что такое кривая намагничивания материала
Намагничивание и магнитные материалы
Возникновение намагниченности в веществе при помещении его в магнитное поле объясняется процессом постепенной преимущественной ориентации магнитных моментов циркулирующих в нём микротоков в направлении поля. Подавляющий вклад в создание микротоков в веществе вносит движение электронов : спиновое и орбитальное движение связанных с атомами электронов, спиновое и свободное движение электронов проводимости.
Диамагнетики и парамагнетики относятся к материалам со слабыми магнитными свойствами. Значительно более сильный эффект намагничивания наблюдается у ферромагнетиков.
Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов: железа, кобальта, никеля и у ряда сплавов.
При относительно небольшой напряженности поля (участок I) происходит быстрое возрастание намагниченности преимущественно из-за увеличения размеров доменов, имеющих ориентацию намагниченности в положительной полусфере направлений векторов напряженности поля. Одновременно пропорционально сокращаются размеры доменов в отрицательной полусфере. В меньшей степени изменяются размеры тех доменов, намагниченность которых ориентирована ближе к плоскости, ортогональной вектору напряженности.
При дальнейшем увеличении напряженности преобладают процессы поворота векторов намагниченности доменов по полю (участок II) до достижения технического насыщения (точка S). Последующему возрастанию результирующей намагниченности и достижению одинаковой ориентации всех доменов по полю препятствует тепловое движение электронов. Область III близка по характеру процессов к парамагнетикам, где увеличение намагниченности происходит из-за ориентации немногих спиновых магнитных моментов, дезориентированных тепловым движением. С увеличением температуры дезориентирующее тепловое движение усиливается и намагниченность вещества уменьшается.
Снижение температуры ниже точки Кюри вновь возвращает материалу магнитные свойства: доменную структуру с нулевой результирующей намагниченностью, если при этом отсутствовало внешнее магнитное поле. Поэтому разогрев изделий из ферромагнитных материалов выше точки Кюри используют для их полного размагничивания.
Кривая начального намагничивания
Обратимые изменения наблюдаются на малом начальном отрезке участка I кривой намагничивания (зона Релея) при малых смещениях доменных стенок и на участках II, III при повороте векторов намагниченности в доменах. Основная часть участка I относится к необратимому процессу перемагничивания, который в основном определяет гистерезисные свойства ферромагнитных материалов (отставание изменений намагниченности от изменений магнитного поля).
Петлей гистерезиса называют кривые, отражающие изменение намагниченности ферромагнетика под воздействием циклически изменяющегося внешнего магнитного поля.
При испытаниях магнитных материалов петли гистерезиса строятся для функций параметров магнитного поля В (Н) или М (Н), которые имеют смысл результирующих параметров внутри материала в проекции на зафиксированное направление. Если материал предварительно был полностью размагничен, то постепенное увеличение напряженности магнитного поля от нуля до Hs дает множество точек начальной кривой намагничивания (участок 0-1).
Магнитный гистерезис: 1 – кривая начального намагничивания; 2 – предельный гистерезисный цикл; 3 – кривая основного намагничивания; 4 – симметричные частные циклы; 5 – несимметричные частные циклы
Частные несимметричные гистерезисные циклы образуются, если начальная точка не находится на кривой основного намагничивания при симметричном изменении напряженности поля, а также при несимметричном изменении напряженности поля в положительном или отрицательном направлении.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Основная кривая намагничивания.
Магнитные материалы, вещества, магнитные свойства которых обусловливают их применение в технике (электротехнике, вычислительной технике, электронике, радиотехнике и других областях). Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитное поле намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля. Основной характеристикой процесса намагничивания является основная кривая намагничивания – зависимость магнитной индукции B в ферромагнетики от напряженности магнитного поля H.
Основная кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании. Основная кривая намагничивания является важнейшей характеристикой магнитных материалов. Она отвечает требованиям хорошей воспроизводимости и широко используется для характеристики намагничивания материалов в постоянных полях. На основной кривой намагничивания принято различать три участка — начальный, соответствующий нижнему колену кривой; участок быстрого возрастания индукции (намагниченности); участок насыщения (выше верхнего колена кривой). При циклическом перемагничивании кривая намагничивания образует гистерезисную петлю.
58) магнитные материалы, процессы при намагничивании Ферромагнетиков, (петля гистерезиса).
Магнитные материалы, вещества, магнитные свойства которых обусловливают их применение в технике (электротехнике, вычислительной технике, электронике, радиотехнике и других областях). Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитное поле намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля. 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. Магнитный гистерезис — явление зависимости вектора намагничивания и вектора напряженности магнитного поля в веществе от приложенного внешнего поля. Магнитный гистерезис обычно проявляется в ферромагнетиках — Fe, Co, Ni и сплавах на их основе. Именно магнитным гистерезисом объясняется существование постоянных магнитов. Кривая намагничивания B (B0) ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса (рис.1.)
Петля гистерезиса ферромагнетика. Стрелками указано направление процессов намагничивания и размагничивания ферромагнитного образца при изменении индукции B0 внешнего магнитного поля.
Магнитные материалы. Виды потерь в ферромагнитных материалах.
Магнитные материалы – вещества, магнитные свойства которых обусловливают их применение в технике (электротехнике, вычислительной технике, электронике, радиотехнике и других областях). Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитное поле намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля. При периодическом перемагничивании
ферромагнитного вещества затрачивается определенная энергия, которая выделяется в виде тепла, вызывая нагревание ферромагнитного вещества.
Потери энергии, связанные с процессом перемагничивания стали, называют потерями на гистерезис. Значение этих потерь при каждом цикле перемагничивания пропорционально площади петли гистерезиса. Потери мощности на гистерезис пропорциональны квадрату максимальной индукции
Вmах и частоте перемагничивания f. Поэтому при значительном увеличении индукции в магнитопроводах электрических машин и аппаратов, работающих в переменном магнитном поле, эти потери резко возрастают.
Магнитострикция.
Намагничивание ферромагнитных материалов всегда сопровождается изменением их линейных размеров. Это явление получило название магнитострикции. Количественно магнитострикцию характеризуют величиной, называемой константой магнитострикции, которая фактически является относительным удлинением образца при намагниченности до состояния технического насыщения. Численное значение величины магнитострикции, невелико, и к тому же она не является постоянной величиной данного материала. С изменением напряженности магнитного поля изменяется и ее знак. Необычайно высокая магнитострикция у редкоземельных элементов и их соединений. Эффект магнитострикции обратим: механическая деформация материала вызывает изменения состояния его намагниченности. Прямой и обратный магнитострикционные эффекты широко применяют в приборостроении (реле, фильтры, преобразователи). Магнитострикционными называют магнитные материалы, применение которых основано на явлении магнитострикции и магнитоупругом эффекте, т. е. изменении размеров тела в магнитном поле и изменении магнитных свойств материала под влиянием механических воздействий. Магнитострикция наблюдается и в поликристаллических материалах, причем наибольшая – у никеля. Он сохраняет свое значение и в настоящее время, хотя вытесняется другими магнитострикционными материалами. Ценными свойствами никеля являются высокая стойкость к коррозии и малый температурный коэффициент модуля упругости. Среди магнитострикционных материалов есть как чистые металлы, так и сплавы, и ферриты. Ферриты являются магнитострикционными материалами для высоких частот. При эксплуатации магнитное состояние сердечника магнитострикционного преобразователя определяется одновременным воздействием переменного и постоянного полей. Сплав платины с железом обладает большой константой магнитострикции, однако он дорогой и поэтому имеет весьма ограниченное применение. Недостатком железокобальтовых и железоалюминиевых сплавов являются низкая пластичность, затрудняющая механическую обработку, и низкая антикоррозионная устойчивость, препятствующая использованию таких преобразователей в водной среде. Широкое применение находит ферритовая керамика. По сравнению с никелем и металлическими сплавами магнитострикционные ферриты имеют ряд преимуществ. Благодаря высокому удельному сопротивлению в них малы потери на вихревые токи, поэтому отпадает необходимость расслаивать материал на отдельные пластины. В отличие от металлических сплавов ферриты не подвержены действию химически агрессивных сред. С помощью керамической технологии можно изготовить преобразователи практически любых форм и размеров. Из магнитострикционных материалов изготавливают сердечники электромеханических преобразователей (излучателей и приемников) для электроакустики и ультразвуковой техники, сердечники электромеханических и магнитострикционных фильтров и резонаторов, линий задержки. Их используют также в качестве чувствительных элементов магнитоупругих преобразователей, применяемых в устройствах автоматики и измерительной техники. Применяются в качестве преобразователей электромагнитной энергии в другие виды (например, в механическую.), датчиков давления и т. п.
Методы моделирования основной кривой намагничивания
Методы моделирования основной кривой намагничивания
Процессы, происходящие в силовых и измерительных трансформаторах, описываются системой уравнений, составленной для электрической и магнитной цепи. Магнитная цепь представляет собой сердечник, в котором замыкается магнитный поток, создаваемый магнитодвижущей силой. Для уменьшения активных потерь из-за образования вихревых токов сердечники электротехнических устройств составляют их шихтованных листов ферромагнитного материала. Под действием внешнего магнитного поля (H), созданного током в катушке, наложенной на стальной магнитопровод, происходит процесс ориентации доменов в магнитопроводе и смещение их границ. Это приводит к намагничиванию (M) стального магнитопровода, причем намагниченность увеличивается с увеличением внешнего магнитного поля. Зависимость намагниченности материала от напряжённости магнитного поля M(H) (или B(H)) называется кривой намагничивания (magnetization curve), которая обычно представлены исследователю в виде формул, графиков или таблиц. Также следует отметить, что ферромагнитный материала обладает способностью сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля.
При намагничивании предварительно размагниченного образца различают следующие типы зависимостей (кривых намагничивания):
— Начальная кривая намагничивания – это зависимость, которую получают при монотонном увеличении напряженности магнитного поля (Н);
— Безгистерезисная (идеальную) кривая намагничивания – это зависимость, которую получают при одновременном действии постоянного поля и переменного поля с убывающей до нуля амплитудой.
— Основная кривая намагничивания, представляющая собой геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса, получающихся при циклическом перемагничивании.
Начальная кривая намагничивания зависит от случайных причин, например от механических сотрясений, колебаний температуры, характера изменения намагничивающего поля и т.д. Следовательно, начальная кривая намагничивания не может быть использована для сравнительной оценки свойств различных материалов.
Рис.1. Основная кривая намагничивания (а) и безгистерезисная кривая намагничивания (б).
Основная кривая намагничивания, напротив, является важнейшей характеристикой магнитных материалов, которая не подвержена внешним факторам. Основная кривая намагничивания обычно мало отличается от начальной кривой намагничивания, но не совпадает с ней. Основная кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании (см. рис. 2) и отражает изменение магнитной индукции (В) от напряженности магнитного поля (Н), которое создается в материале при намагничивании. Для получения основной кривой намагничивания снимается ряд петель гистерезиса для различных токов.
Рис.2. Симметричные циклы магнитного гистерезиса и основная кривая намагничивания
Основная кривая намагничивания используется при технических расчетах магнитных цепей, когда требуется исследовать (моделировать) нелинейные индуктивные элементы. Основная кривая намагничивания представлена в виде зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля B(H) или обратной функциональной зависимостью H(B). На основной кривой намагничивания принято различать три участка: начальный, соответствующий нижнему колену кривой, второй участок соответствует быстрому возрастанию индукции и третий участок соответствует насыщению стали сердечника.
В качестве примера представим в табличной форме кривую намагничивания стали 2312, которая имеет следующую зависимость: