Поведение ферромагнетиков в постоянных и переменных магнитных полях

Постоянным, или стационарным, называется поле Н, которое может оставаться неизменным по величине и направлению неограниченно долгое время. Постоянные магнитные поля создаются с помощью катушек из провода, называемых соленоидами, по которым пропускают постоянный электрический ток. Магнитное поле Н внутри соленоида равно

, (12)

где i - ток в соленоиде, а k - постоянный коэффициент, зависящий от числа витков и геометрических размеров. Внутри соленоида помещается исследуемый образец.

Рис. 8. Переменное поле H(t) (a) и изменение индукции в этом поле (б).

Если через соленоид пропускать переменный ток, образец будет находиться в переменном магнитном поле. При этом он будет перемагничиваться с частотой переменного тока. Пусть образец помещен в поле, напряженность которого меняется в пределах от +Н_max до -Н_max (рис.8, а). Тогда за период Т индукция в образце изменяется по петле гистерезиса (рис.8, б). Магнитное состояние образца в моменты времени t₁, t₂, t₃, t₄ (рис.8, а) обозначены соответствующими цифрами на рис.8, б. Если Н_max больше поля насыщения H_s, индукция изменяется по предельной петле гистерезиса, если же Н_max < H_s, индукция изменяется по частному циклу.

При перемагничивании происходит изменение магнитного потока. Поэтому в образце возникает ЭДС индукции , которая вызывает вихревые токи. При квазистатическом (очень медленном) изменении поля ε_инд мала и вихревые токи не играют роли. Но уже при промышленной частоте 50 Гц вихревые токи оказываются значительными и сами влияют на процессы перемагничивания. Рассмотрим, в чем проявляется это влияние.

По закону Ленца индукционные вихревые токи создают поле, которое уменьшает причину, их вызывающую, т.е. уменьшает намагниченность, если поле возрастает, и, наоборот, удерживает намагниченность, если поле уменьшается. В результате площадь петли гистерезиса в переменном поле больше, чем в постоянном. Такая петля называется динамической петлей гистерезиса в отличие от статической петли гистерезиса в постоянном поле (рис. 9).

Рис. 9. Статическая (а) и динамическая (б) петля гистерезиса.

Рис. 10. Основная (статическая) кривая (1) и динамические кривые намагничивания; v₃ > v₂ > v₁.

Площадь динамической петли гистерезиса кроме энергии на процессы перемагничивания включает в себя потери энергии на вихревые токи. Геометрическое место вершин динамических петель гистерезиса при увеличении амплитуды поля от нуля до поля насыщения называется динамической кривой намагничивания. Динамическая кривая расположена ниже основной (статической) кривой намагничивания (рис. 10), ее положение зависит от частоты переменного поля, толщины и удельного сопротивления образца. При небольших частотах индукции насыщения совпадают. Однако при увеличении частоты из-за наличия вихревых токов перемагничиванию подвергается лишь поверхностный слой, что приводит к уменьшению рабочего объема, а, следовательно, к кажущемуся уменьшению магнитной индукции насыщения.

В настоящее время большинство магнитомягких материалов используется в переменных магнитных полях различной частоты, поэтому измерение динамических свойств имеет большое практическое значение.