"Физика. Электродинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Ферромагнетики — вещества, которые сильно намагничиваются во внешнем магнитном поле и иногда сохраняют намагниченность после его выключения. Благодаря этому они усиливают поле электромагнитов, применяются в сердечниках трансформаторов, постоянных магнитах и устройствах магнитной записи. Выбор материала зависит от его магнитной проницаемости, остаточной намагниченности, гистерезиса и способности работать при нужной температуре.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ферромагнетик — вещество, которое сильно намагничивается во внешнем магнитном поле и способно сохранять часть намагниченности после его выключения. К таким материалам относятся, например, железо, никель и кобальт. Это свойство позволяет применять их не только для усиления поля, но и для изготовления постоянных магнитов.
Магнитная проницаемость характеризует, насколько вещество усиливает магнитное поле по сравнению с вакуумом. Чем больше проницаемость, тем сильнее изменяется магнитная индукция при том же внешнем воздействии. Поэтому это свойство особенно важно при выборе материала для сердечника электромагнита.
Магнитный гистерезис — зависимость намагниченности от предшествующего состояния материала, а не только от текущего магнитного поля. При одинаковом поле ферромагнетик может быть намагничен по-разному, если до этого его намагничивали различными способами. Гистерезис объясняет появление остаточной намагниченности и потерь энергии при перемагничивании.
Точка Кюри — температура, выше которой ферромагнетик теряет свои ферромагнитные свойства. Тепловое движение разрушает упорядоченность, благодаря которой вещество сильно намагничивается. Поэтому рабочая температура устройства не должна приводить материал к нагреву выше этой границы.
Катушка с током создаёт магнитное поле, но без сердечника оно может быть недостаточно сильным. Если внутрь катушки поместить ферромагнетик, его магнитные области ориентируются преимущественно в одном направлении. Поле материала складывается с полем катушки, поэтому магнитная индукция внутри устройства возрастает. Так ферромагнитный сердечник усиливает действие электромагнита, не являясь самостоятельным источником поля.
В трансформаторе магнитный поток должен проходить от одной обмотки к другой с небольшими потерями. Ферромагнитный сердечник облегчает прохождение магнитного потока и помогает связать обмотки общим переменным полем. Однако переменное поле наводит в массивном металле вихревые токи, вызывающие нагрев. Поэтому сердечник набирают из тонких изолированных листов: токам сложнее замыкаться внутри каждого слоя, и потери уменьшаются.
После снятия внешнего поля часть ферромагнетиков сохраняет остаточную намагниченность. Если эта способность велика, из материала можно сделать постоянный магнит, который действует без подключённой катушки. То же явление используют при магнитной записи: разные направления намагниченности небольших участков носителя соответствуют различным фрагментам информации. Считывающее устройство распознаёт эти изменения магнитного состояния.
Материал сердечника электромагнита должен легко намагничиваться и размагничиваться, поэтому для него желательно небольшое гистерезисное запаздывание и малая остаточная намагниченность. Для постоянного магнита нужны противоположные качества: сильная остаточная намагниченность и устойчивость к случайному размагничиванию. В магнитной записи также важно, чтобы участки носителя надёжно сохраняли выбранное состояние. Значит, один и тот же ферромагнетик не обязательно одинаково хорошо подходит для всех устройств.
Нагрев выше точки Кюри разрушает ферромагнитное состояние материала. После этого сердечник уже не может эффективно усиливать поле так, как при обычной температуре, а постоянный магнит теряет полезные свойства. Поэтому при проектировании устройств учитывают нагрев от токов, потери энергии и условия охлаждения. Ограничение по температуре особенно существенно для двигателей, трансформаторов и другой техники, работающей длительное время.
В таблице сначала определите, какую роль играет ферромагнетик в устройстве, а затем сравните требуемые свойства материала. Для сердечников главное усиление поля и подходящее поведение при переменном намагничивании. Для магнита и записи важнее сохранение магнитного состояния после удаления внешнего поля.
| Устройство или применение | Как используется ферромагнетик | Важное свойство материала | Практическое назначение |
|---|---|---|---|
| Сердечник электромагнита | Концентрирует и усиливает поле катушки | Большая магнитная проницаемость, малая остаточная намагниченность | Получение сильного управляемого магнита |
| Сердечник трансформатора | Проводит общий магнитный поток обмоток | Большая проницаемость, малые потери; слоистая конструкция | Передача энергии между обмотками |
| Постоянный магнит | Сохраняет намагниченность после внешнего воздействия | Большая остаточная намагниченность и устойчивость к размагничиванию | Создание постоянного магнитного поля |
| Магнитная запись информации | Хранит разные направления намагниченности участков носителя | Стабильная остаточная намагниченность и возможность перемагничивания | Запись и хранение данных |
Условие: почему сердечник электромагнита делают из ферромагнетика, а не из немагнитного материала?
Ответ: ферромагнитный сердечник усиливает поле катушки благодаря большой магнитной проницаемости. Немагнитный материал почти не намагничивается и заметного усиления не даёт.
Условие: в трансформаторе сплошной сердечник заменили пакетом тонких изолированных пластин. Зачем это сделано?
Ответ: слоистый сердечник снижает потери энергии на вихревые токи и делает работу трансформатора эффективнее. Магнитный поток при этом по-прежнему проходит через пакет пластин.
Условие: после выключения тока сердечник сохраняет заметную намагниченность. Подойдёт ли он для электромагнита, который должен быстро размагничиваться?
Ответ: материал не подходит для быстро выключаемого электромагнита. Для него нужен ферромагнетик с малой остаточной намагниченностью, а материал с большой остаточной намагниченностью лучше использовать в постоянном магните.
Ферромагнитный сердечник сам создаёт поле. Так считают, потому что сердечник становится магнитом, но первоначальное намагничивание вызывает ток катушки. Проверьте себя: уберите источник поля — останется только остаточная намагниченность, если материал ею обладает.
Любой ферромагнетик подходит для любого устройства. Ошибка возникает из-за общего названия материалов, хотя требования к сердечнику и постоянному магниту различны. Спросите себя, нужно ли материалу быстро размагничиваться или, наоборот, сохранять магнитное состояние.
Проницаемость и остаточная намагниченность — одно и то же. Проницаемость описывает отклик вещества на внешнее поле, а остаточная намагниченность — состояние после снятия поля. Для проверки мысленно разделите два момента: поле действует и поле уже выключено.
Ферромагнитные свойства не зависят от температуры. Это допускают, забывая о точке Кюри. Сравните рабочую температуру с этой границей: выше неё материал теряет ферромагнитные свойства.
Перед изучением темы нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле, а магнитная индукция характеризует его действие. Полезно также понимать, как вещество намагничивается и реагирует на магнитное поле. Эти знания понадобятся при изучении электромагнитов, трансформаторов, электрических машин и магнитной записи.
Зачем в электромагнит вставляют ферромагнитный сердечник?
Ферромагнитный сердечник усиливает магнитное поле, создаваемое током в катушке. Поэтому электромагнит с таким сердечником действует сильнее, чем катушка с воздушным сердечником.
Почему сердечники трансформаторов делают из тонких пластин?
Переменное магнитное поле наводит в сердечнике вихревые токи, которые нагревают материал и расходуют энергию. Тонкие изолированные пластины увеличивают сопротивление путям этих токов и уменьшают потери.
Чем материал постоянного магнита отличается от материала сердечника электромагнита?
Для сердечника электромагнита нужна сильная намагничиваемость и малое сохранение намагниченности после выключения тока. Материал постоянного магнита, наоборот, должен хорошо сохранять остаточную намагниченность.
Что означает остаточная намагниченность?
Остаточная намагниченность — это намагниченность, которая остаётся в ферромагнетике после удаления внешнего магнитного поля. Она позволяет изготовлять постоянные магниты и записывать информацию на магнитный носитель.
Что происходит с ферромагнетиком выше точки Кюри?
Выше точки Кюри ферромагнетик теряет способность к устойчивому ферромагнитному намагничиванию и становится парамагнетиком. При охлаждении его ферромагнитные свойства могут восстановиться.
§ 6.6. Применения ферромагнетиков
