В чем заключается явление гистерезиса

Свойства ферромагнитных материалов. Гистерезис

Если среда способна намагничиваться в магнитном поле, т.е. создавать собственное магнитное поле, то такая среда называется магнетиком. В самом деле, если ненамагниченный магнетик поместить в магнитное поле с индукцией , то он намагничивается и дает добавочную индукцию поля´, которая векторно складывается с первоначальной индукцией , т.е. ´.

Векторная сумма называется вектором магнитной индукции внутри магнетика.

Вещества, для которых ´ совпадает по направлению с , называются парамагнетиками. Внутри парамагнетиков магнитное поле усиливаются.

Вещества, для которых ´ и противоположны по направлению, называются диамагнетиками. Магнитное поле внутри диамагнетиков ослабляются. Для парамагнетиков (алюминий, платина и др.) магнитная проницаемость µ>1. Для диамагнетиков (медь, поваренная соль и др.) µ >1, т.е. они способны сильно намагничиваться.

Для пара- и диамагнетиков зависимость между и линейная, так как µ=const. Для ферромагнетиков эта зависимость носит нелинейный характер (рис.32), потому что µ≠const, а зависит от Н, т.е. µ=ƒ(Н) (рис.33).

Характерной особенностью ферромагнетиков является гистерезис. Явление гистерезиса заключается в том, что магнитная индукция В зависит не только от мгновенного значения Н, но и от того, какова была напряженность поля раньше. При этом происходит отставание изменения индукции В при изменении Н. Если ненамагниченный ферромагнетик поместить в магнитное поле, которое увеличивается от нуля, то зависимость В от Н (кривая намагничивания) выразится кривой Oa (рис.34). Точка «a» на рис. 34 соответствует магнитному насыщению.

Рис.34

Если же затем уменьшить Н до 0, то кривая намагничивания не совпадает с Oa, а пойдет по кривой ав. В результате, когда Н станет равной нулю, намагничивание не исчезнет, и будет характеризоваться величиной В_е, которая называется остаточной индукцией (отрезок «ов»). Намагничивание обращается в нуль (точка С) лишь под действием поля с напряженностью Н_с (отрезок ос), имеющего направление, противоположное полю, вызывающему намагничивание. Напряженность магнитного поля Н_с называется коэрцетивной силой.

При воздействии переменного магнитного поля напряженностью Н индукция В ферромагнетика меняется в соответствии с кривой авсаа′в′с′а (рис3.4), которая называется петлей гистерезиса. Петля гистерезиса может быть объяснена наличием в ферромагнетиках отдельных областей самопроизвольного намагничивания, называемых доменами.

Если максимальные значения напряженности поля Н таковы, что намагничивание достигает насыщения, получается так называемая максимальная петля гистерезиса (обозначена сплошной линией на рис.33). Если при максимальных значениях Н насыщение не достигается, получается петля, называемая частным циклом (обозначена пунктирной линией на рис. 33).

Ферромагнетики различают по величине коэрцетивной силы. Если она находится в пределах (0,02-0,05) А/м, то это магнитомягкий ферромагнетик. Такие материалы используются на переменном токе. Если же пределы коэрцетивной силы лежат в области (20-30) кА/м, то это магнитотвердые ферромагнетики и они применяются для производства постоянных магнитов

188.64.169.166 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Гистерезис

(от греч. hysteresis — отставание, запаздывание)

явление, которое состоит в том, что физическая величина, характеризующая состояние тела (например, намагниченность), неоднозначно зависит от физические величины, характеризующей внешние условия (например, магнитного поля). Г. наблюдается в тех случаях, когда состояние тела в данный момент времени определяется внешними условиями не только в тот же, но и в предшествующие моменты времени. Неоднозначная зависимость величин наблюдается в любых процессах, т.к. для изменения состояния тела всегда требуется определённое время (время релаксации (См. Релаксация)) и реакция тела отстаёт от вызывающих её причин. Такое отставание тем меньше, чем медленнее изменяются внешние условия Однако для некоторых процессов отставание при замедлении изменения внешних условий не уменьшается. В этих случаях неоднозначную зависимость величин называется гистерезисной, а само явление — Г.

Г. наблюдается в различных веществах и при разных физических процессах. Наибольший интерес представляют: магнитный Г., диэлектрический Г. и упругий Г.

Магнитный Г. наблюдается в магнитных материалах, например в ферромагнетиках (См. Ферромагнетики). Основной особенностью ферромагнетиков является наличие спонтанной (самопроизвольной) намагниченности. Обычно ферромагнетик намагничен не однородно, а разбит на доме́ны — области однородной спонтанной намагниченности, у которых величина намагниченности (магнитного момента единицы объема) одинакова, а направления различны. Под действием внешнего магнитного поля число и размеры доменов, намагниченных по полю, увеличиваются за счёт др. доменов. Кроме того, магнитные моменты отдельных доменов могут поворачиваться по полю. В результате магнитный момент образца увеличивается.

На рис. 1 изображена зависимость магнитного момента М ферромагнитного образца от напряжённости Н внешнего магнитного поля (кривая намагничивания). В достаточно сильном магнитном поле образец намагничивается до насыщения (при дальнейшем увеличении поля значение М практически не изменяется, точка А). При этом образец состоит из одного домена с магнитным моментом насыщения M_s, направленным по полю. При уменьшении напряжённости внешнего магнитного поля Н магнитный момент образца М будет уменьшаться по кривой I преимущественно за счёт возникновения и роста доменов с магнитным моментом, направленным против поля. Рост доменов обусловлен движением доменных стенок. Это движение затруднено из-за наличия в образце различных дефектов (примесей, неоднородностей и т.п.), которые закрепляют доменные стенки в некоторых положениях; требуются достаточно сильные магнитные поля для того, чтобы их сдвинуть. Поэтому при уменьшении поля Н до нуля у образца сохраняется т. н. остаточный магнитный момент M_r (точка В).

Образец полностью размагничивается лишь в достаточно сильном поле противоположного направления, называемом коэрцитивным полем (коэрцитивной силой (См. Коэрцитивная сила)) Н_с (точка С). При дальнейшем увеличении магнитного поля обратного направления образец вновь намагничивается вдоль поля до насыщения (точка D). Перемагничивание образца (из точки D в точку А) происходит по кривой II. Т. о., при циклическом изменении поля кривая, характеризующая изменение магнитного момента образца, образует петлю магнитного Г. Если поле Н циклически изменять в таких пределах, что намагниченность насыщения не достигается, то получается непредельная петля магнитного Г. (кривая III). Уменьшая амплитуду изменения поля Н до нуля, можно образец полностью размагнитить (прийти в точку О). Намагничивание образца из точки О происходит по кривой IV.

При магнитном Г. одному и тому же значению напряжённости внешнего магнитного поля Н соответствуют разные значения магнитного момента М. Эта неоднозначность обусловлена влиянием состояний образца, предшествующих данному (т. е. магнитной предысторией образца).

Вид и размеры петли магнитного Г., величина Н_с в различных ферромагнетиках могут меняться в широких пределах. Например, в чистом железе Н_с= 1 э, в сплаве магнико Н_с= 580 э. На петлю магнитного Г. сильно влияет обработка материала, при которой изменяется число дефектов (рис. 2).

Площадь петли магнитного Г. равна энергии, теряемой в образце за один цикл изменения поля. Эта энергия идёт, в конечном счёте, на нагревание образца. Такие потери энергии называются гистерезисными. В тех случаях, когда потери на Г. нежелательны (например, в сердечниках трансформаторов, в статорах и роторах электрических машин), применяют магнитномягкие материалы, обладающие малым Н_с и малой площадью петли Г. Для изготовления постоянных магнитов, напротив, требуются магнитножёсткие материалы с большим Н_с.

С ростом частоты переменного магнитного поля (числа циклов перемагничивания в единицу времени) к гистерезисным потерям добавляются др. потери, связанные с вихревыми токами (См. Вихревые токи) и магнитной вязкостью (См. Магнитная вязкость). Соответственно площадь петли Г. при высоких частотах увеличивается. Такую петлю иногда называют динамической петлей, в отличие от описанной выше статической петли.

От магнитного момента зависят многие др. свойства ферромагнетика, например электрическое сопротивление, механическая деформация. Изменение магнитного момента вызывает изменение и этих свойств. Соответственно наблюдается, например, гальваномагнитный Г., магнитострикционный Г.

Диэлектрический Г. наблюдается обычно в сегнетоэлектриках (См. Сегнетоэлектрики), например титанате бария. Зависимость поляризации Р от напряжённости электрического поля Е в сегнетоэлектриках (рис. 3) подобна зависимости М от Н в ферромагнетиках и объясняется наличием спонтанной электрической поляризации, электрических доменов (См. Домены) и трудностью перестройки доменной структуры. Гистерезисные потери составляют большую часть диэлектрических потерь (См. Диэлектрические потери) в сегнетоэлектриках.

Поскольку с поляризацией связаны др. характеристики сегнетоэлектриков, например деформация, то с диэлектрическим Г. связаны др. виды Г., например пьезоэлектрический Г. (рис. 4), Г. электрооптического эффекта (См. Электрооптический эффект). В некоторых случаях наблюдаются двойные петли диэлектрического Г. (рис. 5). Это объясняется тем, что под влиянием электрического поля в образце происходит фазовый переход с перестройкой кристаллической структуры. Такого рода диэлектрический Г. тесно связан с Г. при фазовых переходах.

Упругий Г., т. е. гистерезисная зависимость деформации и от механического напряжения σ, наблюдается в любых реальных материалах при достаточно больших напряжениях (рис. 6). Упругий Г. возникает всякий раз, когда имеет место пластическая (неупругая) деформация (см. Пластичность). Пластическая деформация обусловлена перемещением дефектов, например дислокаций (См. Дислокации), всегда присутствующих в реальных материалах. Примеси, включения и др. дефекты, а также сама кристаллическая решётка стремятся удержать дислокацию в определенных положениях в кристалле. Поэтому требуются напряжения достаточной величины, чтобы сдвинуть дислокацию. Механическая обработка и введение примесей приводят к закреплению дислокаций, в результате чего происходит упрочнение материала, пластическая деформация и упругий Г. наблюдаются при больших напряжениях. Энергия, теряемая в образце за один цикл, идёт в конечном счёте на нагревание образца. Потери на упругий Г. дают вклад во Внутреннее трение. В случае упругих деформаций, помимо гистерезисных, есть и др. потери, например обусловленные вязкостью (См. Вязкость магнитная). Величина этих потерь, в отличие от гистерезисных, зависит от частоты изменения σ (или и). Иногда понятие «упругий Г.» употребляется шире — говорят о динамической петле упругого Г., включающей все потери на данной частоте.

Лит.: Киренский Л. В., Магнетизм, 2 изд., М., 1967; Вонсовский С. В., Современное учение о магнетизме, М. — Л., 1952; Бозорт Р., Ферромагнетизм, пер. с англ., М., 1956; Иона Ф., Ширане Д., Сегнетоэлектрические кристаллы, пер. с англ., М., 1965; Постников В. С., Внутреннее трение в металлах, М., 1969; Физический энциклопедический словарь, т. 1, М., 1960.

А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.

Рис. 1. Петля магнитного гистерезиса для ферромагнетика: Н — напряжённость магнитного поля; М — магнитный момент образца; Н_с — коэрцитивное поле; M_r — остаточный магнитный момент; M_s — магнитный момент насыщения. Пунктиром показана непредельная петля гистерезиса. Схематически приведена доме́нная структура образца для некоторых точек петли.

Рис. 2. Влияние механической и термической обработки на форму петли магнитного гистерезиса пермалоя: 1 — после наклёпа; 2 — после отжига; 3 — кривая мягкого железа (для сравнения).

Рис. 3. Петля диэлектрического гистерезиса в сегнетоэлектрике: Р — поляризация образца; Е — напряжённость электрического поля.

Рис. 4. Петля гистерезиса обратного пьезоэлектрического эффекта в титанате бария: U — деформация: Е — напряжённость электрического поля.

Рис. 5. Двойная петля диэлектрического гистерезиса.

Рис. 6. Петля упругого гистерезиса: σ — механическое напряжение; u — деформация.

Феномен гистерезиса или что нас останавливает в шаге от победы

Высший тип свободных людей следует искать там, где приходится преодолевать самые сильные препятствия; в пяти шагах от тирании, у самого источника грозящего рабства.

Само по себе слово «гистерезис» имеет греческие корни и значит по смыслу «отстающий». Смысл этого явления в том, что приложение усилий переводит систему в новое состояние не сразу, а с некоторой задержкой. При этом важно, чтобы усилия превысили некий порог.

Если порог не пройден, то после прекращения усилий результат либо вообще отсутствует, либо все положительные сдвиги начинают сходить на нет.

Вспоминается аналогия с сизифовским закатыванием камня на гору. Можно прикладывать множество сил, катя камень вверх, но если мы остановимся в нескольких сантиметрах от вершины, то вся работа может оказаться тщетной.

В материальном мире масса примеров гистерезиса. Например, вода не закипит, если ее не нагреть до 100 градусов хотя бы на один градус. Переход системы в другое устойчивое состояние чем-то сродни квантовому скачку электрона в молекуле с одного энергетического уровня на другой.

Нередко то же самое происходит и с людьми. Человек старается, делает что-то чтобы измениться. Изо дня в день он следует своему плану, но ощущает, что уперся в стенку, и ничего не происходит и не меняется.

По иронии судьбы он часто останавливается с камнем практически у вершины горы. Ниже история под названием «в трех футах от золота», которую приводит в своей книге «Думай и богатей» Наполеон Хилл.

В далекие дни Золотой лихорадки дядюшка мистера Р.Ю. Дарби решил стать старателем и отправился на Запад, ЧТОБЫ РАЗБОГАТЕТЬ. Он никогда раньше не слышал о том, что из недр человеческих мозгов было добыто гораздо больше золота, чем из недр земли. Он застолбил участок и отправился орудовать киркой и лопатой. Дело продвигалось с большим трудом, но его жажда золота была вполне очевидной.

После долгих недель тяжкого труда, он был вознагражден несколькими кусками блестящей руды. Ему только не хватало нужного оборудования, чтобы поднять найденную породу на поверхность. Тогда он потихоньку прикрыл штольню и отправился назад, в свой родной Мэрилэнд, где он рассказал своим родным и некоторым из соседей об «окрытии месторождения». Те собрали деньги на покупку всего необходимого и позаботились о его отправке. Дядя и Дарби вернулись назад на шахту.

Как только первая вагонетка была поднята на поверхность, руда была отправлена в плавильню. Вердикт был ясен — они стали владельцами одной из самых богатых шахт в Колорадо! Еще несколько вагонеток развеяли последние сомнения. Еще немного и огромные прибыли готовы были потечь рекой. Бурильные машины вгрызались в породу! Надежды дяди и Дарби уносились ввысь!

А потом произошло то, чего никто не мог ожидать. Золотая жила исчезла! Они добрались до самого края радуги, а волшебного горшка с золотом там не оказалось. Они безудержно продолжали бурить снова и снова, но все безрезультатно. Наконец, они решили все БРОСИТЬ. Они продали машины старьевщику за несколько сотен долларов и отправились поездом домой.

Некоторые «старьевщики» глупы, но этот таким не был. Он попросил горного инженера взглянуть на шахту и произвести кое-какие расчеты. Инженер предположил, что проект провалился от того, что владельцы не были знакомы с «линиями разлома». Его расчеты показали, что жила должна снова начинаться ВСЕГО В ТРЕХ ФУТАХ ОТ ТОГО МЕСТА, ГДЕ ДАРБИ И ЕГО ДЯДЯ ПЕРЕСТАЛИ БУРИТЬ! Именно там ее и нашли! «Старьевщик» заработал на этой шахте миллионы долларов, потому что ему хватило ума прежде, чем все бросать, обратиться за советом к специалисту.

Желание все бросить

Вставая на путь изменений, многие часто испытывают бодрость, оптимизм и желание действовать. Последнее является безусловным и необходимым ресурсом, настоящей путеводной звездой на любом пути.

В терминах гистерезиса такое желание можно сравнить с тем самым усилием, которое необходимо для перевода системы из старого состояния в устойчивое новое. Но усилие должно быть постоянным и достаточным по интенсивности. Только так можно будет преодолеть задержку системы.

Человек, видя, что ничего не происходит, часто опускает руки. Это вполне объяснимо. Ведь он потратил столько времени и сил, но видимого и ощутимого результата как нет, так и нет.

В этот момент возникает желание все бросить. Ведь невыносимо продолжать путь, который лишь отнимает силы и дает взамен только крохи надежды. Как долго можно передвигаться вслепую по коридору, который неизвестно когда закончится?

Вполне логичный выход – уйти от стресса, прекратив делать неразумные действия, которые ни к чему не приводят.

Как же преодолеть такое желание и продолжить путь?

Как было сказано выше, остановка в любой точке перед достижением порога может поставить крест на желанных изменениях. В этом заключается уловка или ловушка феномена гистерезиса. Пружина восстановит форму, если ее перестать растягивать.

Спортсмены знают про важность самого последнего повторения упражнения, когда процесс идет через «не могу». Казалось бы, какая разница, поднять штангу десять или одиннадцать раз? Оказывается есть, и очень большая. Особенно если этот одиннадцатый раз выполняется на пределе сил. И именно одиннадцатый раз приведет в конечном счете к росту мышц.

Знакомый многим закон парето здесь снова имеет место. Согласно нему, заключительные 20% усилий дадут 80% желаемого результата. При том, что первые 80% усилий дадут всего 20% желаемых изменений.

Феномен гистерезиса и терапия

Кстати, в терапии феномен гистерезиса проявляется весьма часто. Особенно, когда пройдена большая часть пути. Замечал, что даже самые целеустремленные клиенты переживают порой разочарование и желание опустить руки, когда остается совсем немного до победного конца.

На этом участке пути от терапевта требуется особое внимание и поддержка, чтобы предупредить подобный настрой клиента и не дать ему остановиться «в трех футах от золота».

Однако если барьер успешно пройден, то возникает невероятное облегчение и ощущение настоящего взлета. В такие моменты осознается ценность наставника, который помогает идущему по пути изменений и в нужный момент подаст ему руку и вытянет из трясины сомнений и апатии. На мой взгляд, терапевту очень важно стать таким наставником для клиента, пусть даже это будет продолжать совсем недолго. Но этот короткий момент очень важен, и его нельзя упустить. Хотя бывает, что такие моменты могут происходить и не один раз за терапию. Важно распознать подобное предбарьерное настроение клиента и протянуть руку. Иначе можно в прямом смысле упустить клиента. Сам сталкивался с подобным, были клиенты, которых я упустил по этой причине…

Завершить статью хочу мыслью, что многие барьеры мы пытаемся преодолеть, не осознавая, что сами являемся их создателями.

Напоследок притча Ричарда Баха под названием «на дне реки».

Когда-то на дне одной большой хрустальной реки стояла деревня, и жили в ней некие существа.

Река безмолвно текла над ними всеми: молодыми и старыми, богатыми и бедными, хорошими и плохими. Текла своей дорогой и знала лишь о своём собственном хрустальном Я.

И все эти существа, каждый по-своему, цеплялись за камни и тонкие стебли росших на дне реки растений, ибо умение цепляться было у них основой жизни, а сопротивляться течению реки они учились с самого рождения.

Но одно существо наконец сказало:

— Я устал цепляться. И хоть я не вижу этого своими глазами, я верю, что течение знает, куда оно направляется. Сейчас я отпущу камень, и пусть оно унесёт меня с собой. Иначе я умру от скуки.

Другие существа засмеялись и сказали:

— Дурак! Только отпусти свой камень, и твоё обожаемое течение так тебя перекувырнёт да шмякнет о камни, что от этого ты быстрее помрёшь, чем от скуки!

Но он не послушался и, набрав побольше воздуха, разжал руки, и в тот же миг течение перекувырнуло его и ударило о камни. Однако существо всё же не стало ни за что цепляться, и тогда поток поднял его высоко над дном, и о камни его больше не било.

А существа, жившие ниже по реке, для которых он был незнакомцем, закричали: «Глядите, чудо! Он такой же, как мы, однако он летит! Смотрите, Мессия пришёл, чтобы спасти нас»!

И тогда тот, которого несло течение, сказал:

— Я такой же Мессия, как и вы. Река с радостью освободит нас и поднимет вверх, если мы только осмелимся отцепиться от камней. Наша истинная работа заключается в этом странствии, в этом отважном путешествии.

Но они лишь громче закричали: «Спаситель!» — всё так же цепляясь за камни, а когда они снова взглянул вверх, его уже не было, и они остались одни и начали слагать легенды о Спасителе.

Вострухов Дмитрий Дмитриевич,

психолог, НЛПт-психотерапевт, консультант по благополучию

Что такое магнитный гистерезис, кривые магнитного намагничивания

В данной статье мы рассмотрим явление под названием магнитный гистерезис, которое связано со свойствами намагничивания материала, благодаря которому он сначала намагничивается, а затем размагничивается. Рассмотрим кривые намагничивания, сохраняемость, а так же магнитную петлю гистерезиса.

Описание явления магнитного гистерезиса

Мы знаем, что магнитный поток, создаваемый электромагнитной катушкой, представляет собой величину магнитного поля или силовых линий, создаваемых в данной области, и что его чаще называют «плотностью потока», обозначенным символ B с единицей измерения Тесла, Т.

Мы также знаем из предыдущих уроков, что магнитная сила электромагнита зависит от числа витков катушки, тока, протекающего через катушку, или от типа используемого материала сердечника, и если мы увеличим либо ток, либо число оказывается, мы можем увеличить напряженность магнитного поля H.

Ранее относительная проницаемость, символ µ _r, определялась как отношение абсолютной проницаемости µ и проницаемости свободного пространства µ _o(вакуум), и это задавалось как постоянная величина. Однако взаимосвязь между плотностью потока B и напряженностью магнитного поля H может быть определена тем фактом, что относительная проницаемость µ _r не является постоянной величиной, а функцией интенсивности магнитного поля, что дает плотность магнитного потока как: B = M H .

Тогда плотность магнитного потока в материале будет увеличена в большей степени в результате его относительной проницаемости для материала по сравнению с плотностью магнитного потока в вакууме, µ _o H, а для катушки с воздушной сердцевиной это соотношение определяется как:

Таким образом, для ферромагнитных материалов отношение плотности потока к напряженности поля ( B / H ) не является постоянным, а изменяется в зависимости от плотности потока. Тем не менее, для катушек с воздушной сердцевиной или любой сердцевины с немагнитной средой, такой как дерево или пластмасса, это отношение можно считать постоянной величиной, и эта постоянная известна как μ _o , проницаемость свободного пространства ( μ _o = 4.π.10 -7 ч / м ).

Построив значения плотности потока ( B ) против напряженности поля, ( Н ) мы можем произвести набор кривых , называемых Кривые намагничивания, кривые магнитного гистерезиса или более обычно BH кривые для каждого типа основного используемого материала.

Намагниченность или кривая B-H

Набор кривых намагничивания выше, представляет пример взаимосвязи между B и H для сердечников из мягкого железа и стали, но каждый тип материала сердечника будет иметь свой собственный набор кривых магнитного гистерезиса. Вы можете заметить, что плотность потока увеличивается пропорционально напряженности поля до тех пор, пока она не достигнет определенного значения, если оно больше не может становиться почти равным и постоянным, поскольку напряженность поля продолжает увеличиваться.

Это связано с тем, что существует ограничение на количество плотности потока, которое может генерироваться ядром, поскольку все домены в железе идеально выровнены. Любое дальнейшее увеличение не будет влиять на значение M , и точка на графике, где плотность потока достигает своего предела, называется магнитным насыщением, также известным как насыщение сердечника, и в нашем простом примере выше точки насыщения стальной кривой начинается примерно с 3000 ампер-витков на метр.

Насыщение происходит потому, что, как мы помним из предыдущей статьи по магнетизму, который включал теорию Вебера, случайное расположение структуры молекулы в материале ядра изменяется, когда крошечные молекулярные магниты в материале становятся «выстроенными».

По мере увеличения напряженности магнитного поля ( H ) эти молекулярные магниты становятся все более и более выровненными, пока они не достигнут идеального выравнивания, создавая максимальную плотность потока, и любое увеличение напряженности магнитного поля из-за увеличения электрического тока, протекающего через катушку, будет иметь мало или вообще не будет иметь эффекта.

Сохраняемость (способность сохранять остаточный магнетизм)

Предположим, что у нас есть электромагнитная катушка с высокой напряженностью поля из-за тока, протекающего через нее, и что материал ферромагнитного сердечника достиг своей точки насыщения, максимальной плотности потока. Если мы теперь откроем переключатель и удалим ток намагничивания, протекающий через катушку, мы ожидаем, что магнитное поле вокруг катушки исчезнет, ​​когда магнитный поток уменьшится до нуля.

Однако магнитный поток не исчезает полностью, поскольку материал электромагнитного сердечника все еще сохраняет часть своего магнетизма, даже когда ток прекращает течь в катушке. Эта способность к катушке, чтобы сохранить часть своего магнетизма внутри сердечника после процесса намагничивания остановилось называются сохраняемость или остаточной намагниченности, в то время как величина плотности потока все еще остается в ядре, называется остаточным магнетизмом B _R .

Причиной этого является то, что некоторые из крошечных молекулярных магнитов не возвращаются к совершенно случайному образцу и все же указывают в направлении исходного поля намагничивания, давая им своего рода «память». Некоторые ферромагнитные материалы обладают высокой удельной удерживаемостью (магнитной твердостью), что делает их превосходными для изготовления постоянных магнитов.

В то время как другие ферромагнитные материалы имеют низкую способность удерживать (магнитно-мягкие), что делает их идеальными для использования в электромагнитах, соленоидах или реле. Один из способов уменьшить эту остаточную плотность потока до нуля — изменить направление тока, протекающего через катушку, путем изменения значения H, напряженности магнитного поля, отрицательной. Этот эффект называется коэрцитивной силой H _C .

Если этот обратный ток увеличивается еще больше, то плотность потока будет также увеличиваться в обратном направлении, пока ферромагнитный сердечник не достигнет насыщения снова, но в обратном направлении от предыдущего. Снижая ток намагничивания I снова до нуля создаст аналогичную величину остаточного магнетизма, но в обратном направлении.

Затем путем постоянного изменения направления тока намагничивания через катушку с положительного направления на отрицательное направление, как в случае с источником переменного тока, можно создать петлю магнитного гистерезиса ферромагнитного сердечника.

Магнитная петля гистерезиса

Магнитная петля гистерезиса выше, показывает поведение ферромагнитного сердечника графически в виде соотношения между B и H является нелинейным. Начиная с немагнитного сердечника, и B, и H будут в нуле, точка 0 на кривой намагничивания.

Если ток намагничивания I увеличивается в положительном направлении до некоторого значения, напряженность магнитного поля H линейно увеличивается с I,и плотность потока B также будет увеличиваться, как показано кривой из точки 0 в точку a, когда она движется к насыщению.

Теперь, если ток намагничивания в катушке уменьшается до нуля, магнитное поле, циркулирующее вокруг сердечника, также уменьшается до нуля. Однако магнитный поток катушек не достигнет нуля из-за остаточного магнетизма, присутствующего в сердечнике, и это показано на кривой от точки а к точке b .

Чтобы уменьшить плотность потока в точке b до нуля, необходимо обратить ток, протекающий через катушку. Сила намагничивания, которая должна применяться для обнуления остаточной плотности потока, называется «Коэрцитивной силой». Эта коэрцитивная сила меняет магнитное поле, перестраивая молекулярные магниты, пока ядро ​​не станет немагнитным в точке с .

Увеличение этого обратного тока вызывает намагничивание сердечника в противоположном направлении, и дальнейшее увеличение этого тока намагничивания приведет к тому, что сердечник достигнет своей точки насыщения, но в противоположном направлении, точки d на кривой.

Эта точка симметрична точке b . Если ток намагничивания снова уменьшится до нуля, остаточный намагниченность, присутствующая в сердечнике, будет равна предыдущему значению, но в точке е будет обратной .

Снова изменение направления тока намагничивания, протекающего через катушку на этот раз в положительном направлении, приведет к тому, что магнитный поток достигнет нуля, точка f на кривой, и, как и прежде, дальнейшее увеличение тока намагничивания в положительном направлении приведет к насыщению сердечника в точке а .

Затем кривая B-H следует по пути a-b-c-d-e-f-a, когда ток намагничивания, протекающий через катушку, чередуется между положительным и отрицательным значением, таким как цикл переменного напряжения. Этот путь называется магнитной петлей гистерезиса.

Эффект магнитного гистерезиса показывает, что процесс намагничивания ферромагнитного сердечника и, следовательно, плотность потока зависят от того, на какую часть кривой намагничивается ферромагнитный сердечник, поскольку это зависит от прошлых цепей, придающих сердечнику форму «памяти». Тогда ферромагнитные материалы имеют память, потому что они остаются намагниченными после того, как внешнее магнитное поле было удалено.

Однако мягкие ферромагнитные материалы, такие как железная или кремниевая сталь, имеют очень узкие петли магнитного гистерезиса, что приводит к очень небольшим количествам остаточного магнетизма, что делает их идеальными для использования в реле, соленоидах и трансформаторах, поскольку они могут легко намагничиваться и размагничиваться.

Поскольку для преодоления этого остаточного магнетизма необходимо применять коэрцитивную силу, необходимо выполнить работу по замыканию петли гистерезиса, чтобы используемая энергия рассеивалась в виде тепла в магнитном материале. Это тепло известно как потеря гистерезиса, величина потери зависит от значения материала коэрцитивной силы.

Добавляя добавки к металлическому железу, такие как кремний, можно получить материалы с очень малой коэрцитивной силой, которые имеют очень узкую петлю гистерезиса. Материалы с узкими петлями гистерезиса легко намагничиваются и размагничиваются и известны как магнитомягкие материалы.

Магнитные петли гистерезиса для мягких и твердых материалов

Магнитный гистерезис приводит к рассеиванию потраченной энергии в виде тепла, причем энергия теряется пропорционально площади петли магнитного гистерезиса. Потери гистерезиса всегда будут проблемой в трансформаторах переменного тока, где ток постоянно меняет направление, и, таким образом, магнитные полюсы в сердечнике будут вызывать потери, потому что они постоянно меняют направление.

Вращающиеся катушки в машинах постоянного тока также будут нести гистерезисные потери, поскольку они попеременно проходят севернее южных магнитных полюсов. Как указывалось ранее, форма петли гистерезиса зависит от природы используемого железа или стали, и в случае железа, которое подвергается массивным изменениям магнетизма, например, сердечники трансформатора, важно, чтобы петля гистерезиса B-H была как можно меньше.

В следующей статье об электромагнетизме мы рассмотрим закон электромагнитной индукции Фарадея и увидим, что, перемещая проводной проводник в стационарном магнитном поле, можно вызвать электрический ток в проводнике, образующий простой генератор.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Что такое гистерезис?

В сердечнике любого электромагнита после выключения тока всегда сохраняется часть магнитных свойств, называемая остаточным магнетизмом. Величина остаточного магнетизма зависит от свойств материала сердечника и достигает большего значения у закаленной стали и меньшего у мягкого железа.

Однако, как бы ни было мягко железо, остаточный магнетизм все же будет оказывать известное влияние в том случае, если по условиям работы прибора необходимо перемагничивание его сердечника, т. е. размагничивание до нуля и намагничивание в противоположном направлении.

Действительно, при всяком изменении направления тока в обмотке электромагнита необходимо (благодаря наличию в сердечнике остаточного магнетизма) сначала размагнитить сердечник, и только после этого он может быть намагничен в новом направлении. Для этого потребуется какой-то магнитный поток противоположного направления.

Иначе говоря, изменение намагничивания сердечника (магнитной индукции) всегда отстает от соответствующих изменений магнитного потока (напряженности магнитного поля), создаваемого обмоткой.

Это отставание магнитной индукции от напряженности магнитного поля носит название гистерезиса . При каждом новом намагничивании сердечника для уничтожения его остаточного магнетизма приходится действовать на сердечник магнитным потоком противоположного направления.

Практически это будет означать затрату какой-то части электрической энергии на преодоление коэрцитивной силы, затрудняющей поворот молекулярных магнитиков в новое положение. Затраченная на это энергия выделяется в железе в виде тепла и представляет потери на перемагничивание, или, как говорят, потери на гистерезис .

Исходя из сказанного, железо, подверженное в том или ином приборе непрерывному перемагничиванию (сердечники якорей генераторов и электродвигателей , сердечники трансформаторов), должно выбираться всегда мягкое, с очень небольшой коэрцитивной силой. Это дает возможность уменьшить потери на гистерезис и тем самым повысить коэффициент полезного действия электрической машины или прибора.

Петля гистерезиса — кривая, изображающая ход зависимости намагничивания от напряженности внешнего поля. Чем больше площадь петли, тем большую работу на перемагничивание надо затратить.

Представим себе простой электромагнит с железным сердечником. Проведем его через полный цикл намагничивания, для чего будем менять намагничивающий ток от нуля до величины ОМ в обоях направлениях.

Начальный момент: сила тока равна нулю, железо не намагничено, магнитная индукция В=0.

1-ая часть: намагничивание изменением тока от 0 до величины — + ОМ. Индукция в железе сердечника будет возрастать сначала быстро, затем медленнее. К концу операции, в точке А железо так насыщено магнитными силовыми линиями, что дальнейшее усиление тока (свыше + ОМ) может дать самые незначительные результаты, почему операцию намагничивания можно считать законченной.

Намагничивание до насыщения означает, что имеющиеся в сердечнике молекулярные магниты, находящиеся в начале процесса намагничивания в полном, а затем лишь в частичном беспорядке, почти все расположились теперь стройными рядами, северными полюсами в одну сторону, южными в другую, почему на одном конце сердечника мы имеем теперь северную полярность, на другом — южную.

2-я часть: ослабление магнетизма вследствие уменьшения тока от + ОМ до 0 и полное размагничивание при токе — OD. Магнитная индукция, изменяясь по кривой АС, дойдет до значения ОС, в то время как ток уже будет равен нулю. Эту магнитную индукцию называют остаточным магнетизмом, или остаточной магнитной индукцией. Для уничтожения ее, для полного, следовательно, размагничивания, необходимо дать в электромагнит ток обратного направления и довести его до значения, соответствующего на чертеже ординате OD.

3-я часть: намагничивание в обратную сторону путем изменения тока от — OD до — ОМ1. Магнитная индукция, возрастая по кривой DE, дойдет до точки Е, соответствующей моменту насыщении.

4-я часть: ослабление магнетизма постепенным уменьшением тока от — ОМ1, до нуля (остаточный магнетизм OF) и последующее размагничивание путем перемены направления тока и доведения его до величины + ОН.

5-я часть: намагничивание, соответствующее процессу 1-й части, доведение магнитной индукции от нуля до + МА путем изменении тока от + ОН до + ОМ.

П ри уменьшении размагничивающего тока до нуля не все элементарные или молекулярные магниты приходят в прежнее беспорядочное состояние, но часть их сохраняет свое положение, соответствующее последнему направлению намагничивания. Это явление запаздывания или задерживания магнетизма и носит название гистерезиса.

Вопрос 5. Явление магнитного гистерезиса

Явление магнитного гистерезиса характеризуют ферамагнетиками. Оно заключается в том, что если изменять внешнее магнитное поле, то в ферамагнетиках будет возникать остаточная намагниченность.

Sпетли(площадь петли) хар-ет работу полей необходимых для перемагничивания ферамагнетиков.

Преломление линий магнитного поля на границе двух магнетиков.

закон преломления .

Вопрос 7. Уравнения Максвелла (первое, второе).

Ф=

В случае слабых полей : D=

Поток вектора индукции электрического поля, через замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов заключенной в данной поверхности.

Качественно поток поля D характеризуется числом линий поля, пронизывающих данную поверхность.

Линии выходящих из поверхности учитываются со знаком +, выходящих со знаком -.

2)Закон отсутствия в природе магнитных зарядов.

Фв=0 – потверждает отсутствие в природе магнитных монополий

В соотвествии с данным уравнением линии магнитного поля замкнуты, либо уходят в бесконечность.

Магнитное поле является Вихривым.

Вопрос 8. Уравнения Максвелла (третье, четвертое).

3)Закон электромагнитной индукции.

Циркуляция поля E по замкнутому контуру равна скорости убыли магнитного потока через плозадь ограниченную данным контуром

Меняющиеся во времени магнитное поле вокруг себя пораждает вихревое электричское поле.

4) Закон полного тока

, Y-ток.

Циркуляция напряженности магнитного поля, по замкнотому контуру, равна алгебраической сумме токов проводимости, и токов смещения. охватываемых данным контуром.

Источником магнитного поля выступают токи проводимости( движущиеся заряды) и изменяются в электрическом поле.

3 и 4 уравнения, свидетельсвуют о возможности электромагнитны волн.

Вопрос 9. Гармонические колебания. Уравнение гармонических колебаний. Скорость, ускорение материальной точки при гармонических колебаниях.

Гармонические колебания – колебания по закону sin и cos.

Уравнение x = Acos(

А-амплитуда, x – текущее смещение, t – текущее время,

-Скорость

-Ускорение

Вопрос 10. Метод векторных диаграмм. Пример применения.

Метод векторных диаграмм – позволяет продимострировать колебания графически.

На векторной диаграмме мы можем складывать несколько колебаний с одинаковымой частотой)

Вопрос 11.Сложение одинаково направленных гармонических колебаний с одинаковыми периодами.

Вопрос 12.Сложение одинаково направленных гармонических колебаний с близкими периодами. Биения.

Вопрос 13.Сложение взаимноперпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.