Краткие теоретические сведения. Ферромагнетиками называются твердые вещества, в которых наблюдается явление спонтанной намагниченности

Ферромагнетиками называются твердые вещества, в которых наблюдается явление спонтанной намагниченности. Они способны сохранять намагниченность в отсутствие магнитного поля.

Особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость между намагниченностью J и напряженностью магнитного поля H (равносильно между вектором магнитной индукции В и напряженностью магнитного поля H). Вследствие нелинейной связи между величинами В и Н для ферромагнетиков теряет смысл введение магнитной проницаемости, как определенной постоянной величины. В действительности она является функцией напряженности поля Н и определяется как

. (1)

Вторая особенность ферромагнетиков состоит в том, что для них зависимость В от Н неоднозначна, а определяется предысторией намагничивания ферромагнитного образца. Это явление называется магнитным гистерезисом. Оно проявляется в том, что при изменении намагничивающего поля Н, магнитная индукция В в ферромагнетике отстает от внешнего магнитного поля Н. В результате при выключении поля Н ферромагнетик остается намагниченным и магнитная индукция в нем равна B_r (остаточная намагниченность). Чтобы уничтожить остаточную намагниченность в ферромагнетике необходимо наложить внешнее поле противоположного направления и величины Н_с (коэрцитивная сила ферромагнетика). По величинам B_r и Н_с ферромагнетики делятся на магнитомягкие и магнитожесткие. Наличие гистерезиса приводит к тому, что, при периодическом изменении напряженности от +Н до –Н, значения В образуют замкнутую кривую, называемую петлей гистерезиса. Площадь петли определяет количество тепла, выделяющееся в единичном объеме за один цикл перемагничивания ферромагнетика

. (2)

Петлю гистерезиса можно наблюдать на экране осциллографа, если на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение U_x, пропорциональное Н, а на вертикально отклоняющие пластины-U_y, пропорциональное В.

Для наблюдения петли гистерезиса и измерения ее параметров необходимо собрать следующую электрическую схему (рис. 2).

Трансформатор представляет собой замкнутый ферромагнитный сердечник, на котором размещены две обмотки: I-намагничивающая и II-измерительная. При пропускании переменного тока по обмотке I на сопротивлении R₁ возникает напряжение U_x пропорциональное току I, в свою очередь напряженность поля Н также пропорциональна величине I. Следовательно напряжение U_x пропорционально величине Н, которая изменяется от +Н до –Н. Во вторичной обмотке возникает ЭДС индукции, пропорциональная скорости изменения магнитной индукции . Цепь RC выполняет роль интегрирующей ячейки, поэтому U_c=U_y~ , т.е. В. Для проведения количественных измерений необходимо установить соотношения между величинами U_x и Н, между величинами U_y и В.

Рассмотрим условие, при котором начало координат находится в центре петли. Напряженность магнитного поля Н, создаваемого первичной обмоткой с числом витков N₁ в ферромагнитном сердечнике, определяется как

Н=aU_X, (3)

где Ux – значение напряжения в канале В. Коэффициент

, (4)

где l-длина средней линии ферромагнитного сердечника, на котором равномерно распределена первичная (намагничивающая) обмотка; R₁-сопротивление, последовательно соединенное с первичной обмоткой.

Индукция магнитного поля в ферромагнетике В

B=bU_Y, (5)

где U_Y - значение напряжения в канале А. Коэффициент

, (6)

где R и С- сопротивление и емкость интегрирующей ячейки; N₂ –число витков вторичной обмотки; S-площадь поперечного сечения ферромагнитного образца (сердечника трансформатора).

Мощность, расходуемая на один цикл перемагничивания ферромагнитного образца, называемая мощностью потерь, пропорциональна площади петли гистерезиса.

Р=cS_петли, (7)

где S_петли- площадь петли гистерезиса, измеренная в делениях шкалы осциллографа;

, (8)

где n - частота колебаний напряжения, подаваемого с генератора звуковых частот на первичную обмотку.