2.4. Намагнічування феромагнітних матеріалів

Як вказувалося вище, матеріали, в яких відносна магнітна проникність μ залежить від напруженості магнітного поля, називаються  феромагнітними. До феромагнітних матеріалів відносять залізо, сталь, чавун, кобальт, сплави (наприклад, пермалой – залізо-нікелевий сплав).

Феромагнітні матеріали застосовуються у випадках, коли необхідно при малих струмах отримати велике магнітне поле, наприклад – для виготовлення осердь електричних машин, трансформаторів, вимірювальних приладів тощо. 

Якщо у магнітне поле внести феромагнітний матеріал, то магнітна індукція поля значно збільшиться за рахунок намагнічування матеріалу. Фізично відбувається наступний процес. Тіло, виготовлене з феромагнітного матеріалу, складається з елементарних, спонтанно намагнічених об’ємів. За відсутності зовнішнього магнітного поля елементарні магнітні моменти спрямовані довільно й сумарний магнітний момент тіла дорівнює нулю. Під дією зовнішнього магнітного поля напрямок елементарних магнітних моментів змінюється і з’являється додаткове магнітне поле, яке додається до зовнішнього магнітного поля. Тобто до магнітна індукція буде визначатися напруженістю зовнішнього магнітного поля H в неферомагнітному середовищі (при ) та намагніченістю М  феромагнітного матеріалу:

.                                          (2.23)

Намагніченість – фізична величина, що характеризує магнітний стан матеріалу (речовини). Намагніченість М феромагнітного матеріалу може збільшуватися до певного значення, яке називається намагніченість насичення. Кожен феромагнітний матеріал має характерну криву намагнічування . На рис. 2.8 приведено якісні криві намагнічування для різних феромагнітних матеріалів.  

При перемінному намагнічуванні (перемагнічуванні) стан феромагнітного матеріалу описується так званою петлею гістерезису (рис. 2.9).

Проаналізуємо петлю гістерезису, наприклад, для кільцевої котушки зі струмом (рис. 2.7). До включення струму осердя не намагнічене (точка 0, ). При підключенні та збільшенні струму до значення, за якого напруженість магнітного поля досягає значення , магнітна індукція сягає значення (індукція насичення). За зменшення струму зменшується напруженість магнітного поля, але магнітна індукція зменшується таким чином, що її крива піде вище кривої початкового намагнічування. Коли струм у котушці (та напруженість магнітного поля) буде дорівнювати нулю, магнітна індукція буде мати значення  – залишкова індукція. Для того щоб магнітна індукція стала дорівнювати нулю, необхідно змінити напрямок струму у котушці та створити магнітне поле з напруженістю – коерцитивна сила. За подальшого збільшення струму протилежного напрямку (збільшення напруженості магнітного поля) осердя намагнічується у протилежному напрямку, причому .

Рис. 2.8 – Криві намагнічування феромагнітних матеріалів

Рис. 2.9 – Петля гістерезису

При циклічному перемагнічуванні магнітна індукція змінюється залежно від напруженості магнітного поля по замкненій кривій abcdefa, яка і є петлею гістерезису.

Площа петлі гістерезису пропорційна енергії, яка витрачається на перемагнічування матеріалу. Коерцитивна сила характеризує властивості матеріалу зберігати намагніченість. Феромагнітні матеріали поділяються на магніто-м’які матеріали (з вузькою петлею гістерезису) та магніто-жорсткі матеріали (з широкою петлею гістерезису). Магніто-м’які матеріали застосовуються для створення осердь трансформаторів та електричних машин. Магніто-жорсткі матеріали застосовуються для створення постійних магнітів.