Гистерезисные явления в ферромагнетиках

         Рис. 29
Представим себе, что мы взял и ненамагниченный кусок железа и поместили его в плавно возрастающее маг-нитное поле. Тогда, очевидно, железо начнет плавно намагничиваться, намагниченность его будет расти, пока
при достаточно сильном поле Н$ не достигнет своего насыщения. Процесс намагничивания образца, ранее не помещавшегося в магнитное поле, представлен на рис. 29 кривой Оа. Если теперь уменьшать напряженность магнитного поля, то будет уменьшаться и намагниченность. Однако при определенных значениях магнитного поля мы уже не получим тех значений намагниченности, которые соответствовали этим полям при нарастании поля. Другими словами, кривые намагничивания образца, соответствующие возрастанию и уменьшению поля, не совпадают.

Как показывает опыт, кривая, соответствующая уменьшению поля, пойдет выше. Это явление отставания спада намагниченности от спада поля носит название магнитного гистерезиса.
В поле, равном нулю на кривой размагничивания, намагниченность не обращается в нуль, а имеет некоторое значение Jr, которое носит название остаточной намагниченности. Чтобы свести эту остаточную намагниченность к нулю, нужно приложить поле Нс, направленное противоположно.
Поле Нс, при котором остаточная намагниченность обращается в нуль, носит название коэрцитивного (задерживающего) поля или коэрцитивной силы.

Если продолжать увеличивать поле противоположного направления (отрицательное поле), то при полях, превышающих значение коэрцитивной силы, образец начнет намагничиваться в направлении, противоположном начальному. Эта отрицательная намагниченность с ростом поля будет расти и достигнет насыщения, численно равного величине насыщения при положительной намагниченности.
Уменьшая отрицательное поле, мы получим такую же картину, как и в случае размагничивания от насыщения при положительном поле, т. е. когда поле обратится в нуль, то отрицательная намагниченность в нуль не обратится, а будет равна -Jr,.. Чтобы свести эту отрицательную намагниченность к нулю, следует приложить положительное магнитное поле, равное коэрцитивному полю. Увеличивая положительное значение поля, мы получим положительную намагниченность, которая будет расти вместе с полем, пока не достигнет насыщения.

Таким образом, при изменении величины поля от максимального положительного до максимального отрицательного значения и обратно кривая, характеризующая намагниченность, образует петлю, которая называется петлей гистерезиса. Если мы снова повторим цикл, изменяя поле от +H3 до -H3 и обратно, то мы опишем ту же самую петлю. При такой петле мы будем «ходить» при многократном перемагничивании. Что касается кривой Оа, то ее можно получить снова только при условии предварительного полного размагничивания образца. Поэтому эта кривая носит название первообразной или первичной кривой.

Размагнитить образец можно, например, при помощи многократного переключения тока (коммутации) в катушке, при одновременном уменьшении его величины от значений, соответствующих магнитному насыщению образца, до нуля.

Вследствие магнитного гистерезиса при одном и том же значении магнитного поля намагниченность образца может иметь различные значения, которые зависит не только от напряженности магнитного поля, но и от предыстории образца.
Такая петля гистерезиса, при которой намагниченность изменяется от +J3 до -J3, носит название предельной

Она является одной из важных характеристик ферромагнетика. Материалы с большой коэрцитивной силой имеют широкую петлю гистерезиса. Они трудно размагничиваются и называются магнитно-жесткими материалами. Из таких материалов изготавливают постоянные магниты.
Магнитно-мягкие материалы, наоборот, обладают малой коэрцитивной силой и узкой петлей гистерезиса. Такие материалы используются в трансформаторах, статорах и роторах динамомашин и моторов и т. д.

В табл. 6 приводятся данные о коэрцитивных силах Hс и максимальной магнитной проницаемости ? макс некоторых магнитных материалов.

Если циклическое перемагничивание осуществляется при максимальном значении поля, меньшем поля насыщения, то гистерезисные явления протекают еще более сложно.

         Рис. 30
Пусть при напряженности поля H1 намагниченность ферромагнитного образца соответствует точке а на рис. 30. Поскольку поле меньше поля насыщения, то и намагниченность J будет меньше Js.
Если теперь плавно уменьшать поле до -H1 то намагниченность будет изменяться по кривой аб, и’при повторном возрастании поля до Н1 намагниченность, как правило, не совпадает с точкой а, а будет иметь несколько большее значение, изображенное на рисунке точкой в. Полученная незамкнутая петля носит название неустановившейся петли гистерезиса.

         Рис. 31
При повторных циклах картина будет повторяться, но при одинаковых значениях поля расхождения в значениях намагниченности будут все меньше и, наконец, при многократном циклическом изменении поля намагниченность будет описывать замкнутую кривую, которая называется симметричной петлей гистерезиса. На рис. 31 представлено семейство симметричных петель гистерезиса, соответствующих различным значениям поля. Как видно из рисунка, предельная петля гистерезиса является симметричной петлей, соответствующей значениям намагниченности насыщения.
Для получения симметричной петли обычно достаточно провести около десяти перемагничивающих циклов.

         Рис. 32

Если поле периодически меняется не относительно своего нулевого значения, а от H1 до H2 и обратно (рис 32) то намагниченность описывает замкнутую кривую’ аба называемую частным гистерезисным циклом. Гистерезисные явления свидетельствуют о наличии необратимых процессов, которые протекают в ферромагнетике при наложении на него изменяющегося магнитного поля Ферромагнетик, как правило, находится при этом не в равновесном состоянии, соответствующем минимуму свободной энергии при данной напряженности магнитного поля и температуре. Однако есть ряд приемов, позволяющих снять кривые намагничивания, которые при циклическом изменении поля не дают гистерезисной петли. Такие кривые носят название безгистерезисных или идеальных кривых намагничивания и соответствуют минимуму свободной энергии.

         Рис. 33
На рис. 33 показаны обычная (первичная) кривая намагничивания (кривая l) и идеальная безгистерезисная кривая (кривая 2). Продолженная в область отрицательных полей идеальная кривая при циклическом изменении поля не дает петли.

Безгистерезисная кривая может быть получена различным образом. Наиболее распространенный способ заключается в следующем. На ферромагнитный образец накладывается некоторое небольшое постоянное магнитное поле H1 и переменное поле низкой частоты, амплитуда которого превышает поле насыщения, затем амплитуду переменного ноля медленно сводят к нулю, фиксируя при этом значение намагниченности Jl. После этого несколько увеличивают напряженность постоянного магнитного поля, доводя его до значения H2. Вновь накладывают переменное поле, амплитуда которого уменьшается до нуля, и вновь отмечают значение намагниченности J2 Совокупность точек, соответствующих намагниченностям J1 J2 и т. д., дает безгистерезисную кривую намагничивания. Безгистерезисную кривую намагничивания можно получить еще и таким образом. На ферромагнитный образец накладывается магнитное поле H1, после чего ферромагнетик нагревается до температуры выше точки Кюри и медленно охлаждается до исходной температуры; значение намагниченности J1 фиксируется. Затем поле увеличивается до некоторого значения H2, образец вновь нагревается выше точки Кюри, охлаждается до исходной температуры и вновь измеряется намагниченность Л и т. д.

Совокупность точек, соответствующих намагниченностям Ji, Jz и т. д. (при намагничивающих полях H1, H2 и т. д.), дает безгистерезисную кривую намагниченности. Иногда удается получить безгистерезисную кривую наложением периодических напряжений. Следует отметить, что идеальная кривая, снятая вторым способом – методом «температурной тряски», всегда идет выше без-гистерезисной кривой, полученной другими способами.