных доменах между ними появляются пограничные слои, в которых вектор намагниченности постепенно поворачивается в сторону направления вектора следующего домена.

В качестве наиболее простого примера можно взять железо. Кристалл этого металла наиболее легко намагничивается в направлении рёбер, грани обладают средним коэффициентом намагниченности, в то время как точкой наиболее сложной поддающейся намагничиванию является пересечение диагоналей кристалла. В отсутствии магнитного поля кристалл железа размагничен, но при воздействии на него внешнего поля он генерирует собственное. При этом на рост доменов влияет как направление поля, так и сама структура кристалла. Преодоление дефектов структуры и вызывает скачкообразный прирост собственного магнитного поля. В результате такого нарастания появляются импульсы напряжения, вектора которых при увеличении силы внешнего поля поворачиваются в его сторону, до полного совпадения по направлению с ним.

Магнитные вещества по своим характеристикам делятся на:

• магнитомягкие;
• магнитотвердые.

Магнитомягкие вещества обладают значительной коэрцитивной силой, за счёт чего их насыщение производится сравнительно быстро и при малых затратах энергии. Твёрдые вещества обладают малыми магнетическими способностями, но в то же время успешно работают при больших потерях энергии.

Магнитное поле железа

Гистерезис и его петля

Это идеальная область полного насыщения ферромагнетика, при спаде поля в ферромагнетике останется остаточное намагничивание. Сам магнитный гистерезис – это отставание намагниченности элемента в зоне действия магнитного поля от воздействия внешнего источника поля. Фактически домены элемента, включаясь в замкнутую магнитную сеть, уменьшают рассеивание, точнее объем занимаемый его полем, и урезают собственную свободную энергию системы.

Гистерезис определяется как разность величины насыщения поля элемента-ферромагнетика и намагниченности замыкающих участков цепи-доменов. Для размагничивания используется отрицательное поле – коэрцитивная сила, при её приложении и достижении ферромагнетиком полного технического насыщения происходит процесс его полного размагничивания. Тут  появляется такое понятие, как петля гистерезиса.

Если выводить этот процесс в виде графика, то видно, что кривая намагниченности замыкается, образуя остроугольную замкнутую петлю, – это и есть предельная петля. По её объёму можно узнать затраты энергии на размагничивание, так как она пропорциональна им. Площадь петли гистерезиса – знаковый объект, он используется для определения параметров магнитного поля и самой системы в целом.

Бортовой самописец

Использование явления гистерезиса

Одним из основных направлений использования ферромагнитных элементов является создание записывающих устройств. Для примера можно привести металлическую проволоку в бортовых самописцах водного и воздушного транспорта, ферритовые кольца оперативной памяти и триггеры Шмидта, а также другие магнитные носители.

На этой основе работают электромоторы, устройства шумо-, и помехоподавления, в том числе предназначенные для коммутации логических схем.

Магнитный гистерезис, точнее его действие, активно используется в научных исследованиях, в том числе для управления некоторым оборудованием. Использование графического изображения петель гистерезиса в основе своей применятся для упрощения расчётов характеристик магнитных полей и параметров систем.

Триггер Шмидта

Видео

Оцените статью:

elquanta.ru

Петля гистерезиса, теория и примеры задач

Основные понятия гистерезиса. Петля гистерезиса

Важное свойство сегнетоэлектриков обнаруживается при изучении зависимости электрического смещения (D) от напряженности поля (E). Смещение является не прямо пропорциональным полю. Диэлектрическая проницаемость вещества () зависит от напряженности поля. Кроме того, величина диэлектрического смещения зависит не только от значения напряженности электрического поля в настоящий момент, но и от предыстории состояний поляризации. Это явление носит название диэлектрического гистерезиса. Зависимость смещения D от напряженности поля E для сегнетоэлектриков графически изображается петлей гистерезиса (рис.1).

Между обкладками плоского конденсатора поместим сегнетоэлектрик. Будем изменять напряженность (E) внешнего электрического поля по гармоническому закону. При этом станем проводить измерение диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика (). При этом используется схема, которая состоит из двух конденсаторов, соединенных последовательно. К крайним клеммам конденсаторов присоединен генератор, который создает разность потенциалов, которая изменяется по гармоническому закону. Один из имеющихся конденсаторов заполнен сегнетоэлектриком (его емкость обозначим C), в другом диэлектрик отсутствует (). Считаем, что площади обкладок конденсаторов равны, расстояния между обкладками – d. Тогда напряженности полей конденсаторов:

   

тогда разности потенциалов между обкладками соответствующих конденсаторов:

   

где – плотность заряда на пластинах конденсатора. Тогда отношение равно:

   

Если напряжение U подают на горизонтальную развертку осциллографа, а напряжение на вертикальную развертку, то на экране осциллографа отобразится, при изменении E, кривая, абсцисса точек которой в некотором масштабе равна , а ордината – . Данная кривая будет петлей гистерезиса (рис.1).

Рис. 1

Стрелки на представленной кривой указывают направления изменения напряженности поля. Отрезок ОВ – отображает величину остаточной поляризации сегнетоэлектрика. Это поляризация диэлектрика при внешнем поле равном нулю. Чем больше отрезок ОВ, тем больше остаточная поляризация. Отрезок ОС отображает величину напряженности, противоположного направления к вектору поляризации, при которой сегнетоэлектрик полностью деполяризован (остаточная поляризация равна нулю). Чем больше длина отрезка ОС, тем лучше остаточную поляризацию удерживает сегнетоэлектрик.

Петлю гистерезиса можно получить, если производить перемагничивание ферромагнетика в периодическом магнитном поле. Кивая зависимости магнитной индукции магнетика от напряженности внешнего магнитного поля (B(H)) будет иметь вид аналогичный рис.1. Демонстрация петли гистерезиса для ферромагнетиков проводится по выше описанной схеме, но при замене конденсаторов на катушки.

Примеры решения задач

ru.solverbook.com

Петля Гистерезиса

Петля гистерезиса. При циклическом изменении напряженности постоянного магнитного поля от 0 до +Н, от +Н до –Н и снова от –Н до +Н кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой – петли гистерезиса. Для слабых полей петля имеет вид эллипса. При увеличении значения напряженности магнитного поля Н получают серию заключенных одна в другую петель гистерезиса. Когда все векторы намагниченности доменов сориентируются вдоль направления поля, процесс намагничивания закончится состоянием технического насыщения намагниченности материала. Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения намагничивания, называют предельной петлей гистерезиса. Она характеризуется максимально достигнутым значением индукции Bs, называется индукцией насыщения. При уменьшении напряженности магнитного поля от +Н до 0 магнитная индукция сохраняет остаточную индукцию Вс. Чтобы получить остаточную магнитную индукцию, равную 0, необходимо приложить противоположно направленное размагничивающее поле определенной напряженности -Нс. Отрицательная напряженность магнитного поля -Нс называется коэрцитивной силой материала. При достижении напряженности магнитного поля значения –Н, а затем 0 вновь возникает остаточная индукция –Вс. Если повысить напряженность магнитного поля до +Нс, то остаточная магнитная индукция Вс будет равна 0. Площадь гистерезисных петель в промежуточных и предельных состояниях характеризует рассеивание электрической энергии в процессе перемагничивания материала, т.е. потери на гистерезис. Площадь гистерезисной петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты перемагничивания. По предельной петле гистерезиса определяют такие характеристики магнитных материалов, как индукцию насыщения Bs, остаточную индукцию Вс, коэрцитивную силу Нс.

Кривая намагничивания

Кривая намагничивания. Это важнейшая характеристика магнитных материалов, она показывает зависимость намагниченности или магнитной индукции материала от напряженности внешнего поля Н. Магнитная индукция материала Bi измеряется в теслах (Тл) и связана с намагниченностью . Основная (коммутационная) кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании и отражает изменение магнитной индукции В в зависимости от напряженности магнитного поля Н, которое создается в материале при намагничивании. Напряженность магнитного поля в образце в виде тороида, когда магнитная цепь замкнута, равна напряженности внешнего поля Нв. В разомкнутой магнитной цепи на концах образца появляются магнитные полюса, создающие размагничивающее поле Нр. Разница между магнитными напряженностями внешнего и размагничивающего полей определяют внутреннюю магнитную напряженность Hi материала. Основная кривая намагничивания имеет ряд характерных участков, которые можно условно выделить при намагничивании монокристалла ферромагнетика. Первый участок кривой намагничивания соответствует процессу смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. На втором участке происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля. Третий участок соответствует парапроцессу, т.е. завершающему этапу процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия не сориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика.

studfiles.net

3.2. Кривая намагничивания и петля гистерезиса

кривая намагничивания и петля гистерезиса показывают процесс изменения намагниченности ферромагнетиков. Кривая намагничивания (рис. 11) представляет собой графическое изображение зависимости (25)

Рис. 11. Кривая намагничивания и петля гистерезиса

схема снятия кривой намагничивания ферромагнитного стержня, помещенного в соленоид, по обмотке которого протекает электрический ток I, приведена на рис. 12, а. значение тока можно изменять реостатом R. Соленоид создает направленное по оси стержня поле в соответствии с формулой (15).

В начальный момент цепь тока I разомкнута, напряженность Н и намагниченность М стержня равны нулю, домены ориентированы произвольно и магнитный момент При замыкании цепи и постепенном увеличении тока от нуля растет напряженность Н. Границы между доменами перемещаются так, что объем доменов с ориентацией магнитных моментов по намагничивающему полю Н растет за счет доменов других направлений. Магнитная индукция в стержне формируется как сумма намагниченности М, т. е. индукции, создаваемой доменами, и напряженности внешнего магнитного поля (см. формулу (24)). зависимости μ₀Н, μ₀М и В = μ_аН изображены на рис. 12, б. Кривая М(Н) показывает, что намагниченность стержня вначале быстро увеличивается, а затем ее значение снижается до μ₀М_m – предельного. Составляющая μ₀Н изменяется пропорционально напряженности внешнего магнитного поля Н. Складывая ординаты кривых μ₀Н и μ₀М, получаем зависимость, изображаемую кривой

а б

Рис. 12. Схема снятия кривой намагничивания и петли гистерезиса (а) и

зависимость магнитной индукции В и намагниченности М

от намагничивающего поля Н (б)

(см. рис. 12, б), называемойкривой первоначального намагничивания (КПН).

Кривая B =(см. рис. 12, б) нелинейна и может быть условно разделена на пять участков. Участок 1 соответствует упругому смещению границ между доменами. На участке 2 (область Релея) ориентация доменов в направлении внешнего поля скачкообразно изменяется и намагниченность ферромагнетика увеличивается. Участок 3 показывает необратимые смещения границ между доменами. Здесь магнитная проницаемость достигает максимального значения μ_max. В пределах участка 4 домены вырастают до максимально возможных размеров, и большинство атомных магнитных моментов во всем стержне оказывается выстроенным вдоль внешнего поля. Резервы роста внутреннего поля М за счет доменов исчерпаны, материал достигает состояния намагниченности насыщения М_s или технического насыщения, характеризуемого индукцией В_m и напряженностью Н_m. Увеличение Н > H_m на участке 5 уже не приводит к увеличению внутреннего поля М, индукция В возрастает только за счет увеличения Н. Здесь КПН становится линейной,

И

Рис. 13. зависимости μ и μ_диф от H

з-за нелинейного характера КПН(_а(Н)const)выделяют начальную и максимальную магнитную проницаемость (рис. 13), которая определяется как тангенс углов наклона касательных к кривой намагничивания в точках Н = 0 и Н = Н_m:;.

Используют также понятие дифференциальной магнитной проницаемости: (см. рис. 13).

Если напряженность Н уменьшать, поле В в стержне будет также уменьшаться, но не «вдоль» той кривой, по которой оно нарастало (см. рис. 11). Это явление называется магнитным гистерезисом (уменьшение В «запаздывает»). При Н = 0 индукция В в стержне не становится равной нулю, а принимает положительное значение В_r. Это значение индукции, которая «остается» в материале. Остаточной индукцией В_r(см. рис. 11) называют индукцию, которая остается в предварительно намагниченном до насыщения ферромагнетике после снятия намагничивающего поля. Если значение индукции велико, то материал может быть хорошим постоянныммагнитом. Чтобы размагнитить стержень, т. е. уменьшить В_r до нуля, необходимо изменить знак и увеличивать внешнее поле Н в обратном направлении до значения коэрцитивной силы Н_с, т. е. удерживающей намагниченность (см. рис. 11). Коэрцитивной силой Н_с называют величину размагничивающего поля, которое должно быть приложено, чтобы установить значение индукции в ферромагнетике, равное нулю.

Когда воздействующее поле совершает полный цикл изменения (от +Н_m до 0 и далее до –Н_m, а затем в обратную сторону до 0 и далее до +Н_m), магнитная индукция В изменяется по симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса. При совершении нескольких таких циклов перемагничивания петля принимает окончательную неизменяемую форму и называется предельной. Существуют также частные петли гистерезиса, получаемые при меньших, чем Н_m, значениях предельной напряженности поля. При несимметричном относительно нуля изменении значений напряженности поля, обычно в небольших пределах, но с сохранением знака, формируются несимметричные частные циклы.

Если время установления напряженности поля соизмеримо с временем перемагничивания материала, то определяемые в этом режиме характеристики называют динамическими. Основным влияющим фактором при этом являются вихревые токи. Они создают магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю, уменьшающему магнитную индукцию. При увеличении частоты вихревые токи возрастают и кривая намагничивания снижается. Вихревые токи вызывают тепловые потери, что приводит к расширению петли гистерезиса. В связи с этим различаютстатическуюидинамическую петли гистерезиса. Статическую получают при очень медленном изменении Н, при котором допустимо пренебречь действием вихревых токов.при перемагничивании ферромагнетиков переменным полем Н, когда влияние вихревых токов становится значительным, получают динамическую петлю. Она может быть представлена как геометрическое место вершин частных динамических петель гистерезиса. Отношение индукции и напряженности по этой кривой называютдинамической магнитной проницаемостью_дин.

Значения дифференциальной магнитной проницаемости _d, получаемые по восходящей и нисходящей петлям гистерезиса, отличаются друг от друга.

Необходимо подчеркнуть, что отмеченные четыре параметра – остаточная индукция В_r, коэрцитивная сила Н_с, относительная магнитная проницаемость_ни_max– являются основными, по ним производят анализ и выбор магнитных материалов для решения различных задач, в том числе и дефектоскопических. Их значения приводятся в справочниках по магнитным материалам.

Ч

Рис. 14. Петли гистерезиса магнитомягких и

магнитотвердых материалов

ем выше намагниченность материала при данном значении напряженности внешнего поля, тем выше его относительная проницаемость и индукция поля внутри материала. Проницаемость_начхарактеризует свойства материала в слабых магнитных полях. Если материал имеет узкую петлю (), более высокие значения_нач, то его относят к магнитомягким материалам (МММ) (рис. 14). Это незакаленные малоуглеродистые электротехнические стали и пермаллои – предельно магнитомягкие (Н_с1 А/м), преимущественно железоникелевые сплавы.

По значению Н_собычно судят о принадлежности ферромагнетиков к магнитотвердым материалам (Н_с10³А/м) (МТМ). Ширина петли магнитотвердых сталей в десятки, сотни раз превышает ширину петли гистерезиса магнитомягких. К ним относят закаленные высокоуглеродистые (инструментальные) легированные конструкционные стали, ферриты, а также сплавы для постоянных магнитов.

На подвижном составе железных дорог к магнитомягким материалам относят стали для изготовления ударно-тяговых механизмов, рам тележек, колесных пар и др., к магнитотвердым – стали роликов, внутренних и наружных колец буксовых подшипников, шарикоподшипниковые стали (ШХ9, ШХ15С и др.), рельсовые стали.

studfiles.net