Как сделать петлю гистерезиса

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 05.10.2024

В физике это свойство систем представлено тремя основными разновидностями: магнитным, сегнетоэлектрическим и упругим гистерезисом.
Магнитный гистерезис – явление, которое отражает зависимость вектора напряженности магнитного поля и вектора намагничивания в веществе. Причем как от приложенного внешнего поля, так и от предыстории конкретного образца. Существование постоянных магнитов обуславливается именно этим явлением.

Модель петли представляет собой определенный цикл, который некоторые свойства отправляет на повторную проверку и согласование, а некоторые использует дальше. Избирательный характер зависит от свойств конкретной системы.

Сегнетоэлектрический гистерезис – изменяющаяся зависимость поляризации сегнетоэлектриков от циклического изменения внешнего электрического поля.

Упругий гистерезис – поведение упругих материалов, способных сохранять и утрачивать деформацию под воздействием больших давлений. Это явление обуславливает анизотропию механических характеристик и высокие механические качества кованных изделий.

ГИСТЕРЕ́ЗИС

ГИСТЕРЕ́ЗИС (от греч. ὑστέρησις – отставание, запаздывание), запаздывание изменения физич. величины, характеризующей состояние вещества, от изменения др. физич. величины, определяющей внешние условия. Г. имеет место в тех случаях, когда состояние тела в данный момент времени определяется внешними условиями не только в тот же, но и в предшествующие моменты времени. В результате для циклич. процесса (рост и уменьшение внешнего воздействия) получается петлеобразная (неоднозначная) диаграмма, которая называется петлёй гистерезиса. Возникает Г. в разл. веществах и при разных физич. процессах. Наибольший интерес представляют магнитный, сегнетоэлектрический и упругий гистерезис.

Магнитный Г. – неоднозначная зависимость намагниченности $\boldsymbol M$ магнитоупорядоченного вещества (магнетика, напр., ферро- или ферримагнетика) от внешнего магнитного поля $\boldsymbol H$ при его циклич. изменении (увеличении и уменьшении). Причиной существования магнитного Г. является наличие в определённом интервале изменения $\boldsymbol H$ среди состояний магнетика, отвечающих минимуму термодинамич. потенциала, метастабильных состояний (наряду со стабильными) и необратимых переходов между ними. Магнитный Г. можно также рассматривать как проявление магнитных ориентационных фазовых переходов 1-го рода, для которых прямой и обратный переходы между фазами в зависимости от $\boldsymbol H$ происходят, в силу указанной метастабильности состояний, при разл. значениях $\boldsymbol H$.

Рис. 1. Петли магнитного гистерезиса:1 – максимальная, 2 – частная; а – кривая намагничивания, б и в – кривые перемагничивания; МR – остаточная намагниченность, Нс – коэрцитивная сила, Ms – намагничен…

На рис. 1 схематически показана типичная зависимость $M$ от $H$ в ферромагнетике; из состояния $M=0$ при $H=0$ с увеличением $H$ значение $M$ растёт (осн. кривая намагничивания, $\it а$) и в достаточно сильном поле $H⩾H_$ $M$ становится практически постоянной и равной намагниченности насыщения $M_$. При уменьшении $H$ от значения $H_$ намагниченность изменяется вдоль ветви $\it б$ и при $H=0$ принимает значение $M=M_$ (остаточная намагниченность). Для размагничивания вещества ($M=0$) необходимо приложить обратное поле $H= –H_$, называемое коэрцитивной силой. Далее при $H=–H_$ образец намагничивается до насыщения ($M=–M_$) в обратном направлении. При изменении $H$ от $–H_$ до $+H_$ намагниченность изменяется вдоль кривой $\it в$. Ветви $\it б$ и $\it в$, получающиеся при изменении $H$ от $+H_$ до $–H_$ и обратно, образуют замкнутую кривую, называемую максимальной (или предельной) петлёй Г. Ветви $\it б$ и $\it в$ называются, соответственно, нисходящей и восходящей ветвями петли Г. При изменении $H$ на отрезке $[–H_1, H_1]$ с $H_1$ зависимость $M(H)$ описывается замкнутой кривой (частной петлёй Г.), целиком лежащей внутри макс. петли гистерезиса.

Описанные петли Г. характерны для достаточно медленных (квазистатических) процессов перемагничивания. Отставание $M$ от $H$ при намагничивании и размагничивании приводит к тому, что энергия, приобретаемая магнетиком при намагничивании, не полностью отдаётся при paзмагничивании. Теряемая за один цикл энергия определяется площадью петли Г. Эти потери энергии называются гистерезисными. При динамич. перемагничивании образца переменным магнитным полем $\boldsymbol H_$ петля Г. оказывается шире статической вследствие того, что к квазиравновесным гистерезисным потерям добавляются динамические, которые могут быть связаны с вихревыми токами (в проводниках) и релаксационными явлениями.

Форма петли Г. и наиболее важные характеристики магнитного Г. (гистерезисные потери, $H_с$, $M_$ и др.) зависят от химич. состава вещества, его структурного состояния и темп-ры, от характера и распределения дефектов в образце, а следовательно, от технологии его пригoтовления и последующих физич. обработок (тепловой, механич., термомагнитной и др.). С магнитным Г. связано гистерезисное поведение целого ряда др. физич. свойств, напр. Г. магнитострикции, Г. гальваномагнитных и магнитооптич. явлений и т. д.

Сегнетоэлектрический Г. – неоднозначная зависимость величины вектора электрич. поляризации $\boldsymbol P$ сегнетоэлектриков от напряжённости $\boldsymbol E$ внешнего электрич. поля при циклич. изменении последнего. Сегнетоэлектрики обладают в определённом температурном интервале спонтанной (т. е. самопроизвольной, возникающей в отсутствие внешнего поля) поляризацией $\boldsymbol P_$. Направление поляризации может быть изменено электрич. полем, при этом значение $\boldsymbol P$ при данном $\boldsymbol E$ зависит от предыстории, т. е. от того, каким было электрич. поле в предшествующие моменты времени. Сегнетоэлектрич. Г. имеет вид характерной петли (петля Г.), осн. параметрами которой являются остаточная поляризация $\boldsymbol P_$ при $\boldsymbol E=0$ и коэрцитивное поле $\boldsymbol E_к$, при котором происходит изменение направления (переключение) вектора $\boldsymbol P_$. Для совершенных монокристаллов петля Г. имеет форму, близкую к прямоугольной, и $\boldsymbol P_=\boldsymbol P_$. В реальных кристаллах остаточная поляризация меньше спонтанной из-за разбиения кристалла на домены.

Существование сегнетоэлектрич. Г. следует из феноменологич. теории сегнетоэлектрич. явлений, в соответствии с которой равновесным значениям $\boldsymbol P_$ при любой темп-ре ниже темп-ры сегнетоэлектрич. фазового перехода отвечают два симметричных минимума термодинамич. потенциала, разделённые потенциальным барьером. При $E=±E_к$ один из минимумов исчезает, и кристалл оказывается в состоянии с определённым направлением вектора $\boldsymbol P_$. При циклич. переключении спонтанной поляризации площадь петли Г. определяет гистерезисные потери – количество энергии электрич. поля, переходящей в теплоту. Величина коэрцитивного поля связана также с процессами зарождения и эволюции в электрич. поле сегнетоэлектрич. доменов – областей кристалла с выделенным электрич. полем направлением вектора спонтанной поляризации.

Рис. 2. Петля упругого гистерезиса.

Упругий Г. – неоднозначная зависимость механического напряжения от деформации упругого тела при циклич. приложении и снятии нагрузки. График зависимости напряжения $σ$ от деформации $ε$ отличается от отрезка прямой линии, соответствующей закону Гука, и представляет собой петлю Г. (рис. 2). Площадь этой петли пропорциональна механической энергии, которая рассеялась (превратилась в теплоту) во время цикла.

Появление упругого Г. в металлах связано с тем, что в некоторых зёрнах поликристалла микронапряжения существенно превышают ср. напряжения в образце, что приводит к появлению пластич. деформаций и тем самым к рассеянию механич. энергии. В некоторых случаях вклад в упругий Г. дают электромагнитные явления.

Упругий Г. как проявление отличия реального упругого тела от идеально упругого наблюдается у всех твёрдых тел, даже при весьма низких темп-рах. Упругий Г. является причиной затухания свободных колебаний упругих тел, затухания в них звука, уменьшения коэф. восстановления при неупругом ударе и др. В общем случае отклонение упругости от идеальной включается в понятие внутреннего трения.

Гистерезис в электронике

В электротехнике и электронике свойством гистерезиса пользуются устройства, которые используют различные магнитные взаимодействия. Например, магнитные носители информации или триггер Шмитта.

Это свойство необходимо знать, чтобы использовать его для подавления шумов в момент переключения определенных логических сигналов (дребезга контактов, быстрых колебаний).

Упругий гистерезис бывает двух видов: динамический и статический. В первом случае график будет изображать постоянно изменяющуюся петлю, во втором – равномерную.

Во всех приборах электронного типа наблюдается тепловой гистерезис. После того как прибор был нагрет, а затем охлажден, его характеристики не принимают прежнего значения.
Это происходит из-за того, что неодинаковое тепловое расширение корпусов микросхем, кристаллодержателей, печатных плат и кристаллов полупроводников вызывает механическое напряжение, сохраняющееся и после охлаждения.

Наиболее заметно это явление в прецизионных источниках опорного напряжения, которые используются в измерительных преобразователях.

Петля гистерезиса

На графике зависимости М от Н можно видеть:

Из нулевого состояния, при котором М=0 и Н=0, с увеличением Н растет и М.
Когда поле увеличивается, то намагниченность становится практически постоянной и равна значению насыщения.
При уменьшении Н происходит обратное изменение, но вот когда Н=0, намагниченность М не будет равна нулю. Это изменение можно видеть по кривой размагничивания. И когда Н=0, М принимает значение, равное остаточной намагниченности.
При увеличении Н в интервале -Нт… +Нт происходит изменение намагниченности вдоль третьей кривой.
Все три кривые, описывающие процессы, соединяются и образуют своеобразную петлю. Она-то и описывает явление гистерезиса — процессы намагничивания и размагничивания.

Физический процесс при гистерезисе

Чтобы подробно понять процесс гистерезиса

, необходимо досконально изучить следующие понятия:

Что касается материалов, в которых лучше всего наблюдается эффект гистерезиса, то таковыми являются именно ферромагнетики. Это смесь химических элементов, которая способна намагничиваться за счет направленности магнитных диполей, поэтому обычно в составе имеются такие металлы, как:

железо;
кобальт;
никель;
соединения на их основе.

Чтобы увидеть гистерезис

, на катушку с сердечником из ферромагнетика необходимо подать переменное напряжение. При этом от величины его график намагничивания сильно зависеть не будет, потому как эффект зависит напрямую от свойства самого материала и величины магнитной связи между элементами вещества.

Основополагающим моментом при рассмотрении понятия гистерезиса в электронике является как раз магнитная индукция В, созданная вокруг катушки при подаче напряжения. Она определяется по стандартной формуле, как произведение магнитной диэлектрической проницаемости вещества к сумме напряженности и намагниченности поля.

Чтобы понять общий принцип эффекта гистерезиса, необходимо воспользоваться графиком

. На нем видна петля намагничивания из состояния полной размагниченности. Участок можно обозначить цифрами 0-1. При достаточной величине напряжения и длительности воздействия магнитного поля на материал график доходит до крайней своей точки по указанной траектории. Процесс осуществляется не по прямой, а по кривой с определенным изгибом, который характеризует свойства материала. Чем больше в веществе магнитных связей между молекулами, тем быстрее он выходит в насыщение.

После снятия напряжения с катушки напряженность магнитного поля падает до нуля. Это участок на графике 1-2. При этом материал за счет направленности магнитных моментов остается намагниченным. Но величина намагниченности несколько ниже, чем при насыщении. Если такой эффект наблюдается в веществе, то оно относится к ферромагнетикам, способным накапливать в себе магнитное поле за счет сильных магнитных связей между молекулами вещества.

Со сменой полярности напряжения, подводимого к катушке, процесс размагничивания продолжается по той же кривой до состояния насыщения

. Только в этом случае магнитные моменты диполей будут направлены в обратную сторону. С частотой сети процесс будет периодически повторяться, описывая график, получивший название – петля магнитного гистерезиса.

При многократном намагничивании ферромагнетика меньшей, чем при насыщении напряженностью, то можно получить семейство кривых, из которых можно построить общий график, характеризующий состояние вещества от полного размагниченного до полного намагниченного.

Гистерезис – это комплексное понятие

, характеризующее способность вещества накапливать энергию магнитного поля или другой величины за счет имеющихся магнитных связей между молекулами вещества или особенностей работы системы. Но таким эффектом могут обладать не только сплавы железа, кобальта и никеля. Титанат бария даст несколько иной результат, если его поместить в поле с определенной напряженностью.

Так как он является сегнетоэлектриком, то в нем наблюдается диэлектрический гистерезис. Обратная петля гистерезиса образуется при противоположной полярности подводимого к среде напряжения, а величина противоположного поля, действующего на материал, получило название коэрцитивная сила.

При этом величина поля может предшествовать разным напряженностям, что связано с особенностями фактического состояния диполей – магнитных моментов после прошлого намагничивания. Также на процесс влияют различные примеси

, содержащиеся в составе материала. Чем их больше, тем труднее сдвинуть стенки диполей, поэтому остается так называемая остаточная намагниченность.

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.

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.

Магнитный гистерезис - обычное явление, если магнитный материал намагничен и завершает один полный цикл намагничивания. Когда плотность магнитного потока или плотность намагничивания (B) наносится на график зависимости от магнитной напряженности намагничивающего поля (H) для одного полного цикла намагничивания и размагничивания, то полученная в результате петля называется петлей гистерезиса. Кривая петли гистерезиса может быть разной по форме и размеру в зависимости от природы материала.

Гистерезис Значение

Кривая гистерезиса

Петля гистерезиса, изображающая один полный цикл намагничивания и размагничивания

Петля гистерезиса с разными параметрами

Петля гистерезиса с разными параметрами
Изображение Фото: Craxd1, Кривая и петля BH, CC BY-SA 3.0

Объяснение кривой гистерезиса

Область, ограниченная петлей, представляет собой потерю энергии во время полного цикла намагничивания и размагничивания.

Проницаемость свободного пространства

Проницаемость свободного пространства, μ_o, является постоянным параметром, представленным точным значением 4π x 10 -7 Н / м используется для воздуха. Эта постоянная μ_o появляется в уравнениях Максвелла, которые описывают и связывают электрические и магнитные поля вместе со свойствами электромагнитного излучения, т. е. помогают связывать и определять такие величины, как проницаемость, плотность намагниченности, напряженность магнитного поля и т. д.

Магнитный гистерезис подробно обсуждался в этой статье. но в дополнение к этому, нам нужно прояснить некоторые концепции, связанные с намагничиванием, такие как проницаемость, удерживающая способность в свободном пространстве и в другой среде.

Интенсивность намагничивания

Магнитный материал в магнитном поле создает индуцированный дипольный момент в этом материале, и этот момент на единицу объема распознается как интенсивность намагничивания (I) или плотность намагничивания.

где - суммарный индуцированный дипольный момент. Его единица измерения - Am -1

Что такое магнитная интенсивность?

Чтобы намагнитить магнитный материал, необходимо приложить магнитное поле. Отношение этого намагничивающего поля к проницаемости свободного пространства известно как напряженность магнитного поля H.

где , внешнее магнитное поле также называют плотностью магнитного потока.

Единица магнитной напряженности - Ам. -1 такая же, как у интенсивности намагничивания.

Что такое магнитная восприимчивость?

Отношение величины интенсивности намагничивания к величине магнитной напряженности известно как магнитная восприимчивость (). Магнитную восприимчивость можно объяснить как степень легкости, с которой магнитный материал может быть намагничен. Следовательно, материал с более высоким значением магнитной восприимчивости будет легче намагничиваться по сравнению с другими материалами, имеющими меньшее значение магнитной восприимчивости.

= где символы имеют свое обычное значение.

Магнитная восприимчивость - это скалярная величина, не имеющая измерения, следовательно, без единицы измерения.

Что такое магнитная проницаемость?

Магнитная проницаемость - это отношение значения чистого магнитного поля внутри материала к значению магнитной напряженности. Здесь чистое магнитное поле внутри материала является векторным сложением приложенного магнитного поля и магнитного поля для намагничивания этого вещества. Магнитную проницаемость можно просто объяснить как меру степени, в которой намагничивающее поле может проникать (проникать) в данный магнитный материал.

Магнитная проницаемость - это скалярная величина, единица измерения -

Другой термин, связанный с магнитной проницаемостью, - это относительная проницаемость, которую можно определить как отношение проницаемости среды к проницаемости свободного пространства.

Связь между B и H

Общее магнитное поле B, также называемое плотностью потока, представляет собой сумму силовых линий магнитного поля, созданных внутри заданной области. Обозначается символом B.

В качестве магнитной напряженности H, которая прямо пропорциональна внешнему магнитному полю, следовательно, можно утверждать, что напряженность магнитного поля или напряженность магнитного поля H может быть увеличена путем увеличения либо величины тока, либо количества витков катушки, в которой материал сохраняется.

Мы знаем, что B = μH или B = H

μ_r не имеет постоянного значения, а зависит от напряженности поля, поэтому для магнитных материалов отношение плотности потока или общего магнитного поля к напряженности магнитного поля или напряженности магнитного поля известно B / H.

Следовательно, мы получаем нелинейную кривую, когда строим график магнитного потока (B) и магнитной интенсивности (H) по оси X и оси Y соответственно. Но для катушек без материала внутри, то есть магнитный поток не индуцируется внутри какого-либо материала, а индуцируется в вакууме или в случае сердечника из немагнитного материала, такого как дерево, пластик и т. Д.

Кривая BH для разных материалов из 9 ферромагнитных материалов, показывающих насыщение. 1. Листовая сталь, 2. Кремниевая сталь, 3. Литая сталь, 4. Вольфрамовая сталь, 5. Магнитная сталь, 6. Чугун, 7. Никель, 8. Кобальт, 9. Магнетит, Изображение предоставлено - Charles Proteus Steinmetz, Кривые намагничивания, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons

Мы можем наблюдать, что плотность магнитного потока для вышеуказанных материалов, то есть железа и стали, становится постоянной с увеличением величины напряженности магнитного поля, и это известно как насыщение, поскольку плотность магнитного потока насыщается для более высоких значений магнитной напряженности. Когда магнитная напряженность мала и, следовательно, приложенная сила магнетизма мала, выравниваются только несколько атомов в материале. С увеличением магнитной напряженности остальные также легко выравниваются.

Однако с увеличением H, поскольку все больший и больший поток скапливается в одной и той же площади поперечного сечения ферромагнитного материала, очень мало атомов доступно внутри этого материала для выравнивания; поэтому, если мы увеличиваем H, магнитный поток (B) больше не увеличивается и, следовательно, становится насыщенным. Как упоминалось ранее, явление насыщения ограничено электромагнитами с железным сердечником.

Сохраняемость и коэрцитивность в петле гистерезиса

Сохраняемость

Удерживающая способность материала - это мера величины магнитного поля, остающегося в материале, когда внешнее намагничивающее поле удалено. Его также можно определить как способность материала сохранять часть своего магнетизма даже после того, как процесс намагничивания был остановлен. Стабильно зависит от характеристик материалов.

После намагничивания магнитного материала некоторые электроны в атомах остаются выровненными в направлении первоначального направления намагничивающего поля и ведут себя как крошечные магниты со своими собственными дипольными моментами и не возвращаются к полностью случайной структуре, как остальные из них. Из-за этого в материалах остается некоторое магнитное поле или общий магнетизм. Ферромагнитные материалы обладают сравнительно высокой удерживающей способностью по сравнению с другими намагничивающими материалами, что делает их идеальными для создания постоянных магнитов.

Остаточный магнетизм

Остаточный магнетизм - это величина плотности магнитного потока, которая может удерживаться магнитным материалом, и способность удерживать ее известна как удерживающая способность материала.

Коэрцитивная сила

Коэрцитивная сила может быть определена как величина силы намагничивания, необходимая для устранения остаточного магнетизма, удерживаемого материалом.

В следующих разделах мы обсудим типы магнитов, постоянных магнитов и электромагнитов в зависимости от свойств и природы материалов.

Цель работы:Получить на осциллографе петлю гистерезиса ферромагнетика, снять экспериментально основную характеристику намагничивания, рассчитать и построить зависимость относительной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля.

Общие сведения:Все вещества при рассмотрении магнитных свойств принято называть магнетиками, когда они способны под действием магниного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). По своим магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики.

Количественной характеристикой намагниченного состояния вещества служит векторная величина – намагниченность J.

Диамагнетиками называются вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции поля, т.е. магнитные моменты атомов, ионов или молекул в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. К диамагнетикам относятся: инертные газы, молекулярный водород и азот, цинк, медь, золото, висмут, парафин и многие другие органические и не органические соединения.

Парамагнетики – вещества намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля. При внесении парамагнетиков во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается.

Особый класс магентиков образуют вещества, обладающие намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. По своему наиболее распространенному представлению (железо) их называют ферроманетиками. Ферромагнетиками называются твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации или изменения температуры. Ферромагнитные вещества в отличие от слабомагнитных диа – и парамагнетиков являются сильномагнитными средами: внутренние магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее поле. Так как внешнее магнитное поле ориентирует магнитные моменты не отдельных атомов, как в парамагнетике, а целые области спонтанной намагниченности, поэтому с ростом напряженности магнитного поля намагниченность J и магнитная индукция В уже в слабых полях растет довольно быстро до достижения определенной точки в которой наступает магнитное насыщение. Описанный процесс намагничивания ферромагнитного материала во внешнем магнитном поле, более наглядно показывает кривая намагничивания, представляющая собой зависимость магнитной индукции в материале от напряженности магнитного поля (рисунок 5.1). Из рассмотрения этой кривой видно, что магнитная проницаемость с ростом напряженности магнитного поля проходит через максимум.

Рисунок 5.1– Основная кривая индукции и магнитной проницаемости ферромагнитного материала

Кольцевой магнитопровод из ферромагнитного материала не намагничен и тока в витках катушки нет, т.е. В=0 и Н=0 (начало координат на рисунке 5.2). При постепенном увеличении намагничивающего тока, т.е. магнитодвижущая сила МДС, а следовательно, и напряженности поля от нуля до некоторого наибольшего значения магнитная индукция увеличивается по кривой начального намагничивания (0а) и достигает соответствующего максимального значения Ва. Если затем ток и напряженность поля уменьшаются, то и магнитная индукция уменьшается, при соответствующих значениях напряженности магнитная индукция несколько больше, чем при увеличении напряженности. Кривая изменения магнитной индукции (участок аб) располагается выше кривой начального намагничивания. При нулевых значениях тока и напряженности поля магнитная индукция имеет некоторое значение Вr, называемое остаточной индукцией (отрезок 0б на рисунке 5.2).

Таким образом, магнитная индукция в ферромагнитном материале зависит не только от напряженности поля, но и от предшествующего состояния ферромагнетика. Это явление называется гистерезисом. Оно обусловлено как бы внутренним трением, возникающим при изменении ориентации магнитных моментов доменов.

При изменении направления напряженности поля и постепенном увеличении тока обратного направления напряженность поля достигает значения Нс, называемого коэрцитивной силой (отрезок 0в), при котором магнитная индукция В=0. При дальнейшем увеличении тока и напряженности поля магнитопровод намагничивается в противоположном направлении и при напряженности поля Нг= — На магнитная индукция достигнет значения Вг= — Ва. Затем при уменьшении тока и напряженности поля до нуля магнитная индукция Вд становится равной – Вб. Наконец при следующем увеличении напряженности поля до прежнего значения На магнитная индукция увеличится также до прежнего значения Ва. Рассмотренный цикл перемагничивания ферромагнетика по кривой абвгдеа называется гистерезисным циклом (петлей гистерезиса).

Рисунок 5.2 — Петля гистерезиса

Такая симметричная замкнутая петля гистерезиса получается в действительности только после нескольких перемагничиваний. При первых циклах перемагничивания петля несимметричная и незамкнутая. Наибольшая замкнутая петля которая может быть получена для данного ферромагнитного материала, называется предельной.

Периодическое перемагничивание связано с затратой энергии, которая превращаясь в тепло, вызывает нагрев магнитопровода. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной при одном цикле перемагничивания. Эта энергия называется потерями от гистерезиса и выражается в ваттах на килограмм, зависит от материала, максимальной магнитной индукции и числа циклов перемагничивания.

Статьи к прочтению:

Гистерезис

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 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.

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.

Видео

Читайте также: