Поведение ферромагнетиков в переменных магнитных полях

4. Поведение ферромагнетиков в переменных магнитных полях

Перемагничивание ферромагнетиков в переменных полях сопровождается потерями энергии, вызывающими нагрев материала. В общем случае потери на перемагничивание складываются из потерь на гистерезис, на вихревые токи и последействие. Вкладом потерь на последействие в разогрев ферромагнетика обычно можно принебречь.

Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания, отнесенные к единице объема вещества, определяются площадью статической петли гистерезиса полученной при медленном изменении магнитного потока.

 .

Для вычисления потерь можно использовать эмпирическую формулу

Э_г=hB_mⁿ ,

где h - коэффициент зависящий от свойств материала;

B_m - максимальная индукция достигаемая в данном цикле;

n = 1.6 - 2 - в зависимости от В_m.

Потери на гистерезис обусловлены необратимыми процессами перемагничивания.

Для практических целей более важна активная мощность, выделяющаяся в ферромагнетике при его перемагничивании.

Мощность, обусловленная потерями на гистерезис, определяется как:

P_г = h В_mⁿ f V,

где V - объем образца; f - частота перемагничивания.

В слабых полях и на высоких частотах динамическая петля гистерезиса вследствие отставания индукции от напряженности поля имеет форму эллипса. Угол отставания d_m называют углом магнитных потерь. Тангенс угла магнитных потерь можно определить из эквивалентной схемы.

tgd_m = r/(w×L),

где L - индуктивность катушки с сердечником из ферромагнетика;

r - сопротивление, эквивалентное всем видам потерь на перемагничивание.

С учетом этого активная мощность потерь рассчитывается по формуле

P_a = I² wL tgd_m .

Величину, обратную tgd_m, называют добротностью сердечника

Q_c = 1/ tgd_m .

Вихревые токи возникают в проводящей среде за счет э.д.с. самоиндукции. Динамическая петля гистерезиса шире статистической поскольку к потерям на гистерезис добавляются потери на вихревые токи, которые увеличиваются пропорционально частоте.

Мощность, обусловленная потерями на вихревые токи, определяется эмпирической формулой

P_т = x f²B_m² V,

где x - коэффициент, пропорциональный удельной проводимости материала и зависящий от геометрической формы и площади поперечного сечения намагничиваемого образца.

Для уменьшения потерь на вихревые токи необходимо использовать магнитный материал с повышенным удельным сопротивлением, либо собирать сердечник из тонких листов, изолированных друг от друга. Удельная мощность, расходуемая на вихревые токи, связана с толщиной листа h соотношением:

p_т = P_т/Vd = 1.64 s h² f² B_m²/d, Вт/кг,

где s - удельная проводимость; d - плотность материала.

Вихревые токи оказывают размагничивающее действие на сердечник - уменьшается индукция и эффективная магнитная проницательность. Переменный магнитный поток неравномерно распределен по сечению магнитопровода.

Изменение величины магнитной индукции по сечению сердечника вдоль нормали z к его поверхности описывается уравнением

B_m = B_m0 exp(- z/D),

где В_m0 - магнитная индукция на поверхности сердечника;

D = (1/(p f m₀m s))^1/2 - глубина проникновения поля в вещество.

Магнитная индукция имеет наименьшее значение в центральных частях сечения.

Явление затухания электромагнитной волны при ее распространении в проводящей среде используется при создании электромагнитных экранов. Для эффективной защиты толщина стенок экрана должна превышать глубину проникновения D электрического поля в вещество.

Потери на магнитное последействие обусловлены отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Время установления стабильного магнитного состояния от долей миллисекунды до нескольких минут и существенно возрастает с понижением температуры. Физическая природа потерь на магнитное последействие во многом аналогична релаксационной поляризации диэлектриков.

5. Доменные структуры в тонких магнитных пленках и цилиндрические магнитные домены

При малой толщине пленок (h << a,b) направление легкого намагничивания расположено в плоскости пленки. Образуются плоские домены. Для очень тонких пленок характерна однодоменная структура, для пленок толщиной свыше 10^-3 - 10^-2мм - многодоменная, состоящая из длинных узких доменов размером от долей микрометра до нескольких микрометров, намагниченных в противоположных направлениях.

Существуют материалы (ферриты с одноосной магнитной анизотропией), монокристаллические пленки, которые имеют одну ось легкого намагничивания, перпендикулярную плоскости пленки. В отсутствии внешнего магнитного поля векторы намагниченности в доменах направлены в положительном или отрицательном направлении вдоль нормали к плоскости пленки, образуя лабиринтные домены, чему соответствуют светлые и темные участки.

Внешнее поле, нормальное плоскости пленки, изменяет геометрию структуры. По мере увеличения напряженности поля сначала происходит разрыв лабиринтной структуры, домены принимают форму гантелей, затем образуются устойчивые цилиндрические магнитные домены (ЦМД), диаметр ЦМД постепенно уменьшается и при некотором значении Н вся пленка намагничивается однородно, т.е. цилиндрические домены исчезают.

ЦМД были обнаружены в ортоферритах и феррогранатах и находят применение в запоминающих устройствах.

Литература

1.  Суриков В.С. – Основы электродинамики – М. "Протон" - 2000 г.

2.  Карков И.С. – Физика элементарных частиц. – М. – 1999 г.

3.  Синджанов И.К. Электродинамика – М. 1998 г.

4.  Электротехнические материалы. Справочник / В.Б. Березин, Н.С. Прохоров, А.М. Хайкин. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 504с.

5.  Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы . - М.: Радио и связь, 1999. - 352с.