Затраты энергии на перемагничивание ферромагнетика обусловлены гистерезисом – отставанием изменения намагниченности от изменения внешнего магнитного поля. Это отставание возникает из-за необходимости преодоления сил, препятствующих движению доменов (областей с однонаправленным магнитным моментом) и переориентации магнитных моментов внутри доменов. Вот основные процессы, приводящие к потерям энергии:
- Магнитная вязкость:Суть: Отставание изменения намагниченности от изменения магнитного поля из-за тепловых флуктуаций и влияния дефектов кристаллической решетки на движение доменных границ.
Механизм: Движение доменных границ не происходит мгновенно, а требует определенного времени для преодоления энергетических барьеров, связанных с дефектами кристаллической решетки, напряжениями и другими факторами. Тепловые флуктуации помогают преодолевать эти барьеры, но этот процесс требует времени и рассеивает энергию в виде тепла.
Влияние: Чем выше частота перемагничивания, тем больше вклад магнитной вязкости в потери энергии. - Задержка движения доменных границ (перемагничивание посредством смещения доменных стенок):Суть: Доменные границы (стенки, разделяющие домены с разным направлением намагниченности) не могут перемещаться свободно.
Механизм: Движению доменных границ препятствуют:Дефекты кристаллической решетки: Примеси, дислокации, вакансии. Когда доменная граница сталкивается с дефектом, требуется дополнительная энергия для преодоления этого препятствия.
Внутренние напряжения: Неравномерное распределение напряжений в материале затрудняет движение доменных границ.
Неоднородности химического состава: Локальные изменения химического состава могут создавать энергетические барьеры для движения доменных границ.
Влияние: Энергия тратится на преодоление этих препятствий и переходит в тепло. - Вращение магнитных моментов (перемагничивание посредством вращения векторов намагниченности):Суть: При относительно сильных магнитных полях перемагничивание может происходить не только за счет смещения доменных границ, но и за счет вращения магнитных моментов атомов внутри доменов.
Механизм: Вращение магнитных моментов требует преодоления сил магнитной анизотропии (предпочтительного направления намагниченности в кристалле). Энергия тратится на преодоление этих сил и переходит в тепло.Магнитная анизотропия: Тенденция магнитных моментов ориентироваться вдоль определенных кристаллографических направлений. Для переориентации моментов требуется энергия.
Взаимодействие с решеткой: Вращение магнитных моментов может вызывать деформацию кристаллической решетки, что также требует затрат энергии.
Влияние: Этот процесс становится более значимым при высоких частотах перемагничивания и сильных магнитных полях. - Вихревые токи (токи Фуко):Суть: Переменное магнитное поле, возникающее при перемагничивании, индуцирует вихревые токи в ферромагнетике.
Механизм: Вихревые токи циркулируют внутри материала и, в соответствии с законом Джоуля-Ленца, нагревают его, рассеивая энергию.
Влияние: Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты перемагничивания и квадрату толщины материала. Для снижения этих потерь используют тонколистовые материалы (трансформаторное железо) или материалы с высоким электрическим сопротивлением (ферриты). - Магнитострикция:Суть: Изменение размеров и формы ферромагнетика при изменении его намагниченности.
Механизм: Магнитострикция связана с изменением межатомных расстояний при переориентации магнитных моментов. Изменение размеров вызывает упругие деформации, которые рассеивают энергию в виде тепла.
Влияние: Вклад магнитострикции в общие потери энергии обычно невелик.
Суммарные потери на перемагничивание:
Общие потери энергии на перемагничивание складываются из потерь на гистерезис (магнитная вязкость, задержка движения доменных границ, вращение магнитных моментов) и потерь на вихревые токи:
P = Ph + Pe
где:
- P – суммарные потери энергии на перемагничивание
- Ph – потери на гистерезис
- Pe – потери на вихревые токи
Как снизить потери на перемагничивание:
- Выбор материала: Использование магнитомягких материалов с узкой петлей гистерезиса и высоким электрическим сопротивлением (например, трансформаторное железо, ферриты).
- Уменьшение толщины материала: Для снижения потерь на вихревые токи. Использование тонколистовых материалов или порошковых материалов.
- Термическая обработка: Для снятия внутренних напряжений и уменьшения дефектов кристаллической решетки, что облегчает движение доменных границ.
- Легирование: Добавление легирующих элементов, которые уменьшают магнитную анизотропию и улучшают магнитомягкие свойства материала.
- Улучшение технологии производства: Для уменьшения дефектов кристаллической решетки и обеспечения однородности материала.
Понимание этих процессов и факторов, влияющих на потери энергии при перемагничивании, необходимо для разработки эффективных магнитных материалов и оптимизации работы электротехнических устройств, таких как трансформаторы, электродвигатели и сердечники катушек индуктивности.