Кривая намагничивания¶

Кривая намагничивания — это графическое представление зависимости намагниченности (M) или магнитной индукции (B) ферромагнитного материала от напряжённости внешнего магнитного поля (H). Данная зависимость является фундаментальной характеристикой магнитных материалов и лежит в основе расчёта электромагнитных устройств, трансформаторов, электрических машин и магнитных носителей информации.

¶Физическая сущность

При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле его доменная структура перестраивается: домены, ориентированные по направлению поля, растут за счёт соседних, а векторы намагниченности поворачиваются. Этот процесс нелинеен, что и отражает кривая намагничивания.

Начальный участок кривой (от нуля) характеризуется малым ростом индукции — идёт упругое смещение границ доменов. Затем наступает область резкого роста намагниченности (участок крутого подъёма), соответствующая необратимым смещениям доменных границ. При дальнейшем увеличении напряжённости поля наступает область приближения к насыщению, когда все магнитные моменты доменов выстраиваются параллельно внешнему полю.

¶Основные параметры

Кривая намагничивания позволяет определить ключевые характеристики магнитного материала:

• Начальная магнитная проницаемость (μ_нач) — тангенс угла наклона кривой в начале координат.
• Максимальная магнитная проницаемость (μ_max) — наибольшее значение производной dB/dH на кривой.
• Индукция насыщения (B_s) — предельное значение индукции, при котором дальнейшее увеличение поля практически не меняет намагниченность.
• Коэрцитивная сила (H_c) — напряжённость поля, необходимая для полного размагничивания образца (определяется по петле гистерезиса).

¶Петля гистерезиса

Если после достижения насыщения начать уменьшать напряжённость внешнего поля, кривая намагничивания не вернётся в исходную точку, а пойдёт по другой траектории. Это явление называется магнитным гистерезисом. Полный цикл перемагничивания образует замкнутую петлю гистерезиса, форма которой зависит от свойств материала.

По форме петли гистерезиса материалы делят на:

• Магнитомягкие — узкая петля, малая коэрцитивная сила (менее 1 кА/м). Применяются в сердечниках трансформаторов, дросселях, электромагнитах.
• Магнитотвёрдые — широкая петля, высокая коэрцитивная сила (более 10 кА/м). Используются для изготовления постоянных магнитов.

¶Методы измерения

Для построения кривой намагничивания применяются баллистический метод, методы с использованием феррометра, осциллографический метод и вибрационный магнитометр. В промышленных условиях широко распространён метод измерения на образцах тороидальной формы, позволяющий замкнуть магнитный поток без воздушного зазора.

¶Практическое значение

Кривая намагничивания необходима для:

• расчёта магнитных цепей электрических аппаратов;
• выбора материала для конкретного применения;
• контроля качества ферромагнитных изделий;
• разработки магнитных систем записи и хранения информации.

В электротехнике по кривой намагничивания определяют рабочие точки магнитных систем, рассчитывают токи намагничивания трансформаторов и потери на гистерезис, пропорциональные площади петли.

¶Особенности для разных материалов

Форма кривой существенно различается для разных классов ферромагнетиков. Электротехническая сталь имеет крутую кривую с высоким значением индукции насыщения (около 2 Тл). Ферриты характеризуются более пологой кривой и меньшей индукцией насыщения (0,3–0,5 Тл). Аморфные и нанокристаллические сплавы отличаются очень высокой начальной проницаемостью при сравнительно низкой индукции насыщения.

¶Температурная зависимость

Кривая намагничивания зависит от температуры. При нагреве материала тепловое движение атомов затрудняет ориентацию доменов, что приводит к уменьшению намагниченности. При достижении точки Кюри ферромагнетик теряет свои магнитные свойства, и кривая намагничивания вырождается в прямую линию, характерную для парамагнетиков.

¶Источники

• Вонсовский С. В. «Магнетизм» — М.: Наука, 1971.
• Мишин Д. Д. «Магнитные материалы» — М.: Высшая школа, 1991.
• Преображенский А. А., Бишард Е. Г. «Магнитные материалы и элементы» — М.: Высшая школа, 1986.
• ГОСТ 19693-74 «Материалы магнитные. Термины и определения».