Гистерезис намагничивания и кривая Столетова

Магнитный гистерезис: описание явления, гистерезисная петля

Гистерезис намагничивания и кривая Столетова

В данной статье мы рассмотрим явление под названием магнитный гистерезис, которое связано со свойствами намагничивания материала, благодаря которому он сначала намагничивается, а затем размагничивается. Рассмотрим кривые намагничивания, сохраняемость, а так же магнитную петлю гистерезиса.

Описание явления магнитного гистерезиса

Мы знаем, что магнитный поток, создаваемый электромагнитной катушкой, представляет собой величину магнитного поля или силовых линий, создаваемых в данной области, и что его чаще называют «плотностью потока», обозначенным символ B с единицей измерения Тесла, Т.

Мы также знаем из предыдущих уроков, что магнитная сила электромагнита зависит от числа витков катушки, тока, протекающего через катушку, или от типа используемого материала сердечника, и если мы увеличим либо ток, либо число оказывается, мы можем увеличить напряженность магнитного поля H.

Ранее относительная проницаемость, символ µ r, определялась как отношение абсолютной проницаемости µ и проницаемости свободного пространства µ o(вакуум), и это задавалось как постоянная величина.

 Однако взаимосвязь между плотностью потока B и напряженностью магнитного поля H может быть определена тем фактом, что относительная проницаемость µ r не является постоянной величиной, а функцией интенсивности магнитного поля, что дает плотность магнитного потока как:   B = M H .

Тогда плотность магнитного потока в материале будет увеличена в большей степени в результате его относительной проницаемости для материала по сравнению с плотностью магнитного потока в вакууме, µ o H, а для катушки с воздушной сердцевиной это соотношение определяется как:

Таким образом, для ферромагнитных материалов отношение плотности потока к напряженности поля ( B / H ) не является постоянным, а изменяется в зависимости от плотности потока.

 Тем не менее, для катушек с воздушной сердцевиной или любой сердцевины с немагнитной средой, такой как дерево или пластмасса, это отношение можно считать постоянной величиной, и эта постоянная известна как μ o , проницаемость свободного пространства ( μ o = 4.π.10 -7  ч / м ).

Построив значения плотности потока ( B ) против напряженности поля, ( Н ) мы можем произвести набор кривых , называемых Кривые намагничиваниякривые магнитного гистерезиса или более обычно BH кривые для каждого типа основного используемого материала.

Намагниченность или кривая B-H

Набор кривых намагничивания выше, представляет пример взаимосвязи между B и H для сердечников из мягкого железа и стали, но каждый тип материала сердечника будет иметь свой собственный набор кривых магнитного гистерезиса.

Вы можете заметить, что плотность потока увеличивается пропорционально напряженности поля до тех пор, пока она не достигнет определенного значения, если оно больше не может становиться почти равным и постоянным, поскольку напряженность поля продолжает увеличиваться.

Это связано с тем, что существует ограничение на количество плотности потока, которое может генерироваться ядром, поскольку все домены в железе идеально выровнены.

 Любое дальнейшее увеличение не будет влиять на значение M , и точка на графике, где плотность потока достигает своего предела, называется магнитным насыщением, также известным как насыщение сердечника, и в нашем простом примере выше точки насыщения стальной кривой начинается примерно с 3000 ампер-витков на метр.

Насыщение происходит потому, что, как мы помним из предыдущей статьи по магнетизму, который включал теорию Вебера, случайное расположение структуры молекулы в материале ядра изменяется, когда крошечные молекулярные магниты в материале становятся «выстроенными».

По мере увеличения напряженности магнитного поля ( H ) эти молекулярные магниты становятся все более и более выровненными, пока они не достигнут идеального выравнивания, создавая максимальную плотность потока, и любое увеличение напряженности магнитного поля из-за увеличения электрического тока, протекающего через катушку, будет иметь мало или вообще не будет иметь эффекта.

Сохраняемость (способность сохранять остаточный магнетизм)

Предположим, что у нас есть электромагнитная катушка с высокой напряженностью поля из-за тока, протекающего через нее, и что материал ферромагнитного сердечника достиг своей точки насыщения, максимальной плотности потока. Если мы теперь откроем переключатель и удалим ток намагничивания, протекающий через катушку, мы ожидаем, что магнитное поле вокруг катушки исчезнет, ​​когда магнитный поток уменьшится до нуля.

Однако магнитный поток не исчезает полностью, поскольку материал электромагнитного сердечника все еще сохраняет часть своего магнетизма, даже когда ток прекращает течь в катушке.

Эта способность к катушке, чтобы сохранить часть своего магнетизма внутри сердечника после процесса намагничивания остановилось называются сохраняемость или остаточной намагниченности, в то время как величина плотности потока все еще остается в ядре, называется остаточным магнетизмом B R  .

Причиной этого является то, что некоторые из крошечных молекулярных магнитов не возвращаются к совершенно случайному образцу и все же указывают в направлении исходного поля намагничивания, давая им своего рода «память». Некоторые ферромагнитные материалы обладают высокой удельной удерживаемостью (магнитной твердостью), что делает их превосходными для изготовления постоянных магнитов.

В то время как другие ферромагнитные материалы имеют низкую способность удерживать (магнитно-мягкие), что делает их идеальными для использования в электромагнитах, соленоидах или реле.

Один из способов уменьшить эту остаточную плотность потока до нуля — изменить направление тока, протекающего через катушку, путем изменения значения H, напряженности магнитного поля, отрицательной.

Этот эффект называется коэрцитивной силой H C .

Если этот обратный ток увеличивается еще больше, то плотность потока будет также увеличиваться в обратном направлении, пока ферромагнитный сердечник не достигнет насыщения снова, но в обратном направлении от предыдущего. Снижая ток намагничивания I снова до нуля создаст аналогичную величину остаточного магнетизма, но в обратном направлении.

Затем путем постоянного изменения направления тока намагничивания через катушку с положительного направления на отрицательное направление, как в случае с источником переменного тока, можно создать петлю магнитного гистерезиса ферромагнитного сердечника.

Магнитная петля гистерезиса

Магнитная петля гистерезиса выше, показывает поведение ферромагнитного сердечника графически в виде соотношения между B и H является нелинейным. Начиная с немагнитного сердечника, и B, и H будут в нуле, точка 0 на кривой намагничивания.

Если ток намагничивания I увеличивается в положительном направлении до некоторого значения, напряженность магнитного поля H линейно увеличивается с I,и плотность потока B также будет увеличиваться, как показано кривой из точки 0 в точку a, когда она движется к насыщению.

Теперь, если ток намагничивания в катушке уменьшается до нуля, магнитное поле, циркулирующее вокруг сердечника, также уменьшается до нуля. Однако магнитный поток катушек не достигнет нуля из-за остаточного магнетизма, присутствующего в сердечнике, и это показано на кривой от точки а к точке b .

Чтобы уменьшить плотность потока в точке b до нуля, необходимо обратить ток, протекающий через катушку. Сила намагничивания, которая должна применяться для обнуления остаточной плотности потока, называется «Коэрцитивной силой». Эта коэрцитивная сила меняет магнитное поле, перестраивая молекулярные магниты, пока ядро ​​не станет немагнитным в точке с .

Увеличение этого обратного тока вызывает намагничивание сердечника в противоположном направлении, и дальнейшее увеличение этого тока намагничивания приведет к тому, что сердечник достигнет своей точки насыщения, но в противоположном направлении, точки d на кривой.

Эта точка симметрична точке b . Если ток намагничивания снова уменьшится до нуля, остаточный намагниченность, присутствующая в сердечнике, будет равна предыдущему значению, но в точке е будет обратной .

Снова изменение направления тока намагничивания, протекающего через катушку на этот раз в положительном направлении, приведет к тому, что магнитный поток достигнет нуля, точка f на кривой, и, как и прежде, дальнейшее увеличение тока намагничивания в положительном направлении приведет к насыщению сердечника в точке а .

Затем кривая B-H следует по пути a-b-c-d-e-f-a, когда ток намагничивания, протекающий через катушку, чередуется между положительным и отрицательным значением, таким как цикл переменного напряжения. Этот путь называется магнитной петлей гистерезиса.

Эффект магнитного гистерезиса показывает, что процесс намагничивания ферромагнитного сердечника и, следовательно, плотность потока зависят от того, на какую часть кривой намагничивается ферромагнитный сердечник, поскольку это зависит от прошлых цепей, придающих сердечнику форму «памяти». Тогда ферромагнитные материалы имеют память, потому что они остаются намагниченными после того, как внешнее магнитное поле было удалено.

Однако мягкие ферромагнитные материалы, такие как железная или кремниевая сталь, имеют очень узкие петли магнитного гистерезиса, что приводит к очень небольшим количествам остаточного магнетизма, что делает их идеальными для использования в реле, соленоидах и трансформаторах, поскольку они могут легко намагничиваться и размагничиваться.

Поскольку для преодоления этого остаточного магнетизма необходимо применять коэрцитивную силу, необходимо выполнить работу по замыканию петли гистерезиса, чтобы используемая энергия рассеивалась в виде тепла в магнитном материале. Это тепло известно как потеря гистерезиса, величина потери зависит от значения материала коэрцитивной силы.

Добавляя добавки к металлическому железу, такие как кремний, можно получить материалы с очень малой коэрцитивной силой, которые имеют очень узкую петлю гистерезиса. Материалы с узкими петлями гистерезиса легко намагничиваются и размагничиваются и известны как магнитомягкие материалы.

Магнитные петли гистерезиса для мягких и твердых материалов

Магнитный гистерезис приводит к рассеиванию потраченной энергии в виде тепла, причем энергия теряется пропорционально площади петли магнитного гистерезиса.

 Потери гистерезиса всегда будут проблемой в трансформаторах переменного тока, где ток постоянно меняет направление, и, таким образом, магнитные полюсы в сердечнике будут вызывать потери, потому что они постоянно меняют направление.

Вращающиеся катушки в машинах постоянного тока также будут нести гистерезисные потери, поскольку они попеременно проходят севернее южных магнитных полюсов.

Как указывалось ранее, форма петли гистерезиса зависит от природы используемого железа или стали, и в случае железа, которое подвергается массивным изменениям магнетизма, например, сердечники трансформатора, важно, чтобы петля гистерезиса B-H была как можно меньше.

В следующей статье об электромагнетизме мы рассмотрим закон электромагнитной индукции Фарадея и увидим, что, перемещая проводной проводник в стационарном магнитном поле, можно вызвать электрический ток в проводнике, образующий простой генератор.

Источник: https://meanders.ru/chto-takoe-magnitnyj-gisterezis-krivye-magnitnogo-namagnichivanija.shtml

Кривая намагничивания и петля гистерезиса

Гистерезис намагничивания и кривая Столетова

Для характеристики явления намагничивания вещества вводится величина Iназываемая намагниченностью вещества. Намагниченность в СИ определяется формулой

Для ферромагнитных тел намагниченность Iявляется сложной нелинейной функцией B0. Зависимость I от величины Во/µ0 называется кривой на­магниченности (рис.2). Кривая указывает на явление магнитного насыщения: начиная с некоторого значения Во/µ0= В0н/µ0, намагниченность практически остается постоянной, равной Iн(намагниченность насыщения).

Магнитным гистерезисом (От греческого «hysteresis» — отставание следствия от его причины) ферромагнетика называется отставание измене­ния величины намагниченности ферромагнитного вещества от изменения внешнего магнитного поля, в котором находится вещество.

Важнейшей причиной магнитного гистерезиса является характерная для ферромагнетика зависимость его магнитных характеристик (µ, I) не только от состояния вещества в данный момент, но и от значений величин µ и I в предыдущие моменты времени.

Таким образом, суще­ствует зависимость магнитных свойств от предшествующей намагниченности вещества.

Петлей гистерезиса называется кривая зависимости изменения величины намагниченности ферромагнитного тела, помещенного во внешнее магнитное поле, от изменения индукции этого поля от + Во/µ0 до — Во/µ0 и обратно. Значение + Во/µ0 соответствует намагниченности насыщения Iн.

Для того чтобы полностью размагнитить ферромагнитное тело, необходимо изменить на­правление внешнего поля.

При некотором зна­чении магнитной индукции — В0к , которой соот­ветствует величина В0к/µ0, называемая коэрцитивной(задерживающей) силoй, намагничен­ность I тела станет равной нулю.

Коэрцитивная сила и форма петли гистерезиса характеризуют свойство ферромагнетика сохранять остаточное намагничивание и определяют использова­ние ферромагнетиков для различных целей. Ферромагнетики с широкой петлей ги­стерезиса называются жесткими магнитными материалами (углеродистые, воль­фрамовые, хромовые, алюминиево-никелевые и другие стали).

Они обладают большой коэрцитивной силой и используются для создания постоянных магнитов различной формы (полосовых,подковообразных, магнитных стрелок). К мягким магнитным материалам,обладающим малой коэрцитивной силой и узкой петлей гистерезиса, относятся железо, сплавы железа с никелем.

Эти материалы исполь­зуются для изготовления сердечников трансформаторов, генераторов и других устройств, по условиям работы которых происходит перемагничивание в пере­менных магнитных петлях. Перемагничивание ферромагнетика связано с поворотом областей самопроизвольного намагничивания.

Работа, необходимая для это­го, совершается за счет энергии внешнего магнитного поля. Количество теплоты, выделяющейся при перемагничивании, пропорционально площади петли гистерезиса.

При температурах меньших точки Кюри любое ферромагнитное тело состоит из доменов — малых областей с линейными размерами порядка 10-2 -10-3 см, внутри которых существует наибольшая величина намагниченности, равная намаг­ниченности насыщения. Домены называются иначе областями самопроиз­вольной намагниченности.

В отсутствие внешнего магнитного поля векторы магнитных моментов от­дельных доменов ориентированы внутри ферромагнетика совершенно беспорядоч­но, так что суммарный магнитный момент всего тела равен нулю (рис.).

Под влиянием внешнего магнитного поля в ферромагнетиках происходит поворот вдоль поля магнитных моментов не отдельных атомов или молекул, как в парамаг­нетиках, а целых областей самопроизвольной намагниченности — доме­нов.

При увеличении внешнего поля размеры доменов, намагни­ченных вдоль внешнего поля, растут за счет уменьшения размеров доменов с дру­гими (не совпадающими с направлением внешнего поля) ориентациями. При достаточно сильном внешнем магнитном поле все ферромагнитное тело оказывается намагниченным.

Величина намагничен­ности достигает максимального значения — наступает магнитное насыщение. В отсутствие внешнего поля часть магнитных моментов до­менов остается ориентированной, и этим объясняется существование остаточной намагниченности и возможность создания постоянных магнитов.

Применение ферромагнетиков в технике. Роторы генераторов и электродвигателей; сердечники трансформаторов, электромагнитных реле; в электронно-вычислитель­ных машинах (ЭВМ), телефонах, магнитофонах, на магнитных лентах.

Парамагнитные вещества характеризуются тем, что намагничиваются во внешнем магнитном поле; если же это поле выключить, парамагнетики возвращаются в ненамагниченное состояние. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется и после выключения внешнего поля. На рис. 2 представлена типичная петля гистерезиса для магнитно-твердого (с большими потерями) ферромагнитного материала.

Она характеризует неоднозначную зависимость намагниченности магнитоупорядоченного материала от напряженности намагничивающего поля. С увеличением напряженности магнитного поля от исходной (нулевой) точки (1) намагничивание идет по штриховой линии 1-2, причем величина m существенно изменяется по мере того, как возрастает намагниченность образца. В точке 2 достигается насыщение, т.е.

при дальнейшем увеличении напряженности намагниченность больше не увеличивается. Если теперь постепенно уменьшать величину H до нуля, то кривая B(H) уже не следует по прежнему пути, а проходит через точку 3, обнаруживая как бы «память» материала о «прошлой истории», откуда и название «гистерезис». Очевидно, что при этом сохраняется некоторая остаточная намагниченность (отрезок 1-3).

После изменения направления намагничивающего поля на обратное кривая В (Н) проходит точку 4, причем отрезок (1)-(4) соответствует коэрцитивной силе, препятствующей размагничиванию. Дальнейший рост значений (-H) приводит кривую гистерезиса в третий квадрант — участок 4-5.

Следующее за этим уменьшение величины (-H) до нуля и затем возрастание положительных значений H приведет к замыканию петли гистерезиса через точки 6, 7 и 2.

Рис. 2. ТИПИЧНАЯ ПЕТЛЯ ГИСТЕРЕЗИСА для магнитно-твердого ферромагнитного материала. В точке 2 достигается магнитное насыщение. Отрезок 1-3 определяет остаточную магнитную индукцию, а отрезок 1-4 — коэрцитивную силу, характеризующую способность образца противостоять размагничиванию.

Магнитно-твердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса, охватывающей значительную площадь на диаграмме и потому соответствующей большим значениям остаточной намагниченности (магнитной индукции) и коэрцитивной силы. Узкая петля гистерезиса (рис.

3) характерна для магнитно-мягких материалов — таких, как мягкая сталь и специальные сплавы с большой магнитной проницаемостью. Такие сплавы и были созданы с целью снижения обусловленных гистерезисом энергетических потерь.

Большинство подобных специальных сплавов, как и ферриты, обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и электрические, обусловленные вихревыми токами.

Рис. 3. ТИПИЧНАЯ ПЕТЛЯ ГИСТЕРЕЗИСА для магнитно-мягкого материала (например, железа). Поскольку площадь петли пропорциональна потерям энергии, такие материалы слабо сопротивляются размагничиванию и характеризуются малыми потерями энергии.

Магнитные материалы с высокой проницаемостью изготовляются путем отжига, осуществляемого выдерживанием при температуре около 1000° С, с последующим отпуском (постепенным охлаждением) до комнатной температуры. При этом очень существенны предварительная механическая и термическая обработка, а также отсутствие в образце примесей.

Для сердечников трансформаторов в начале 20 в. были разработаны кремнистые стали, величина m которых возрастала с увеличением содержания кремния. Между 1915 и 1920 появились пермаллои (сплавы Ni с Fe) с характерной для них узкой и почти прямоугольной петлей гистерезиса.

Особенно высокими значениями магнитной проницаемости m при малых значениях H отличаются сплавы гиперник (50% Ni, 50% Fe) и му-металл (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тогда как в перминваре (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) величина m практически постоянна в широких пределах изменения напряженности поля.

Среди современных магнитных материалов следует упомянуть супермаллой — сплав с наивысшей магнитной проницаемостью (в его состав входит 79% Ni, 15% Fe и 5% Mo).

(взято с http://www.phyzika.ru/Magnitnoe.html)

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/11_5720_krivaya-namagnichivaniya-i-petlya-gisterezisa.html

Документ Microsoft Office Word (3)

Гистерезис намагничивания и кривая Столетова

Билет №7

Вопрос №1

Вопрос №2

Энергия механических колебаний такой системы постепенно расходуется на работу против сил трения, поэтому свободные колебания всегда затухают — их амплитуда постепенно уменьшается

Следовательно, коэффициент затухания есть физическая величина, обратная промежутку времени τ, в течение которого амплитуда убывает в е раз. Величина τ называется временем релаксации.

Пусть N — число колебаний, после которых амплитуда уменьшается в е раз, Тогда

Следовательно, логарифмический декремент затухания δ есть физическая величина, обратная числу колебаний N, по истечению которого амплитуда убывает в е раз.

Билет №8

Вопрос №1

Вопрос № 2

Ферромагнетики. Опыты Столетова. Кривая намагничивания. блаблабла

1)Ферромагнетики –  это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры.

Магнитное насыщение

При НHs – линейная.

2)Впервые систематические исследования μ от Н были проведены Столетовым. Зависимость магнитной проницаемости некоторых ферромагнетиков от напряженности магнитного поля – кривая Столетова.

3)У каждого ферромагнетика имеется такая температура, называемая точкой Кюри,выше которой это вещество теряет свои особые магнитные свойства.

Наличие температуры Кюри связано с разрушением при T>Tk упорядоченного состояния в магнитной подсистеме кристалла – параллельной ориентации магнитных моментов.

4) петля гистерезиса – график зависимости намагниченности вещества от напряженности магнитного поля Н.

      Намагниченность Js при H=Hs называется намагниченностью насыщения.

Намагниченность ±JR при H=0 называется остаточной намагниченностью (что необходимо для создания постоянных магнитов)

Домен — область в ферромагнитном кристалле, в которой существует самопроизвольная намагниченность

Билет№9

Вопрос№1

Вопрос №2

Закон полного тока в ваууме.

закон полного тока для магнитного поля в вакууме формулируется следующим образом: циркуляция вектора   по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром, т.еК

Каждый ток учитывается столько раз, сколько раз он охватывается контуром.

Положительным считается ток, направление которого связано с направлением обхода контура правилом правого винта; ток противоположного направления считается отрицательным. Например, для системы токов, охваченных контуром l на рис. 3.9, закон полного тока запишется следующим образом:

Билет №10

Вопрос №1(проверить совпадение)

Энергия системы проводников, магнитного поля. Объемная плотность.

Пусть проводник имеет емкость С, заряд q, потенциал φ; тогда работа, совершаемая против сил электрического поля при перенесении заряда dq из бесконечности на проводник, будет dA= φdq=C φd φ.

Чтобы зарядить проводник от нуля до потенциала φ, необходимо совершить работу

Энергия заряженного проводника ,

полная энергия системы заряженных проводников

Для конденсатора . (1)

Покажем, что формула (1) выражает энергию электрического поля. Подставляя в (1) выражение для емкости плоского конденсатора и учитывая, что U = Ed, находим

,

где V — объем, занятый электрическим полем. Объемная плотность энергии

Дж/м3

Это физическая величина, численно равная отношению потенциальной энергии поля, заключенной в элементе объема, к этому объему.

Билет №11

Вопрос №1

Маг.поле постоянн.тока Вектор маг.индукции. Закон Ампера.

Магнитное поле – вид материи, возникающий вокруг подвижных зарядов.

Экспериментальные исследования: При пропускании по проводнику тока находящаяся под ним магнитная стрелка поворачивается перпендикулярно току.

Вокруг проводника образуется магнитное поле.

Линии магнитное индукции – линии, проведенные в магнитном поле так, что в каждой точке поля касательная к линии совпадает с направлением вектора маг.индукции —

силовой характеристикой магнитного поля в данной точке пространства, показывающей, с какой силой магнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью .

Закон Ампера параллельные проводники с постоянными токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположном — отталкиваются.

Сила , с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна силе тока I в проводнике и векторному произведению элемента длины проводника на магнитную индукцию :

; ,

где α — угол между векторами магнитной индукции и тока.

Вращающий момент М равен моменту пары сил F.

Био-Савар-Лаплас. Пример.

Билет №12

Вопрос № 1

Вопрос №2

Затухающий колебания.Коэф.затухания. логарифм.декремент. Добротность =)

Энергия механических колебаний такой системы постепенно расходуется на работу против сил трения, поэтому свободные колебания всегда затухают — их амплитуда постепенно уменьшается

Следовательно, коэффициент затухания есть физическая величина, обратная промежутку времени τ, в течение которого амплитуда убывает в е раз. Величина τ называется временем релаксации.

Пусть N — число колебаний, после которых амплитуда уменьшается в е раз, Тогда

Следовательно, логарифмический декремент затухания δ есть физическая величина, обратная числу колебаний N, по истечению которого амплитуда убывает в е раз.

Добротность — характеристика колебательной системы, определяющая полосу резонанса и показывающая, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за один период колебаний

Источник: https://studfile.net/preview/2730699/

Гистерезис намагничивания и кривая Столетова

Гистерезис намагничивания и кривая Столетова

Ферромагнетики обнаруживают свойство, которое по форме аналогично свойству сегнетоэлектриков, а именно гистерезис. Магнитная индукция (или намагниченность) ферромагнетиков не только не линейна относительно напряженности магнитного поля, но и зависит от истории намагничивания.

Допустим, что мы намагничиваем первоначально не намагниченный ферромагнетик, помещая его внутрь намагничивающей катушки. Увеличим напряжённость поля от нуля, до $H_{1\ }$(рис.1).

Зависимость B(H) определена отрезком О1 кривой О1А и при напряженности поля равной $H_{1\ }$ индукция магнитного поля равна $B_{1\ }$.

Если теперь уменьшать напряженность магнитного поля, то изменение магнитной индукции будет изображено не отрезком О1.

Рис. 1

Участок OA на рис. 1 называют основной кривой намагничивания, так как включение поля проводят при B=0, постоянной намагниченности нет. Замкнутая кривая ACDFGKSA — петля гистерезиса.

Если уменьшать напряжённость магнитного поля от точки А до нуля, то индукция магнитного поля ферромагнетика уменьшится до индукции в точке C. Такая индукция называется остаточной.

В этом состоянии ферромагнетик — постоянный магнит.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Для ликвидации остатков магнитного поля следует приложить обратное поле, напряженность которого равна $H_2$. Такая напряженность называется коэрцитивной силой ферромагнетика.

Аналогично рис.1 получается петля на диаграмме намагниченности J(H).

Если при этом максимальное значение напряженности поля таково, что намагниченность достигает насыщения, то получают максимальную петлю гистерезиса.

Если такового напряжения поля не достигает, то петлю гистерезиса называют частным циклом. Частных циклов может существовать бесконечно много, и все они лежат внутри максимальной петли.

Гистерезис приводит к тому, что индукция магнитного поля не является однозначной функцией от напряженности. Она существенно зависит от истории намагничивания. Так, в поле с напряженностью $H_1$ индукция может иметь значение в интервале от $B'_1до\ B{''}_1\ $(рис.1).

Форма петли гистерезиса, остаточная индукция, коэрцитивная сила зависит от вещества ферромагнетика и может существенно изменяться.

Кривая Столетова

Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость между намагниченностью ($\overrightarrow{J}$) и напряженностью магнитного поля ($\overrightarrow{H}$) или индукцией магнитного поля ($\overrightarrow{B}$) и напряженностью. Первым подробные исследования для железа были проведены А.Г. Столетовым.

Мы помним, что напряженность магнитного поля и его индукция связаны соотношением:

Для ферромагнетиков магнитная проницаемость ($\mu $) — не является постоянной и зависит от напряженности магнитного поля, вообще в связи с неоднозначностью связи B(H) само понятие магнитной проницаемости применяют только к основной кривой намагничивания. Изобразим на рис.2 (a) основную кривую намагничивания. Проведем из начала координат прямую через любую точку кривой.

Тангенс угла наклона этой прямой пропорционален отношению $\frac{B}{H}$, то есть пропорционален магнитной проницаемости для соответствующего значения напряженности. При росте напряженности от нуля до некоторого значения $\mu $ сначала растет, в точке 2 достигает максимума, затем падает.

Максимальное значение магнитной проницаемости достигает максимума раньше, чем наступает насыщение.

Рис. 2

При бесконечном увеличении напряженности внешнего поля $\mu $ асимптотический стремится к единице. Это является следствием того, что намагниченность не может превысить $J_{max}$, в выражении:

Кривая, изображенная на рис 2 (б), называется кривой Столетова.

Пример 1

Задание: Как полностью размагнитить ферромагнетик, если он имеет намагниченность отличную от нуля.

Решение:

Для того чтобы размагнитит ферромагнетик его можно поместить в переменное магнитное поле, которое создается, например, катушкой с током. Силу тока уменьшим до нуля.

При этом в магнитном поле катушки ферромагнетик подвергается многократным циклическим перемагничиваниям, которые соответствуют разным петлям гистерезиса, которые постепенно уменьшаются и стягиваются к точке O (рис.1), где намагниченность равна нулю.

Пример 2

Задание: Укажите, в каком из циклов ACDF или KLMN один и тот же ферромагнетик нагреется больше.

Рис. 3

Решение:

Рассмотрим цикл ACDF.

Чтобы значение индукции увеличить от $B_1$ до $B_2$, требуется работа равная площади, которая ограничена ветвью кривой намагничивания DFA или площади фигуры $B_1DFAB_2$, при размагничивании до исходного состояния возвращаемая работа равна площади фигуры $B_2ACDB_1\ $(которая, очевидно меньше). При полном цикле перемагничивания в каждую единицу объема магнетика вводится энергия w равная:

\[w=S\ \left(2.1\right),\]

где S — площадь петли гистерезиса. Эта работа расходуется на преодоление коэрцитивных сил в магнетике и в конечном итоге превращается в тепло. Поэтому ферромагнетики при циклическом перемагничивании нагреваются. Чем больше площадь петли гистерезиса, тем больше нагрев.

Ответ: В цикле ACDF ферромагнетик нагреется больше.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/magnetiki/gisterezis_namagnichivaniya_i_krivaya_stoletova/

Снятие петли Гистерезиса и кривой намагничивания с помощью осциллографа

Гистерезис намагничивания и кривая Столетова

Цель: 1. Освоение метода наблюдения петли магнитного гистерезиса с помощью электронного осциллографа. 2. Снятие кривой намагничивания ферромагнетика. 3. Определение остаточной индукции и коэрцитивной силы ферромагнетика. 4. Определение магнитной проницаемости ферромагнитного образца.

Приборы и принадлежности:

1. Установка для изучения характеристик ферромагнетика. 2. Набор ферромагнитных образцов.

3. Электронный осциллограф.

Теоретическое введение

Магнитное состояние вещества объясняется его внутренним строением: типом атомов и молекул и их взаимодействием друг с другом. Магнитный момент атома суммируется из магнитных моментов электронов и магнитного момента ядра ; причем . Магнитный момент электрона определяется характером его движения вокруг ядра, т. е. орбитальным магнитным моментом и спиновым магнитным моментом . Поэтому

, (1)

где — число электронов в атоме.

Главной характеристикой магнитного состояния веществ является вектор намагничивания:

. (2)

Вектор намагничивания — геометрическая сумма магнитных моментов атомов или молекул единицы объема вещества.

Единицей измерения вектора намагничивания является 1 А/м. Вектор намагничивания зависит от рода вещества и вектора напряженности внешнего магнитного поля Н:

, (3)

где — магнитная восприимчивость вещества. Магнитное состояние вещества характеризуется также вектором индукции В:

, (4)

где — магнитная постоянная, определяющая абсолютную магнитную проницаемость вакуума и равная Гн/м;

— относительная магнитная проницаемость вещества, связанная с магнитной восприимчивостью соотношением

В зависимости от знака магнитной восприимчивости вещества различают диамагнитные, у которых , и парамагнитные, у которых . Магнитная восприимчивость вакуума равна 0, и магнитная проницаемость равна 1. В зависимости от величин магнитных проницаемости — или восприимчивости . вещества делят на три группы:

1) диамагнетики, имеющие ;

2) парамагнетики, имеющие ;

3) ферромагнетики, имеющие .

Первые две группы образуют класс слабомагнитных веществ, третья группа представляет собою класс сильномагнитных веществ.

Ферромагнетики — в широком смысле есть класс парамагнетиков, намагничивающихся во внешнем магнитном поле по направлению этого поля, в узком смысле — класс веществ, обладающих рядом отличительных особенностей. К этим особенностям относятся:

— кристаллическое состояние вещества;

— аномально большое значение магнитной проницаемости (порядка );

— нелинейный характер зависимости вектора намагничивания от напряженности внешнего магнитного поля;

— гистерезис магнитных свойств, существование остаточного намагничивания и коэрцитивной силы ;

— зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля, — кривая Столетова;

— зависимость магнитной проницаемости от температуры , существование точки Кюри .

Яркими представителями ферромагнитных веществ являются Fe-26, Co-27, Ni-28. К сильномагнитным веществам относятся также ферриты, антиферромагнетики и антиферримагнетики.

Квантовая природа ферромагнетизма по s-d-обменной модели обусловлена параллельной ориентацией спинов электронов на внутренних незаполненных слоях атомов кристалла. Параллельная ориентация спинов электронов приводит к состоянию сильного намагничивания вещества.

Однако при отсутствии внешнего магнитного поля кристаллу в целом быть однородно намагниченным энергетически невыгодно. Поэтому кристалл разбивается на домены. Домены—области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания.

Поведение векторов намагничивания в доменах и границ между доменами определяют процессы перемагничивания ферромагнетиков во внешнем переменном магнитном поле.

Процесс перемагничивания удобно проследить по кривой зависимости вектора магнитной индукции В вещества от напряженности внешнего магнитного поля. Эту кривую называют петлей гистерезиса. Ее вид изображен на рис. 1. Когда напряженность

Рис. 1

внешнего поля равна нулю, намагничивание не исчезает и характеризуется величиной , которая называется остаточной индукцией.

Намагничивание обращается в нуль лишь под действием поля , имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Напряженность называется коэрцитивной силой.

При действии на ферромагнетик переменного магнитного поля индукция изменяется в соответствии с кривой 1—2—3— 4—5—1.

Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура , при которой области спонтанного намагничивания распадаются и вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри. При температуре выше точки Кюри ферромагнетик становится обычным парамагнетиком и петля гистерезиса исчезает.

Описание установки и методика проведения работы

Электрическая схема установки по изучению свойств ферромагнетика приведена на рис.2. Установка состоит из испытуемого образца в виде тора с двумя обмотками и , интегрирующей цепочки , электронного осциллографа ЭО, амперметра А, вольтметра V, сопротивления и реостата R.

Ферромагнитный образец представляет собою сердечник тороида.

Для наблюдения на экране осциллографа петли гистерезиса на горизонтально отклоняющие пластины подается напряжение, пропорциональное напряженности магнитного поля и на вертикально отклоняющие пластины подается напряжение пропорциональное магнитной индукции.

Намагничивающая обмотка N1 питается переменным током. Реостат R служит для регулировки тока, протекающего по намагничивающей обмотке N1. Сила тока I , проходящего по намагничивающей катушке, измеряется амперметром А.

Падение напряжения на сопротивлении подается на усилитель, выход которого подключается к пластинам осциллографа, отклоняющим электронный луч в горизонтальном направлении.

Напряженность магнитного поля H определяется силою тока I, проходящего по намагничивающей катушке с числом витков N1 :

, (5)

где l – длина тороида.

Рис.2.

Во вторичной обмотке с числом витков N2 наводится эдс индукции :

(6)

где скорость изменения индукции В магнитного поля со временем t ,

S – площадь поперечного сечения тороида.

На выходе вторичной обмотки включается интегрирующая цепочка , у которой , вследствие чего ток , протекающий через емкость, определяется формулой

, (7)

Сопротивление выбирается достаточно большим, чтобы его включение в цепь обмотки не вызвало падения напряжения в ней. Напряжение U, измеряемое вольтметром V, с емкости С подается через усилитель на пластины осциллографа, отклоняющие электронный луч в вертикальном направлении.

Напряжение на конденсаторе U определяется следующим образом:

(8)

Индукция В магнитного поля рассчитывается по формуле:

(9)

Зная параметры установки, измеряя значения силы тока I на намагничивающей катушке N2 и напряжения U на конденсаторе С, можно рассчитать напряженность Н и индукцию В магнитного поля в исследуемом ферромагнитном образце.

Рис. 3.

Таким образом, на горизонтальные пластины осциллографа подается напряжение, пропорциональное Н, на вертикальные – пропорциональное В, в результате чего за один период изменения переменного тока электронный луч на экране отобразит кривую зависимости индукции В = В (Н ) – петлю гистерезиса.

При различных значениях напряженности Н магнитного поля наблюдаются различные петли гистерезиса. Увеличивая от нуля силу тока I в намагничивающей обмотке N1, получают семейство петель гистерезиса (см. рис. 3 ). Верхняя точка петли гистерезиса лежит на кривой намагничивания.

Значит, для построения кривой намагничивания достаточно определить значения Н и В вершин петель гистерезиса от Н = 0 до насыщения намагничивания.

Порядок выполнения работы

1. Включить осциллограф в электросеть, поставив тумблеры „Сеть» и «Луч» в положение „ВКЛ.». Через некоторый интервал времени на экране осциллографа должна появиться светящаяся точка.

2. Включить переменное напряжение 15 В.

3. Реостатом R, изменяя силу тока в намагничивающей обмотке, проследить за изменением формы петли гистерезиса в зависимости от величины напряженности перемагничивающего магнитного поля.

4. Пользуясь реостатом R, получать на экране петли гистерезиса при постепенно увеличивающейся силе тока I в намагничивающей обмотке N1. Для каждой петли гистерезиса снимать значения силы тока I по показаниям амперметра А и напряжения U по показаниям вольтметра V. Получаемые значения вносить в табл. 1.

При достижении насыщения намагничивания зарисовать форму петли магнитного гистерезиса и осевые линии сетки экрана

Обработка результатов измерений

1. По формуле (5) вычислить значения напряженности Н магнитного поля. Значения силы тока I взять из табл.1. Значения числа витков N1 и длины тороида l взять из паспортных данных экспериментальной установки. Результаты расчетов внести в табл. 1.

2. По формуле (9), используя данные напряжения U из табл.1 и параметры установки N2, R2, C и D (диаметр тороида) вычислить значения индукции В магнитного поля. Полученные значения внести в табл. 1.

3. По форме петли гистерезиса, полученной при насыщении намагничивания, используя масштаб рисунка петли и максимальные значения Н и В, найти значения остаточного намагничивания Вr и коэрцитивной силы Нс ферромагнетика.. Результаты вычислений внести в табл..1.

4. По данным табл. 1 построить кривую намагничивания ферромагнетика В = В (Н).

5. По значениям В и Н по формуле (4) рассчитать магнитную проницаемость ферромагнетика.

6. Построить кривую зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля = f ( Н ) — кривую Столетова.

Таблица 1

I, АН, А/мU, ВВ, мТлНс,А/мВr мТл
0.1 0.37
0.2 0.92
0.3 2.77
0.4 6.46
0.5 9.23
0.6 10.15
0.7 11.08
0.8 11.62
0.9 11.96

= Гн/м;

,

Контрольные вопросы:

1. Дайте определения вектора намагничивания.

2. Назовите типы магнитных веществ и дайте их краткую характеристику. Перечислите отличительные особенности ферромагнетиков.

3. Объясните природу ферромагнетизма на основании квантовой s-d-обменной модели. Укажите два критерия ферромагнетизма.

4. Объясните процесс перемагничивания. на основании петли гистерезиса. Что такое остаточная индукция, коэрцитивная сила?

5. Объясните зависимость магнитных свойств ферромагнетиков от температуры. Что такое точка Кюри?

6. Укажите примеры использования магнитных материалов в технических устройствах.

Вывод: Данная работа позволяет исследовать свойства ферромагнетика с помощью петли гистерезиса. В точке В сердечник достигает насыщения (практически все домены выстроены по полю). Соответственно процесс образования петли гистерезиса можно получить, если постепенно увеличивать силу тока I.

Индукция внешнего поля будет нарастать пропорционально силе тока, полная индукция будет возрастать по кривой АВ.

Если уменьшить индукцию внешнего поля, уменьшая силу тока до нуля, домены не полностью разупорядочатся, и сердечник сохранит постоянный магнетизм – СА – это значение Br, которое мы определили из изображения петли магнитного Гистерезиса.

Если изменить направление тока в обмотке, то все домены будут переориентированы, так что B=0, а отрезок DA соответствует коэрцитивной сила Hc, при этом остаточная намагниченность обращается в ноль. Значение магнитной проницаемости m для ферромагнетиков много больше m0. А подобном цикле большое количество энергии переходит в тепло, из-за трения при переориентации доменов.

Источник: https://poisk-ru.ru/s11434t3.html

Booksm
Добавить комментарий