Для более лёгкого понимания физического смысла параметров и характеристик магнитных материалов вспомним, что такое напряжённость магнитного поля и магнитная индукция.
Определение напряжённости магнитного поля дано в ГОСТ Р 52002-2003: напряжённость магнитного поля H – это векторная величина, равная геометрической разности магнитной индукции, делённой на магнитную постоянную и намагниченность. Единица измерения напряжённости магнитного поля [А/м] или, в системе СГС, эрстед [э]. Соотношение между этими единицами следующее: 1 [А/м] = 4π×10-3 [э].
Магнитная индукция (ГОСТ Р 52002-2003) – векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся электрически заряженную частицу со стороны магнитного поля. Единица измерения магнитной индукции тесла [Тл] или, в системе СГС, гаусс [Гс]. Соотношение между этими единицами следующее: 1 [Тл] = 104 [Гс].
Если в магнитное поле поместить вещество, то магнитная индукция изменится (при неизменной напряжённости магнитного поля). Под действием магнитного поля магнитные моменты атомов, ионов или молекул вещества ориентируются в направлении поля и изменяют магнитную индукцию от В0 до В. Приращение индукции ΔВ называют намагниченностью J:
где μ0 – магнитная постоянная или магнитная проницаемость вакуума; H – напряженность магнитного поля создаваемого макротоками; κ – коэффициент пропорциональности, который называется магнитной восприимчивостью.
Кроме того, магнитная индукция вещества связана с напряжённостью магнитного поля через магнитную проницаемость вещества. Магнитная проницаемость вещества μ – величина, характеризующая магнитные свойства вещества, скалярная для изотропных и тензорная для анизотропного вещества (см. что такое изотропные и анизотропные вещества), произведение которой на напряжённость магнитного поля равно магнитной индукции.
Если в магнитное поле поместить магнитный материал, то произойдёт его намагничивание – процесс, в результате которого под воздействием внешнего магнитного поля возрастает намагниченность магнитного материала. Под действием внешнего магнитного поля магнитные материалы могут как намагничиваться, так и размагничиваться или перемагничиваться.
Процесс размагничивания магнитного материала – это процесс, в результате которого под воздействием внешнего магнитного поля уменьшается намагниченность магнитного материала. При этом, размагниченное состояние магнитного материала – это такое состояние, при котором значение его намагниченности равно нулю. В зависимости от способа, применяемого для размагничивания магнитного материала, выделяют три вида размагниченного состояния магнитного материала: динамически, статически и термически размагниченное состояние.
Динамически размагниченное состояние получают при помощи внешнего знакопеременного периодического магнитного поля, амплитуда напряжённости которого уменьшается от значения, соответствующего намагниченности технического насыщения (что такое намагниченность технического насыщения см. ниже), до нуля.
Статически размагниченное состояние получают при помощи внешнего равномерно меняющегося магнитного поля, которое приводит намагниченность магнитного материала к такому значению, что при удалении поля она становится равной нулю.
Термически размагниченное состояние получают повышением температуры материала выше точки Кюри т.е. выше критической температуры, при которой магнитный материал становится парамагнетиком и последующим охлаждением его при отсутствии внешнего магнитного поля.
Перемагничивание – это процесс, в результате которого под воздействием внешнего магнитного поля направление вектора намагниченности магнитного материала меняется на противоположное.
Процесс намагничивания магнитных материалов описывается магнитным гистерезисом. Магнитный гистерезис – основная характеристика магнитного материала, представляющая собой неоднозначную зависимость магнитной индукции (или намагниченности) магнитного материала от напряжённости внешнего магнитного поля при его квазистатическом изменении. Эта характеристика представляет собой график зависимости магнитной индукции В от напряжённости магнитного поля H. На рисунке 1 приведены примеры магнитного гистерезиса диа-, пара- и ферромагнетика.
Рисунок 1 – Зависимость магнитной индукции В от напряжённости магнитного поля H (магнитный гистерезис)
При циклических процессах намагничивания, размагничивания и перемагничивания графическое представление магнитного гистерезиса приобретает форму петли. Петля магнитного гистерезиса по индукции – это замкнутая кривая, выражающая зависимость магнитной индукции материала от амплитуды напряжённости магнитного поля при периодическом достаточно медленном изменении последнего. Петля магнитного гистерезиса по намагниченности – это замкнутая кривая, выражающая зависимость намагниченности материала от амплитуды напряжённости магнитного поля при периодическом достаточно медленном изменении последнего. На рисунке 2 показан вариант петли магнитного гистерезиса по индукции.
Рисунок 2 – Петля магнитного гистерезиса
На рисунке 2 пунктиром показана начальная кривая намагничивания по индукции, выражающая зависимость магнитной индукции от напряжённости магнитного поля в процессе намагничивания предварительно термически размагниченного магнитного материала при последовательном возрастании напряжённости магнитного поля.
На рисунке 2 видно, что магнитная индукция В на начальной кривой намагничивания вначале быстро возрастает, но при дальнейшем увеличении напряжённости магнитного поля H рост магнитной индукция В замедляется. Начиная с некоторого определённого значения напряжённости магнитного поля H, величина магнитной индукции материала В практически не изменяется. Наибольшая величина магнитной индукции, которую можно получить в материале называется индукцией технического насыщения или индукцией насыщения и обозначается Bs.
Итак, первый параметр магнитного материала – индукция технического насыщения (индукция насыщения) – это значение индукции магнитного материала, определяемое экстраполяцией из области напряжённостей магнитных полей, соответствующих намагниченности технического насыщения, к нулевому значению напряжённости поля.
Сплошной линией на рисунке 2 показана основная кривая намагничивания, представляющая собой геометрическое место вершин симметричных петель магнитного гистерезиса, которые получаются при последовательно возрастающих максимальных значениях напряжённости магнитного поля. На основной кривой намагничивания видно, что при уменьшении напряжённости магнитного поля магнитная индукция в материале уменьшается, но, когда напряжённость магнитного поля станет равной нулю, магнитная индукция магнитного материала будет отличной от нуля. Величина индукции, которая останется в материале после снятия магнитного поля, называется остаточной индукцией и обозначается Br.
Второй параметр магнитных материалов – остаточная индукция – это индукция, сохраняющаяся в магнитном материале после намагничивания его до индукции технического насыщения и уменьшения напряжённости магнитного поля в нём до нуля.
Дальнейшее размагничивание материала осуществляется увеличением напряжённости магнитного поля противоположного знака. Величина, равная напряжённости магнитного поля, необходимого для изменения магнитной индукции от остаточной индукции до нуля называется коэрцитивной силой и обозначается Нс – третий параметр магнитных материалов.
По величине коэрцитивной силы магнитные материалы делят на магнитомягкие, у которых коэрцитивная сила по индукции не более 4 кА/м и магнитотвёрдые, у которых коэрцитивная сила по индукции не менее 4 кА/м. В зависимости от формы выделяют несколько типов петли магнитного гистерезиса:
- прямоугольная петля магнитного гистерезиса, у которой отношение магнитной индукции при нулевой напряжённости магнитного поля к магнитной индукции, соответствующей напряжённости магнитного поля, превышающего коэрцитивную силу в заданное число раз, не менее 0,85;
- симметричная петля магнитного гистерезиса, получаемая при циклическом изменении напряжённости магнитного поля между равными по абсолютному значению максимальной и минимальной напряжённостями и симметричная относительно начала координат;
- несимметричная петля магнитного гистерезиса, получаемая при циклическом изменении напряжённости магнитного поля между неравными по абсолютному значению максимальной и минимальной напряжённостями.
Реакция магнитных материалов на приложенное магнитное поле зависит от времени его воздействия. Свойство магнитного материала, которое проявляется в зависимости реакции магнитного материала на приложенное магнитное поле от длительности воздействия этого поля называется магнитной вязкостью.
Четвёртый параметр. Для оценки формы петли гистерезиса используют коэффициент прямоугольности петли гистерезиса – отношение остаточной индукции при нулевой напряжённости магнитного поля к максимальной индукции на данной симметричной петле гистерезиса:
Чем больше значение коэффициента прямоугольности Kп, тем более прямоугольную форму имеет гистерезисная петля. На рисунке 3 показаны три варианта петли гистерезиса.
Рисунок 3 – Петля магнитного гистерезиса магнитомягких (а, б) и магнитотвёрдых (в) материалов
Узкая петля магнитного гистерезиса (рисунок 3а, 3б) характерна для магнитомягких материалов, которые характеризуются большими значениями магнитной проницаемости и малыми значениями коэрцитивной силы, поэтому легко намагничиваются и размагничиваются. Кроме того, они отличаются малыми потерями на гистерезис.
Широкая петля магнитного гистерезиса (рисунок 3в) соответствует магнитотвёрдым материалам, которые имеют большие значения коэрцитивной силы и остаточной индукции. Будучи намагниченными, магнитотвёрдые материалы могут долго сохранять магнитную энергию. Магнитотвердые материалы используют для изготовления постоянных магнитов.
Теперь, когда мы рассмотрели основную характеристику магнитных материалов и некоторые параметры, вернёмся к параметру, характеризующему магнитные свойства вещества – магнитной проницаемости. Будем считать, что это пятый основной параметр магнитных материалов. Для магнитных материалов величина магнитной проницаемости не остается постоянной, а зависит от величины напряженности магнитного поля. Эта зависимость показана на рисунке 4.
Рисунок 4 – Зависимость магнитной проницаемости от напряжённости магнитного поля. μн – начальная магнитная проницаемость, Hμмакс – максимальная магнитная проницаемость
В общем случае магнитная проницаемость может быть получена из основной кривой намагничивания как отношение величины магнитной индукции В к соответствующему значению напряженности магнитного поля Н в данной точке кривой намагничивания, делённое на магнитную постоянную вакуума:
Исходя из этого, к общим параметрам магнитных материалов относится следующая группа параметров, непосредственно связанных с магнитной проницаемостью вещества:
- начальная магнитная проницаемость (μн), которая определяется при очень малых значениях напряжённости магнитного поля Н и, в соответствии с ГОСТ 19693-74 представляет собой значение магнитной проницаемости на начальной или основной кривой намагничивания по индукции при стремлении напряжённости магнитного поля к нулю, делённое на магнитную постоянную;
- временная нестабильность начальной магнитной проницаемости – это отношение относительного изменения начальной магнитной проницаемости к логарифму отношения интервалов времени, через которые измерялась начальная магнитная проницаемость при определённых климатических условиях;
- дезаккомодация начальной магнитной проницаемости – это относительное изменение начальной магнитной проницаемости во времени после проведения магнитного материала в динамически размагниченное состояние в условиях отсутствия магнитного, механического и теплового воздействия при заданной температуре;
- комплексная магнитная проницаемость – это отношение комплекса магнитной индукции к комплексу напряжённости магнитного поля в материале, делённое на магнитную постоянную;
- амплитудная магнитная проницаемость – это проницаемость, равная модулю комплексной магнитной проницаемости;
- максимальная амплитудная магнитная проницаемость – это максимальное значение амплитудной магнитной проницаемости как функции амплитуды напряжённости магнитного поля или индукции;
- максимальная магнитная проницаемость (μmax) – это максимальное значение магнитной проницаемости как функции напряжённости магнитного поля на основной кривой намагничивания по индукции.
И это далеко не весь перечень параметров магнитных материалов, связанных с магнитной проницаемостью (см. ГОСТ 19693-74).
Шестой параметр магнитных материалов, точнее говоря, группа параметров, связанных с магнитострикцией – способностью магнитных материалов изменять свою форму и размеры в результате изменения магнитного состояния. Продольная и поперечная магнитострикции заключаются в относительном изменение линейного размера образца из магнитного материала в направлении намагничивания (продольная магнитострикция) или в направлении, перпенди-кулярном направлению намагничивания (поперечная магнитострикция).
Относительное изменение линейного размера образца может быть как положительным, так и отрицательным. Оно зависит от напряжённости магнитного поля. Например, в слабых полях железо удлиняется (положительная магнитострикция), а в сильных полях сжимается (отрицательная магнитострикция). Наибольшее изменение размеров магнитного материала соответствует магнитострикции насыщения, т.е. такому значению продольной магнитострикции, когда намагниченность в магнитном материале достигает технического насыщения.
Помимо продольной и поперечной магнитострикции существует объёмная магнитострикция, которая состоит в относительном изменении объёма образца магнитного материала при его намагничивании.
При воздействии на магнитный материал упругих напряжений имеет место явление обратного магнитострикционного эффекта, т.е. изменение намагниченности магнитного материала, обладающего начальной намагниченностью, при воздействии на него упругих напряжений. Кроме того при наложении на магнитный материал упругих напряжений, в нём может возникать дополнительная относительная деформация. Это явление получило название механострикция.
Седьмой параметр – магнитные потери:
- удельные магнитные потери – это мощность, поглощаемая в единице массы магнитного материала и рассеиваемая в виде тепла при воздействии на материал меняющегося во времени магнитного поля;
- удельные объёмные магнитные потери – это мощность, поглощаемая в единице объёма магнитного материала и рассеиваемая в виде тепла при воздействии на материал меняющегося во времени магнитного поля;
- удельные магнитные потери на гистерезис (или потери на гистерезис) – это часть удельных магнитных потерь, обусловленная явлением магнитного гистерезиса;
- удельные магнитные потери на вихревые токи – это часть удельных магнитных потерь, обусловленная вихревыми токами.
Восьмой параметр – температурный коэффициент магнитной величины – предельное значение среднего температурного коэффициента магнитной величины, когда разность температур стремится к нулю. При этом под средним температурным коэффициентом магнитной величины понимают отношение относительного изменения магнитной величины, вызванного изменением температуры, к разности конечной и начальной температур.
Например, температурный коэффициент магнитной проницаемости. Зависимость магнитной проницаемости от температуры характеризуется температурным коэффициентом, который определяется по формуле:
Магнитная проницаемость магнитных материалов увеличивается с ростом температуры, достигая максимума вблизи точки Кюри. Температура точки Кюри для чистого железа (Fe) 768 0С, для никеля (Ni) 358 0С, для кобальта (Со) 1131 0С.
Посмотрите связанные статьи:
Классификация веществ по магнитным свойствам
Области применения магнитных радиоматериалов
в радиоэлектронной аппаратуре