Ферромагнетики и их применение

Содержание

Цели  и задачи…………………………………………………………………3

Введение………………………………………………………………………4

Глава 1. Свойства ферромагнетиков………………………………………...5

Глава 2. Процесс перемагничивания ферромагнетика……………………..8

Глава 3. Гипотеза элементарных магнитиков……………………………...12

Глава 4. Отличие ферромагнетиков от диа- и парамагнетиков…………..14

Глава 5. Спиновая природа ферромагнетизма……………………………..17

Глава 6. Применение ферромагнетиков……………………………………20

Заключение…………………………………………………………………...21

Список  литературы…………………………………………………………..22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Цели  и задачи

     Цель  данного доклада заключается  в том, чтобы углубленно изучить  ферромагнетики, их основные свойства и область применения.

     Для выполнения поставленной цели были выдвинуты  следующие задачи:

1. дать определение ферромагнетикам;
2. выяснить какими свойствами они обладают;
3. выявить отличительные особенности ферромагнетиков от диа- и парамагнетиков;
4. изучить формулы и расчеты, характерные для ферромагнетиков;
5. определить в каких отраслях применяются ферромагнетики.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Ферромагнетики – твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры. К ним относятся: сталь, железо, никель, кобальт, их сплавы и др. Они имеют магнитную проницаемость, превышающую проницаемость вакуума в несколько тысяч раз. Поэтому все электротехнические устройства, использующие магнитные поля для преобразования энергии, обязательно имеют конструктивные элементы, изготовленные из ферромагнитного материала и предназначенные для проведения магнитного потока. Такие элементы называются магнитопроводы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1. Свойства ферромагнетиков

     Магнитные свойства веществ зависят от магнитных свойств элементарных носителей магнетизма -движущихся внутри атомов электронов, а также от совместного действия их групп. Электроны в атомах, двигаясь по орбитам вокруг ядра атома, образуют элементарные токи или магнитные диполи, которые характеризуются магнитным моментом m. Величина его равна произведению элементарного тока i и элементарной площадки s, ограниченной элементарным контуром m = is. Вектор m направлен перпендикулярно к площадке s по правилу буравчика. Магнитный момент тела представляет собой геометрическую сумму магнитных моментов всех диполей. Кроме орбитальных моментов, электроны, вращаясь вокруг своих осей, создают еще спиновые моменты, которые играют важнейшую роль в намагничивании ферромагнетиков.

     

     Рис. 1. Ферромагнетик — упорядочивание магнитных моментов.

     В ферромагнетиках образуются отдельные  самопроизвольные намагниченные области (от 10-2 до 10-6 см³), спиновые моменты которых ориентируются параллельно. Если ферромагнетик не находится во внешнем поле, то магнитные моменты отдельных областей разнонаправлены и суммарный магнитный момент тела равен нулю - ферромагнетик не намагничен. Внесение ферромагнетика во внешнее магнитное поле вызывает поворот магнитных моментов части областей в направлении внешнего поля и рост размеров тех областей, направления магнитных моментов которых близки к направлению внешнего поля. В результате ферромагнетик намагничивается. Зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля В = f(Н) нелинейна и изображается кривой начального намагничивания. Эту зависимость впервые открыл русский ученый А. Г. Столетов. Предложенный им экспериментальный метод заключался в измерении магнитного потока Ф_m в ферромагнитных кольцах при помощи баллистического гальванометра.

     

     Тороид, первичная обмотка которого состояла из N₁ витков, имел сердечник из исследуемого материала (например, отожженного железа). Вторичная обмотка из N₂ витков была замкнута на баллистический гальванометр G (рис. А). Обмотка N₁ включалась в цепь аккумуляторной батареи Б. Напряжение, приложенное к этой обмотке, а, следовательно, и силу тока I₁ в ней можно было изменять с помощью потенциометра R₁. Направление тока

     изменялось  посредством коммутатора К.

     

     При изменении направления тока в обмотке N₁ на противоположное, в цепи обмотке N2 возникал кратковременный индукционный ток и через баллистический гальванометр проходил электрический заряд q, который равен отношению взятого с обратным знаком изменения потокосцепления вторичной обмотки к электрическому сопротивлению R в цепи гальванометра:  

     Если  сердечник тонкий, а площадь поперечного  сечения равна S, то

магнитная индукция поля в сердечнике равна  В = Ф_m/S=qR/(2N₂S)

     Напряженность магнитного поля в сердечнике вычисляется  по следующей формуле  ,

     где Lср – длина средней линии сердечника. Зная B и H можно найти намагниченность .

     Ферромагнетики  сильно втягиваются в область  более сильного магнитного поля. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы. При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.

     Кроме высокой магнитной проницаемости  ферромагнетики обладают сильно выраженной нелинейной зависимостью индукции B от напряженности магнитного поля H, а при перемагничивании связь между B и H становится неоднозначной.

       Как видно из рис. 2, при   наблюдается магнитное насыщение.

       При     зависимость магнитной индукции В от Н нелинейная, а при   – линейная (рис.3).

                          

                          Рис. 2                                                                 Рис. 3

     Функции B(H) имеют особое значение, т.к. только с их помощью можно исследовать  электромагнитные процессы в цепях, содержащих элементы, в которых магнитный поток проходит в ферромагнитной среде. Эти функции бывают двух видов: кривые намагничивания и петли гистерезиса.

     Глава 2. Процесс перемагничивания ферромагнетика

     Пусть первоначально ферромагнетик был полностью размагничен. Сначала индукция быстро возрастает за счет того, что магнитные диполи ориентируются по силовым линиям поля, добавляя свой магнитный поток к внешнему. Затем ее рост замедляется по мере того, как количество неориентированных диполей уменьшается и, наконец, когда практически все они ориентируются по внешнему полю рост индукции прекращается и наступает режим насыщения.

                                                                               

     

                          Рис. 4

     Если  в процессе намагничивания довести  напряженность поля до некоторого значения, а затем начать уменьшать, то уменьшение индукции будет происходить медленнее, чем при намагничивании и новая кривая будет отличаться от первоначальной. Кривая изменения индукции при увеличении напряженности поля для предварительно полностью размагниченного вещества называется начальной кривой намагничивания. На рис. 4 она показана утолщенной линией.

     После нескольких (около 10) циклов изменения  напряженности от положительного до отрицательного максимальных значений зависимость B=f(H) начнет повторяться и приобретет характерный вид симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса. Гистерезисом называют отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля. Явление гистерезиса характерно вообще для всех процессов, в которых наблюдается зависимость какой-либо величины от значения другой не только в текущем, но и в предыдущем состоянии, т.е. B₂=f(H₂, H₁) - где H₂ и H₁ - соответственно текущее и предыдущее значения напряженности.

     Петли гистерезиса можно получить при  различных значениях максимальной напряженности внешнего поля Hm (рис. 5). Геометрическое место точек вершин симметричных циклов гистерезиса называется основной кривой намагничивания. Основная кривая намагничивания практически совпадает с начальной кривой.

     

                          Рис. 5

     Симметричная  петля гистерезиса, полученная при  максимальной напряженности поля Hm (рис.5), соответствующей насыщению ферромагнетика, называется предельным циклом.

     Для предельного цикла устанавливают  также значения индукции Br при H = 0, которое называется остаточной индукцией, и значение Hc при B = 0, называемое коэрцитивной силой. Коэрцитивная (удерживающая) сила показывает, какую напряженность внешнего поля следует приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля.

     Форма и характерные точки предельного цикла определяют свойства ферромагнетика. Вещества с большой остаточной индукцией, коэрцитивной силой и площадью петли гистерезиса (кривая 1 рис. 6) называются магнитнотвердыми. Они используются для изготовления постоянных магнитов. Вещества с малой остаточной индукцией и площадью петли гистерезиса (кривая 2 рис. 6) называются магнитномягкими и используются для изготовления магнитопроводов электротехнических устройств, в особенности работающих при периодически изменяющемся магнитном потоке.

     

                         Рис. 6

     При перемагничивании ферромагнетика в  нем происходят необратимые преобразования энергии в тепло.

     Пусть магнитное поле создается обмоткой, по которой протекает ток i. Тогда  работа источника питания обмотки, затрачиваемая на элементарное изменение магнитного потока равна

       

     (1)

     Если  отнести эту работу на единицу  объема вещества, получим

       

     (2)

     Графически  эта работа представляет собой площадь  элементарной полоски петли гистерезиса (рис. 7 а)).

     

                                                   Рис. 7

     Полная  работа по перемагничиванию единицы  объема вещества определится в виде интеграла по контуру петли гистерезиса

     

     Контур  интегрирования можно разделить  на два участка, соответствующих  изменению индукции от -B_m до B_m и изменению от B_m до -В_m. Интегралы на этих участках соответствуют заштрихованным площадям рис. 7 а) и б). На каждом участке часть площади соответствует отрицательной работе и после вычитания ее из положительной части мы на обоих участках получим площадь, ограниченную кривой петли гистерезиса (рис. 7 в)).

     Обозначая энергию, отнесенную к единице объема вещества, затрачиваемую на перемагничивание за один полный симметричный цикл, через W'_h=A' получим

     

     Существует  эмпирическая зависимость для вычисления удельных потерь энергии на перемагничивание

     

     где h - коэффициент, зависящий от вещества; B_m - максимальное значение индукции; n - показатель степени, зависящий от B_m и обычно принимаемый

     n=1,6 при 0,1Тл < B_m < 1,0 Тл и n=2 при 0 <B_m < 0,1 Тл или 1,0 Тл <B_m< 1,6 Тл.

     Явление гистерезиса и связанные с ним потери энергии могут быть объяснены гипотезой элементарных магнитиков. Элементарными магнитиками в веществе являются частицы, обладающие магнитным моментом. Это могут быть магнитные поля вращающихся по орбитам электронов, а также их спиновые магнитные моменты. Причем последние играют в магнитных явлениях наиболее существенную роль.