§ 149. Особенности ферромагнитных тел.

Бросающейся в глаза особенностью ферромагнитных тел является их способность к сильному намагничиванию, вследствие которой магнитная проницаемость этих тел имеет очень большие значения. У железа, например, магнитная проницаемость  достигает значений, которые в тысячи раз превосходят значения  у парамагнитных и диамагнитных веществ. Намагничивание ферромагнитных тел было изучено в опытах А. Г. Столетова и других ученых. Эти опыты показали, сверх того, что, в отличие от парамагнитных и диамагнитных веществ, магнитная проницаемость ферромагнитных веществ сильно зависит от напряженности магнитного поля, при которой производят ее измерение. Так, например, в слабых полях магнитная проницаемость  железа достигает значений шести тысяч, а в сильных полях значения  падают до нескольких сот и ниже.

В §§ 118 и 119 для характеристики магнитных свойств контуров с током была введена векторная величина , называемая магнитным моментом тока (см. формулу (118.1)). Молекулярные токи также обладают магнитным моментом. Когда вещество не намагничено, магнитные моменты отдельных молекулярных токов ориентированы хаотически (беспорядочно), вследствие чего их векторная сумма равна нулю, вещество в целом магнитным моментом не обладает.

Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты молекулярных токов приобретают в большей или меньшей степени преимущественную ориентацию в направлении поля (в случае ферро- и парамагнетиков) либо возникают индукционные молекулярные токи, магнитные моменты которых ориентированы против поля (в случае диамагнетиков, § 147). В результате суммарный магнитный момент молекулярных токов становится отличным от нуля, и тело оказывается намагниченным. Естественно в качестве меры намагниченности вещества принять суммарный магнитный момент молекулярных токов, заключенных в единице объема вещества. В соответствии с этим вводится векторная величина , называемая намагниченностью вещества и определяемая выражением

,                    (149.1)

где  – магнитный момент отдельного молекулярного тока.

Можно показать, что намагниченность  связана с магнитной индукцией  в веществе и напряженностью магнитного поля  соотношением, которое имеет вид

.               (149.2)

С учетом того, что , получается формула

.             (149.3)

Заменим в формуле (149.2) векторы их модулями и напишем получившееся соотношение в виде

(напомним, что в рассматриваемом случае , а  – магнитной индукции поля соленоида в отсутствие вещества). Теперь умножим это соотношение на площадь поперечного сечения соленоида :

.

Произведение  равно  – магнитному потоку через сечение соленоида,  равно  – магнитному потоку в отсутствие вещества. Следовательно, мы приходим к формуле

,                (149.4)

где через  обозначено выражение , которое можно рассматривать как добавочный поток магнитной индукции, создаваемый намагниченным веществом:

.                 (149.5)

В случае ферромагнитных и парамагнитных веществ этот поток положителен (), в случае диамагнитных веществ – отрицателен ().

Таким образом, намагниченность  пропорциональна добавочному потоку, который создается намагниченным веществом.

Учтя, что , из формулы (149.4) легко получить соотношение

.                     (149.6)

Изучение зависимости намагниченности железа и других ферромагнитных материалов от напряженности внешнего магнитного поля обнаруживает ряд особенностей этих веществ, имеющих важное практическое значение. Возьмем кусок ненамагниченного железа, поместим его в магнитное поле и будем измерять намагниченность железа , постепенно увеличивая напряженность внешнего магнитного поля . Намагниченность  возрастает сначала резко, затем все медленнее и, наконец, при значениях  около нескольких десятков тысяч ампер на метр намагниченность перестает возрастать: все элементарные токи уже ориентированы, железо достигло магнитного насыщения. Графически зависимость  от  в описываемом опыте изображается кривой  на рис. 284. Горизонтальная часть этой кривой вблизи точки  соответствует магнитному насыщению.

Рис. 284. Зависимость намагниченности  от напряженности внешнего магнитного поля . Стрелки указывают направление процесса

Достигнув насыщения, начнем ослаблять внешнее магнитное поле. При этом намагниченность железа уменьшается, но убывание это идет медленнее, чем раньше шло ее возрастание. Зависимость между  и  в этом случае изображается ветвью кривой  на рис. 284. Мы видим, таким образом, что одному и тому же значению  могут соответствовать различные значения намагниченности (точки  и  на рис. 284) в зависимости от того, подходим ли мы к этому значению со стороны малых или со стороны больших значений . Намагниченность железа зависит, стало быть, не только от того, в каком поле данный кусок находится, но и от предыдущей истории этого куска. Это явление получило название магнитного гистерезиса.

Когда внешнее магнитное поле становится равным нулю, железо продолжает сохранять некоторую остаточную намагниченность (§ 112), которая характеризуется отрезком  графика. В этом и заключается причина того, что из железа или стали можно изготовлять постоянные магниты.

Для дальнейшего размагничивания железа нужно приложить внешнее магнитное поле, направленное в противоположную сторону. Ход изменения намагниченности  при возрастании напряженности  этого противоположно направленного поля изображается ветвью кривой . Лишь когда напряженность этого поля достигнет определенного значения (в нашем опыте значения, изображаемого отрезком ), железо будет полностью размагничено (точка ). Таким образом, напряженность размагничивающего поля (отрезок ) является мерой того, насколько прочно удерживается состояние намагничивания железа. Ее называют коэрцитивной силой. При уменьшении напряженности поля обратного направления и затем при возрастании напряженности поля первоначального направления ход изменения намагниченности железа изображается ветвью кривой .

При новом повторении всего цикла размагничивания, перемагничивания и повторного намагничивания железа в первоначальном направлении форма этой кривой повторяется. Из рис. 284 видно, что эта кривая, изображающая ход зависимости намагниченности железа  от напряженности внешнего поля , имеет вид петли. Ее называют петлей гистерезиса для данного сорта железа или стали. Форма петли гистерезиса является важнейшей характеристикой магнитных свойств того или иного ферромагнитного материала. В частности, зная ее, мы можем определить такие важные характеристики этого материала, как его магнитное насыщение, остаточную намагниченность и коэрцитивную силу.

Процесс намагничивания вещества можно характеризовать не только кривой зависимости  от  (рис. 284), но и кривой зависимости  от . Обе зависимости закономерно связаны друг с другом. Первая из них имеет вид  (см. формулу (149.3)), вторая – . На рис. 285 показана зависимость  от  для различных сортов железа и стали. По форме этой петли можно выбрать материал, который наилучшим образом подходит для той или иной практической задачи. Так, для изготовления постоянных магнитов необходим материал с большой коэрцитивной силой (сталь и особенно специальные сорта кобальтовой стали); для электрических машин и особенно для трансформаторов выгодны материалы с очень малой площадью петли гистерезиса, ибо они, как оказывается, меньше всего нагреваются при перемагничивании; для некоторых специальных приборов важны материалы, магнитное насыщение которых достигается при малых полях, и т. д.

Рис. 285. Кривые намагничивания для различных сортов железа и стали: 1 – мягкое железо, 2 – закаленная сталь, 3 – незакаленная сталь

В отличие от парамагнетиков и диамагнетиков (§ 145) у ферромагнетиков магнитная проницаемость  не остается постоянной, а зависит от напряженности внешнего намагничивающего поля . Эта зависимость для магнитного сплава (пермаллоя) и для мягкого железа показана на рис. 286. Как мы видим, магнитная проницаемость  имеет малые начальные значения в слабых полях, затем нарастает до максимального значения и при дальнейшем увеличении поля снова уменьшается.

Рис. 286. Зависимость  от : 1 – у магнитного сплава (пермаллоя), 2 – у мягкого железа

Важно отметить, что при достижении определенной температуры магнитная проницаемость ферромагнитных тел резко падает до значения, близкого к единице. Эта температура, характерная для каждого ферромагнитного вещества, носит название точки Кюри по имени французского физика Пьера Кюри (1859-1906). При температурах выше точки Кюри все ферромагнитные тела становятся парамагнитными. У железа точка Кюри равна 767°С, у никеля – 360°С, у кобальта – около 1130°С. У некоторых ферромагнитных сплавов точка Кюри лежит вблизи 100°С.

149.1. Какой из ферромагнитных материалов, приведенных на рис. 285, наиболее пригоден для постоянных магнитов? Какой из них наиболее пригоден для электромагнитов с быстрой регулировкой подъемной силы?

149.2. Можно ли электромагнитным краном переносить раскаленные стальные болванки?