Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Среди магнитных материалов особый интерес представляют вещества, у которых магнитная проницаемость достигает больших значений и зависит от внешнего магнитного поля, а также предшествующей истории. Такие вещества называются ферромагнетиками. Кроме того, эти вещества обладают остаточной намагниченностью, т. е. намагниченность может быть отлична от нуля, если внешнее магнитное поле существует. Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость индукции и намагниченности от напряженности магнитного поля [1].
Основным методом изучения свойств ферромагнетиков является лабораторный практикум по разделу «Электричество и магнетизм» курса общей физики, на котором особое внимание уделяется снятию кривой намагничивания (рис. 1).
Такая кривая может быть построена с помощью баллистического гальванометра или в результате соединения вершин петель гистерезиса, которые получены на экране осциллографа [2, 3]. Кривая намагничивания является основой для построения графика зависимости относительной магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности магнитного поля , называемая кривой Столетова.
Важной характеристикой ферромагнетиков является кривая магнитной проницаемости [4]:
, (1)
которая представлена на рис. 2. Характерное поведение относительной магнитный проницаемости объясняется нелинейной зависимостью намагниченности от напряженности магнитного поля .
При малых значениях намагниченность быстро растёт, а магнитная проницаемость увеличивается. то же время с увеличением напряженности рост намагниченности замедляется и , достигнув максимального значения при критической напряженности , начинает монотонно убывать. При переходе ферромагнетика в состояние насыщения намагниченности относительная магнитная проницаемость стремится к единице по гиперболическому закону:
.
Отсюда следует, что применение ферромагнетиков при больших значениях возможно только при напряженностях магнитного поля, близких к критическому значению , т. е. когда материал не находится в состоянии насыщения намагниченности.
Обычно критическая напряженность магнитного поля определяется на основе построения графика функции с помощью формулы (1) и предварительно снятой зависимости индукции ферроагнетика от напряженности магнитного поля.
Однако, кроме этого, существует еще один способ определения на основе графика функции (или ).
В этом случае отпадает необходимость определения относительной магнитной проницаемости в достаточно большом интервале напряженностей магнитного поля для нахождения значения .
Метод определения состоит из условия экстремума
и выражения (1), на основе которого можно получить соотношения
.
Из этих выражений следует, что в точке, соответствующей , касательные к кривым и проходят через начало координат (см. рис. 1).
Кроме названных методов [2, 3] в лабораторном практикуме для исследования магнитных свойств ферромагнетиков применялся ферротестер — прибор для быстрого измерения материалов. С помощью прибора исследуются и измеряются кривые намагничивания, магнитная насыщенность, остаточная индукция, коэрцитивная сила, потеря, проницаемость ферромагнитных материалов. Также отметили, что гистерезис в сильнейшей степени зависит от состава ферромагнетика и его обработки. Для чистого «мягкого» железа, т. е. отожженного и затем медленно охлаждённого гистерезис выражен весьма слабо и петля гистерезиса очень узкая. Но для закалённой стали гистерезис значителен.
При работе с ферротестером применялись различные образцы ферромагнитных материалов в виде стальных спиц, которые вставлялись в измерительное отверстие измерительной катушки. При этом исследовались и изменялись кривые намагничивания, магнитная насыщенность, остаточный магнетизм, коэрцитивная сила, магнитная проницаемость, потеря. Все испытания проводились при силе тока возбуждения частотой 50 Гц.
С помощью ферротестера можно проводить два разных измерения проницаемости, а именно полной проницаемости и измерение так называемой дифференциальной проницаемости.
Величина полной проницаемости получается таким образом, что при заданном намагничивании измеряются величины Вмах и Нмах (рис. 3) и образуется производная двух величин, значит:
. (2)
В выражении (2) величина производной на несколько порядков больше, чем единица, и поэтому она обеспечивает вполне достаточную точность для практики, если пренебречь единицей.
В заключение отметим, что для исследования физических свойств ферромагнетиков, наиболее эффективным прибором является ферротестер, в комплект которого входят различные измерительные катушки, предназначенные для испытания магнитных материалов, для испытания коротких ферромагнитных образцов малого сечения, для испытания кольцеобразных магнитных материалов.
