Магнитные цепи. 
Теоретические основы электротехники. 
Том 1. Электрические цепи

Подразделение веществ на сильномагнитные и слабомагнитные

Из курса физики известно, что все вещества по их магнитным свойствам подразделяют на диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные, ферримагнитные и антиферромагнитные. У диамагнитных веществ относительная магнитная проницаемость p_r < 1, например для висмута ц_г = 0,99 983, у парамагнитных веществ ц_г> 1, например для платины ц_г = 1,36. У ферромагнитных веществ (железо, кобальт и их сплавы) ц_г много больше единицы (например, 10⁴, а у некоторых материалов даже до 10⁶). У ферримагнитных веществ ц_г того же порядка, что и у ферромагнитных, а у антиферромагнитных веществ ц_г того же порядка, что и у парамагнитных.

При решении большинства электротехнических задач достаточно подразделять все вещества не на перечисленные группы, а на сильномагнитные, у которых ц_г «1, и на слабомагнитные (практически немагнитные), у которых ц_г ~ 1.

Основные величины, характеризующие магнитное поле

Основными векторными величинами, характеризующими магнитное поле, являются магнитная индукция В и намагниченность J¹.

Магнитная индукция — это векторная величина, определяемая по силовому воздействию магнитного поля на ток (см. гл. 21).

Намагниченность — магнитный момент единицы объема вещества.

Кроме этих двух величин магнитное поле характеризуется напряженностью магнитного поля Н.

Три величины — В, J, Н — связаны друг с другом следующей зависимостью^[1][2]:

В СИ единица индукции В — тесла (Тл): 1 Тл = 1 В • с/м² = 1 Вб/м², а в системе СГСМ — гаусс (1 Гс = 10~⁸ Вб/см²).

Единица намагниченности J и напряженности поля Я в СИ — ампер на метр (А/м), а в системе СГСМ — эрстед (Э).

Намагниченность J представляет собой вектор, направление которого полагают совпадающим с направлением Я в данной точке:

Коэффициент х для ферромагнитных веществ является функцией Я. Подставив (14.2) в (14.1) и обозначив 1 + % = р_г, получим.

где ц₀ — постоянная, характеризующая магнитные свойства вакуума; р_а— абсолютная магнитная проницаемость.

В СИ р₀ = 4п ? lO⁷ Гн/м = 1,257 • 10^_6 Гн/м; в СГСМ р₀ =1. Для ферромагнитных веществ р_г является функцией Я.

Магнитный поток Ф через некоторую поверхность S — это поток вектора магнитной индукции через эту поверхность:

где dS — элемент поверхности S.

В СИ единица магнитного потока — вебер (Вб); в СГСМ — максвелл (Мкс); 1 Мкс = lO-⁸ Вб; 1 кМкс = 10³ Мкс.

При расчетах магнитных цепей обычно применяют две величины: магнитную индукцию В и напряженность магнитного поля Я.

Намагниченность J в расчетах, как правило, не используют (при необходимости значение J, отвечающее соответствующим значениям В и Я, всегда можно найти по формуле (14.1)).

Ферромагнитные вещества имеют кристаллическую структуру. Каждый кристалл состоит из самопроизвольно намагниченных областей — доменов. Магнитное состояние каждого домена характеризуется вектором намагниченности. Решающую роль в формировании ферромагнитных свойств играет спиновый магнитный момент атома, обусловленный наличием нескомпенсированных спинов на одной из внутренних оболочек атома. В ферромагнетиках электроны одного атома расположены настолько близко к ядру другого атома, что между соседними атомами имеет место как бы обмен электронами. При этом между соседними атомами действуют не только магнитные силы, обусловленные взаимодействием спинов, но и силы, вызванные наличием обменных электронов. Последним соответствует обменная энергия (обменный интеграл).

Ферромагнитные свойства проявляются в том случае, когда обменный интеграл положителен. Обменные силы стремятся установить соседние атомы так, чтобы их магнитные моменты были параллельны, тогда как магнитные силы взаимодействия между соседними спинами стремятся установить соседние атомы так, чтобы их магнитные моменты были антипараллельны. Эти два взаимодействия определяют размер доменов.

В размагниченном в макросмысле теле при отсутствии внешнего поля векторы намагниченности доменов направлены неупорядоченно. При воздействии на тело внешнего магнитного поля по мере увеличения интенсивности последнего сначала возрастают объемы доменов, векторы намагниченности которых наиболее близки к вектору внешнего поля. Этот процесс, происходящий за счет соседних доменов, получил название «смещение границ». Затем ориентация доменов скачкообразно изменяется в том направлении легкого намагничивания, которое ближе всего к направлению вектора внешнего поля («скачки Баркгаузена»). При дальнейшем увеличении интенсивности внешнего поля векторы намагниченности отдельных доменов поворачиваются по внешнему полю. Если ферромагнитное тело неоднородно по структуре, то эти три процесса могут происходить одновременно.

• [1] Стрелка над буквой характеризует вектор в пространстве.
• [2] Пояснения к формуле (14.1) см. в параграфе 14.25.