В электротехнических устройствах применяют, главным образом, ферромагнитные материалы — железо, никель, кобальт и их сплавы.
В зависимости от ширины петли гистерезиса ферромагнитные материалы разделяются на магнитно-мягкие и магнитно-твердые. Магнитно-мягкие материалы обычно используют для работы в переменном магнитном поле, так как малая ширина петли гистерезиса (рис. 350, а) обусловливает сравнительно малые потери энергии при
Рис. 350. Петли гистерезиса магнитно-мягких (а) и магнитно-твердых (б) материалов
перемагничивании. К магнитно-мягким материалам относится электротехническая сталь, которая имеет малую коэрцитивную силу и высокую магнитную проницаемость. Поэтому ее применяют для изготовления магнитопроводов в электрических машинах и аппаратах. Еще большую магнитную проницаемость и меньшую коэрцитивную силу имеют сплавы железа и никеля — пермаллой; железа, алюминия и кремния — альсифер и др., которые применяют в устройствах радиотехники и автоматики.
Магнитно-твердые материалы (рис. 350, б) служат для изготовления постоянных магнитов, используемых в электроизмерительных приборах, телефонах, некоторых реле и пр. К ним относятся закаленная углеродистая сталь, кобальтовая сталь и различные сплавы из алюминия, никеля, железа, кобальта: магнико, алнико и др.
Как видно из кривых намагничивания (рис. 351, а), обычная сталь или стальное литье (кривая 3) достигает магнитного насыщения при более высоких индукциях, чем чугун (кривая 1). Электротехническая сталь (кривая 4) достигает насыщения при еще больших индукциях. Некоторые ферромагнитные материалы, например пермаллой разных марок, имеют прямоугольную петлю гистерезиса (кривая 2). Их широко применяют для изготовления магнитных усилителей, в качестве элементов памяти в счетно-решающих устройствах и пр. Чем выше располагается кривая намагничивания, тем меньший намагничивающий ток требуется для создания в ферромагнитном материале требуемой индукции и тем лучше он пропускает магнитный поток.
Если последовательно изменять наибольшие значения напряженности поля H, можно получить семейство симметричных гистерезисных петель 1, 2, 3, 4 (рис. 351, б). Наибольшая петля, которая может быть получена для данного материала, называется предельной петлей гистерезиса, а кривая О—A, проходящая через вершины
Рис 351 Кривые намагничивания различных материалов (а) и петли гистерезиса при различных значениях наибольшей индукции (6)
симметричных гистерезисных петель,— основной кривой намагничивания. Ее используют при расчете магнитных цепей электрических устройств.
Физически возникновение остаточного магнетизма и насыщения объясняется тем, что в ферромагнитных материалах группы атомов и молекул образуют элементарные магнитики (домены), самопроизвольно намагниченные в определенном направлении. При отсутствии внешнего магнитного поля домены ориентированы в различных направлениях (рис. 352, а). При намагничивании вначале происходит процесс смещения границ, разделяющих соседние домены.
При этом те домены, у которых магнитные поля атомов близки по направлению к внешнему полю (т. е. составляют с ним острый угол), увеличиваются, поглощая смежные домены (рис. 352, б). Этот процесс происходит скачкообразно и имеет место на прямолинейной части кривой намагничивания.
При достаточно большой напряженности внешнего поля домены, в которых магнитные поля атомов ориентированы против внешнего поля (т. е. составляют с ним тупой угол), полностью исчезают (рис. 352, в). При дальнейшем возрастании напряженности осуществляется поворот магнитных полей атомов во всех доменах в направлении внешнего поля (рис. 352, г). Когда эти поля во всех доменах окажутся ориентированными в направлении внешнего поля, практически достигается магнитное насыщение.
При размагничивании ферромагнитного вещества в нем происходят такие же процессы, как и при намагничивании, но в обратном порядке. Однако на характер их протекания оказывает существенное влияние кристаллическая структура ферромагнитных материалов. Все ферромагнитные вещества в магнитном отношении являются анизотропными, т. е. намагничивание происходит у них различным образом в зависимости от направления внешнего магнитного поля относительно осей кристалла. Например, в кристалле железа намагничивание вдоль ребра куба (рис. 353, а) можно осуществить при меньшей напряженности (т. е. оно требует меньшей затраты энергии), чем намагничивание вдоль пространственной диагонали. Эти направления называются соответственно направлениями легкого и трудного намагничивания. Если начать размагничивать ферромагнитное вещество, то магнитные поля атомов во всех доменах будут постепенно отходить все дальше и дальше от положения, показанного на рис. 352, г, поворачиваясь по направлению к ближайшей оси легкого намагничивания. Когда напряженность внешнего поля станет равной нулю, магнитные поля всех атомов не возвратятся в первоначальное состояние, а окажутся ориентированными вдоль оси легкого намагничивания, ближайшей к направлению поля. В результате индукция собственного магнитного поля в ферромагнитном веществе не будет равной нулю, т. е. в нем возникает остаточный магнетизм.
