Кривая намагничивания и петля гистерезиса

кривая намагничивания и петля гистерезиса показывают процесс изменения намагниченности ферромагнетиков. Кривая намагничивания (рис. 1.11) [15] представляет собой графическое изображение зависимости (1.25)

Рис. 1.11. Кривая намагничивания и петля гистерезиса

схема снятия кривой намагничивания ферромагнитного стержня, помещенного в соленоид, по обмотке которого протекает электрический ток I, приведена на рис. 1.12, а. значение тока можно изменять реостатом R. Соленоид создает направленное по оси стержня поле в соответствии с формулой (1.15).

В начальный момент цепь тока I разомкнута, напряженность Н и намагниченность М стержня равны нулю, домены ориентированы произвольно и магнитный момент  При замыкании цепи и постепенном увеличении тока от нуля растет напряженность Н. Границы между доменами перемещаются таким образом, что объем доменов с ориентацией магнитных моментов по намагничивающему полю Н растет за счет доменов других направлений. Магнитная индукция в стержне формируется как сумма намагниченности М, т. е. индукции, создаваемой доменами, и напряженности внешнего магнитного поля [см. формулу (1.24)]. зависимости: μ₀Н, μ₀М и В = μ_аН изображены на рис. 1.12, б. Кривая М(Н) показывает, что намагниченность стержня в начале быстро увеличивается, а затем ее значение снижается до μ₀М_m – предельного. Составляющая μ₀Н изменяется пропорционально напряженности внешнего магнитного поля Н. При сложении ординат кривых μ₀Н и μ₀М получаем зависимость, изображаемую кривой  (см. рис. 1.12, б), называемой кривой первоначального намагничивания (КПН).

Рис. 1.12. Схема снятия кривой намагничивания и петли гистерезиса (а)
и зависимость магнитной индукции В и намагниченности М

от намагничивающего поля Н (б) [15]

Кривая B = (см. рис. 1.12, б) нелинейна и может быть условно разделена на пять участков. Участок 1 соответствует упругому смещению границ между доменами. На участке 2 (область Релея) ориентация доменов в направлении внешнего поля скачкообразно изменяется и намагниченность ферромагнетика увеличивается. Участок 3 показывает необратимые смещения границ между доменами. Здесь магнитная проницаемость достигает максимального значения μ_max. В пределах участка 4 домены вырастают до максимально возможных размеров, и большинство атомных магнитных моментов во всем стержне оказывается выстроенным вдоль внешнего поля. Резервы роста внутреннего поля М за счет доменов исчерпаны, материал достигает состояния намагниченности насыщения М_s или технического насыщения, характеризуемого индукцией В_m и напряжен­ностью Н_m. Увеличение Н > H_m на участке 5 уже не приводит к увеличению внутреннего поля М, индукция В возрастает только за счет увеличения Н. Здесь КПН становится линейной:

Вследствие нелинейного характера КПН (m_а(Н) ¹ const) выделяют начальную и максимальную магнитную проницаемость (рис. 1.13) [15], которая определяется как тангенс углов наклона касательных к кривой намагничивания в точках Н = 0 и Н = Н_m: ; .

Используют также понятие дифференциальной магнитной проницаемости (рис. 1.13):

.

Если напряженность Н уменьшать, поле В в стержне будет также уменьшаться, но не «вдоль» той кривой, по которой оно нарастало (см. рис. 1.11). Это явление называется магнитным гистерезисом (уменьшение В «запаздывает»). При Н = 0 индукция В в стержне не становится равной нулю, а принимает положительное значение В_r. Это значение индукции, которая «остается» в материале. О статочной индукцией В_r (см. рис. 1.11) называют индукцию, которая остается в предварительно намагниченном до насыщения ферромагнетике после снятия намагничивающего поля. Если значение индукции велико, то материал может быть хорошим постоянным магнитом. Чтобы размагнитить стержень, т. е. уменьшить В_r до нуля, необходимо изменить знак и увеличивать внешнее поле Н в обратном направлении до значения коэрцитивной силыН_с, т. е. удерживающей намагниченность (см. рис. 1.11). Коэрцитивной силой Н_сназывают величину размагничивающего поля, которое должно быть приложено, чтобы установить значение индукции в ферромагнетике, равное нулю.

Когда воздействующее поле совершает полный цикл изменения (от + Н_m до 0 и далее до – Н_m, а затем в обратную сторону до 0 и далее до + Н_m), магнитная индукция В изменяется по симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса. При совершении нескольких таких циклов перемагничивания петля принимает окончательную неизменяемую форму и называется предельной. Существуют также частные петли гистерезиса, получаемые при значениях предельной напряженности поля, которые меньше Н_m. При несимметричном относительно нуля изменении значений напряженности поля (обычно в небольших пределах, но с сохранением знака), формируются несимметричные частные циклы.

Если время установления напряженности поля соизмеримо с временем перемагничивания материала, то определяемые в этом режиме характеристики называют динамическими. Основным влияющим фактором при этом являются вихревые токи. Они создают магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю, уменьшающему магнитную индукцию. При увеличении частоты вихревые токи возрастают и кривая намагничивания снижается. Вихревые токи вызывают тепловые потери, что приводит к расширению петли гистерезиса. В связи с этим различают статическую и динамическую петли гистерезиса. Статическую получают при очень медленном изменении Н, при котором допустимо пренебречь действием вихревых токов. при перемагничивании ферромагнетиков переменным полем Н, когда влияние вихревых токов становится значительным, получают динамическую петлю. Она может быть представлена как геометрическое место вершин частных динамических петель гистерезиса. Отношение индукции и напряженности по этой кривой называют динамической магнитной проницаемостью m_дин.

Значения дифференциальной магнитной проницаемости m_d, получаемые по восходящей и нисходящей петлям гистерезиса, отличаются друг от друга.

Необходимо подчеркнуть, что отмеченные четыре параметра – остаточная индукция В_r, коэрцитивная сила Н_с, относительная магнитная проницаемость m_н и m_max – являются основными, по ним производят анализ и выбор магнитных материалов для решения различных задач, в том числе и дефектоскопических. Их значения приводятся в справочниках по магнитным материалам.

Чем выше намагниченность материала при данном значении напряженности внешнего поля, тем выше его относительная проницаемость и индукция поля внутри материала. Проницаемость m_нач характеризует свойства материала в слабых магнитных полях. Если материал имеет узкую петлю () и более высокие значения m_нач, то его относят к магнитомягким материалам (МММ) (рис. 1.14). Это незакаленные малоуглеродистые электротехнические стали и пермаллои – предельно магнитомягкие (Н_с £ 1 А/м), преимущественно железоникелевые сплавы.

По значению Н_с обычно судят о принадлежности ферромагнетиков к магнитотвердым материалам (Н_с ³ 10³ А/м) (МТМ). Ширина петли магнитотвердых сталей в десятки и сотни раз превышает ширину петли гистерезиса магнитомягких. К ним относят закаленные высокоуглеродистые (инструментальные) легированные конструкционные стали, ферриты, а также сплавы для постоянных магнитов.

На подвижном составе железных дорог к магнитомягким материалам относят стали для изготовления ударно-тяговых механизмов, рам тележек, колесных пар и т.д., к магнитотвердым – стали роликов, внутренних и наружных колец буксовых подшипников, шарикоподшипниковые стали (ШХ9, ШХ15С и др.), рельсовые стали.

1.3.3. Характеристика связей магнитных
и физико-механических свойств ферромагнетиков

с физической точки зрения ферромагнетики обладают характерными механическими, магнитными и электрическими свойствами, которые описываются упругими константами, магнитной восприимчивостью, электропроводностью и могут быть измерены. С технической точки зрения интерес представляют такие параметры металлов, как твердость, пластичность, предел прочности, геометрические размеры. В магнитном контроле используются зависимости, существующие между отдельными физическими (магнитными) свойствами и техническими, например такими, которые приведены в табл. 1.1. Эти связи возникают тогда, когда одни и те же физические и химические процессы образования структуры и фазового состава ферромагнитных сталей формируют также и их магнитные свойства, или в процессе эксплуатации изделий, когда их свойства теряются. Закономерности данных связей не поддаются расчету, носят корреляционный характер и устанавливаются в основном экспериментально.

Таблица 1.1