ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Цель работы: освоить методику исследования свойств магнитных материалов, получить первоначальные представления о нелинейных свойствах материалов, экспериментально определить параметры магнитных материалов.
Введение
Известно, что магнитные свойства материалов обусловлены наличием магнитного момента атомов вещества. Поведение вещества в магнитном поле и его магнитные свойства описываются уравнениями квантовой механики. Однако в боле простом виде можно сказать, что в зависимости от строения атомов вещества, то есть конфигурации электронных оболочек атомов, и от структуры вещества, то есть распределения атомов в кристаллической решетке, у различных материалов будут разные магнитные свойства. В большинстве случаев структура атомов вещества и структура материалов в целом таковы, что суммарный магнитный момент атомов близок к нулю. Такие материалы слабо взаимодействуют с внешним магнитным полем, то есть являются слабомагнитными. Тем не менее, у некоторых материалов суммарный момент атомов отличен от нуля. Такие материалы хорошо взаимодействуют с внешним магнитным полем, то есть являются сильномагнитными материалами.
Таким образом, можно провести классификацию всех материалов по их магнитным свойствам. Как говорилось ранее, все материалы в той или иной степени взаимодействуют с магнитным полем, однако, степень этого взаимодействия различна. Все материалы можно разделить на сильно магнитные и слабо магнитные (рис. 1). Применительно к электротехническим материалам нас будут интересовать только сильномагнитные материалы, поэтому условно их можно называть просто магнитными материалами, соответственно слабомагнитные можно условно называть немагнитными материалами. Физическим параметром, определяющим магнитные свойства материала, является относительная магнитная проницаемость μ. Для слабомагнитных материалов μ ≈ 1, а для сильномагнитных μ >> 1. В свою очередь слабомагнитные материалы подразделяются на диамагнетики, парамагнетики и антиферромагнетики. Данные материалы отличаются друг от друга степенью восприимчивости их магнитной проницаемости на изменение температуры и напряженности магнитного поля. К сильномагнитным материалам относятся ферромагнетики и ферримагнетики. Данные материалы отличаются структурой вещества, величиной удельного электрического сопротивления ρ, а также имеют различные магнитные свойства.
Рис. 1. Классификация материалов по магнитным свойствам
Основные свойства магнитных материалов
Известно, что магнитное поле создается электрическим током, то есть движением заряженных частиц. Проводник с током создает вокруг себя магнитное поле, которое характеризуется напряженностью H [А/м]. Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция B [Тл], которая связана с напряженностью поля выражением
, (1)
где μ0 = 4π ∙ 10-7 – магнитная постоянная.
По характеру изменения зависимости B(H) различают материалы с линейной зависимостью, нелинейной и с петлей гистерезиса (рис. 2). К материалам с линейной зависимостью относятся диамагнетики и парамагнетики (а), антиферромагнетики имеют нелинейную зависимость (б). Ферро- и ферримагнетики, то есть все сильномагнитные материалы обладают петлей гистерезиса (в). Наличие гистерезиса в зависимости B(H), говорит о том, что характер изменения зависит от того, увеличивается или уменьшается значение H.
Рис. 2. Зависимости B(H) для материалов с различными характеристиками
На рис. 3(в) синим цветом отмечена основная кривая намагничивания. Данная крива образуется семейством петель гистерезиса, как максимальное и минимальное вершины петли. Другой физический смысл основной кривой намагничивания – это значение функции B(H) для полностью размагниченного материала. На петле гистерезиса отмечены точки Br и Hc, т.е. точки пересечения с осями. Точка Br называется остаточной намагниченностью – это то значение магнитной индукции, которое остается в материале после отключения внешнего магнитного поля. Точка Hc – это коэрцитивная сила, т.е. такая напряженность магнитного поля, которая необходима, чтобы полностью размагнитить материал.