ПАРАМЕТРИ МАГНІТНИХ МАТЕРІАЛІВ

Фундаментальним параметром магнітного матеріалу є основна крива намагнічування - залежність магнітної індукції В від напруженості магнітного поля Н . Вид цієї залежності визначається властивостями матеріалу, зовнішніми умовами і навіть попереднім магнітним станом середовища. Звичайно криві намагнічування отримують на попередньо розмагнічених зразках (основні криві). Типовий вид основної кривої намагнічування поданий на рис. 5.2. Нелінійний характер поданої залежності припускає, що у виразі (5.1) магнітна проникність речовини є функцією напруженості магнітного поля. Безпосереднє застосування виразу (5.1) для визначення /^ , як відношення В до Н , означає, що магнітна проникність матеріалу є величиною, пропорційною тангенсу нахилу січної, проведеної з початку координат • в аналізовану точку. Таке визначення відповідає статичному режиму виміру залежності В від Н . Магнітна проникність, яка відповідає цьому випадку зветься статичною магнітною проникністю. Визначена в такий спосіб залежність и„,„ від Н має вигляд, також поданий на рис. 5.2.

На початковій стадії намагнічування спостерігається практично лінійна залежність В від Н і, як слідство, сталість магнітної проникності. Цій області відповідає пружний зсув доменних стінок тих доменів, орієнтація магнітного моменту яких близька до напрямку зовнішнього поля. У цьому діапазоні напруженості поля аналізований параметр матеріалу називають початковою магнітною проникністю .

Як випливає з рис. 5.2, при визначеній напруженості прикладеного поля магнітна проникність речовини проходить через явно виражений максимум. Саме в цій області поля відбувається необоротний зсув меж доменів таким чином, щоб результуючий магнітний момент домена відповідав напрямку поля, що намагнічує. Це і знайшло відбиток у максимальній реакції речовини на зовнішнє збудження. При подальшому збільшенні напруженості поля магнітна індукція продовжує наростати за рахунок повороту векторів магнітних моментів уздовж поля, що намагнічує, і досягає свого максимального значенняВу. Останнє явище відбивається в так званому технічному насиченні феромагнетика. (У цьому інтервалі напруженості поля відносна магнітна проникність речовини асимптотичне починає наближатися до одиниці.)

Очевидно, що для різноманітного роду технічних застосувань в описі магнітних властивостей аналізу тільки статичної і початкової магнітної проникності недостатньо. Дійсно для роботи активного магнітного середовища в змінних або імпульсних магнітних полях використовують і інші визначення магнітної проникності. Зокрема, для оцінки ефективності роботи матеріалу на змінному магнітному полі широко застосовується поняття диференційної магнітної проникності. Цей параметр являє собою похідну від магнітної індукції по напруженості магнітного поля в кожній точці основної кривої намагнічування.

Для усіх феромагнетиків характерний магнітний гістерезіс -відставання намагніченості речовини від зовнішнього магнітного поля. Типова картина залежності В{Н) при циклічному намагнічуванні, яка має назву гістерезісу магнітного матеріалу, приведена на рис. 5.3. Магнітний гістерезіс обумовлений необоротними процесами з втратою енергії, що протікають у феромагнетику при перемагнічуванні. З рис. 5.3 випливає,. що при знятті зовнішнього магнітного поля індукція феромагнетика не зменшується до нуля, а приймає цілком визначене, кінцеве значення. Цей параметр петлі гістерезісу зветься залишковою індукцією Ву . Для того щоб розмагнітити матеріал необхідно до зразка прикласти протилежно спрямоване магнітне поле величиною Н^ • У свою чергу, цей параметр називають коерцитивною силою. Чисельні значення залишкової індукції, коерцитивної сили і значення індукції насичення досить повно описують процес перемагнічування матеріалу. Ці параметри разом із даними по початковій і максимальній магнітній проникності матеріалу, як правило, приводяться в довідковій літературі.

До цього моменту основна увага приділялася польовим залежностям магнітних властивостей матеріалів. У той же час експерименти показують, що розглянуті параметри знаходяться в складній функціональній залежності від багатьох зовнішніх умов, зокрема від температури. Типова залежність магнітної проникності феромагнетика від температури приведена на рис. 5.4. Як випливає з рис. 5.4 при точно визначеній температурі магнітна проникність досягає свого максимального значення. Цю температуру називають температурою Кюрі. Такий характер температурної залежності магнітної проникності пояснюється підвищенням рухливості доменних стінок із зростанням температури, що сприяє росту намагніченості. Проте процес інтенсифікації руху меж доменів не може протікати безмежно. Дійсно, після досягнення температури Кюрі тепловий рух стає настільки інтенсивним, що його енергії досить для руйнації доменів. Це означає, що речовина втрачає свої феромагнітні властивості і переходить у діамагнітний стан. Таким чином, температурний інтервал функціонування феромагнітних матеріалів у приладах електронної техніки є обмеженим поверх температурою Кюрі. %

Магнітні властивості феромагнетиків знаходяться в тісному зв'язку з наявністю в ньому механічних напруг. Взаємозв'язок механічних деформацій з утворюваним ними магнітним полем зветься магнітострикцією. Розрізняють прямий і обернений магнітострикційний ефект. З прямим магнітострикційним ефектом звичайно зв'язують зміну геометричних розмірів матеріалу в магнітному полі. Обернений ефект відображається в зміні намагніченості речовини при прикладенні до нього механічних напруг. Магнітострикційні ефекти широко застосовуються в різноманітних галузях електронної техніки, у тому числі і медичної. Звичайно на основі цього явища функціонують різноманітні перетворювачі для генерації і прийому звукових або ультразвукових коливань. Магнітострикційні перетворювачі відрізняє досить високий ККД аж до 70 - 80 % навіть при підвищених частотах. Традиційна область застосування цих перетворювачів - медичні прилади ультразвукової діагностики.

Магнітні параметри матеріалу залежать від частоти зовнішнього магнітного поля. Крива, що описує залежність В(Н) у швидкозмінному магнітному полі, зветься динамічною петлею гістерезісу. Експерименти показують, що зі збільшенням частоти вигляд динамічної петлі усе сильніше відрізняється від її статичного аналога: петля стає ширше, і площа її зростає. Відзначене явище знаходить своє відображення у частотній залежності магнітної проникності феромагнетика. При цьому аналізована залежність має тенденцію до зменшення з ростом частоти. Основними чинниками, що визначають такий хід залежності, є втрати на перемагнічування матеріалу, втрати на вихрові струми та інерційність магнітної взаємодії доменів.

Енергія магнітного поля в будь-якому середовищі й отже енергія, що затрачається на перемагнічування пропорційні добутку В на Н . Це означає, що втрати в цьому випадку з тим або іншим коефіцієнтом будуть пропорційні площі петлі гістерезісу і кількості циклів перемагнічування. Цей висновок підтверджується на практиці, де відзначена пряма пропорційність між питомою потужністю втрат, частотою й індукцією в ступені п (п = 1,6 - 3,5 ). Показник ступеня п є функцією параметрів матеріалу (форми петлі гістерезісу).

Що стосується втрат на вихрові струми, то можна стверджувати, що їх питома потужність відповідно до закону Джоуля-Ленца буде пропорційна квадратам магнітної індукції і частоти (теплова потужність пропорційна квадрату струму). Отже, можна стверджувати, що з підвищенням частоти переважними будуть втрати на вихрові струми, тоді як при низьких частотах основний внесок у загальні втрати буде визначаться характером перемагнічування матеріалу.

Вихрові струми визначають не тільки величину втрат у магнітних матеріалах, але вони відповідальні і за створення в речовині поля, що її розмагнічує. Дійсно, відповідно до правила Ленца напрямок індукційних струмів такий, що утворюване ними магнітне поле спрямоване протилежно зовнішньому. Це створює розмагнічуючий ефект, що відбивається на зменшенні магнітної проникності при підвищенні частоти поля. З висловлених загальних розумінь випливає висновок про неможливість застосування матеріалів із низьким питомим опором на високих частотах через неминучі величезні теплові втрати. Така ситуація дозволяє розділити феромагнітні речовини за магнітними параметрами і величиною втрат на такі групи: магнітом'які матеріали для низьких і високих частот і магнітотверді матеріали.