Исследование физических свойств материалов. Ч. 2. Магнитные свойства магнитомягких материалов

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.В. ШИШКИН, О.С. ДУТОВА

ИССЛЕДОВАНИЕ

ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ 

МАТЕРИАЛОВ

Часть 2

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА 

МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ

Учебно-методическое пособие

НОВОСИБИРСК

2010

УДК 621.318.13+537.622](075.8)

Ш 655

Рецензенты:

А.Б. Мешалкин, д-р физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. ИТ СО РАН,

С.Н. Малышев, канд. техн. наук, доц.

Работа выполнена на кафедре 

«Автоматизированные электротехнологические установки» 

и утверждена Редакционно-издательским советом университета 

в качестве учебно-методического пособия

Шишкин А.В.

Ш 655
Исследование физических свойств материалов : учеб.
метод. пособие. – В 4 ч. / А.В. Шишкин, О.С. Дутова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. – Ч. 2: Магнитные свойства магнитомягких материалов. – 52 с.

ISBN 978-5-7782-1409-5

Приведены теоретические основы магнитных свойств, классифи
кация и маркировка магнитомягких материалов. Описаны конструкция и работа лабораторного стенда для исследования кривой намагничивания и петли гистерезиса магнитомягких материалов. 

Пособие предназначено для подготовки бакалавров по направле
ниям: 140600 – Электротехника, электромеханика и электротехнологии, 080401 – Товароведение и экспертиза товаров (по областям применения), 220301– Автоматизация технологических процессов и 
производств (по отраслям) для дневного и заочного отделений.

УДК 621.318.13+537.622](075.8)

ISBN 978-5-7782-1409-5          
© Шишкин А.В., Дутова О.С., 2010
© Новосибирский государственный

технический университет, 2010

Введение

Цель пособия – помочь студентам в получении теоретических зна
ний и практических навыков при изучения курса «Материаловедение. 
Технология конструкционных материалов» в части, касающейся магнитных свойств магнитомягких материалов.

Материалом называется вещество, обладающее необходимым 

комплексом свойств для выполнения заданной функции отдельно 
и/или в совокупности с другими веществами. 

Магнитные материалы – широко используемые промышленно
стью функциональные материалы. Размеры магнитных устройств, как 
и электрических, различаются на десяток порядков: от запоминающих 
микроэлектронных устройств до огромных электромагнитов. Магнитные материалы могут служить как источниками, так и проводниками 
магнитного поля. В результате к их магнитным свойствам предъявляются прямо противоположные требования. Поэтому необходимо знать, 
как химический состав и структура влияют на магнитные характеристики материалов, чтобы обеспечить получение материалов с заданными магнитными свойствами.

Магнитомягкие материалы широко применяются в технике как 

концентраторы и проводники магнитного поля. Они являются основой 
современных электрогенераторов и электродвигателей, трансформаторов, различных типов аппаратов и приборов автоматики, вычислительной и измерительной техники, электромагнитов, дросселей и т. д.

Материаловедение
это раздел научного знания, посвященный 

свойствам веществ и их направленному изменению с целью получения 
материалов с заранее заданными рабочими характеристиками. Материаловедение опирается на фундаментальную базу всех разделов физики, химии, механики и смежных дисциплин и включает теоретические основы современных наукоемких технологий получения, 
обработки и применения материалов.

Курс материаловедения и технологии конструкционных материа
лов служит следующей цели: познанию природы и свойств материалов, а также методов получения материалов с заданными характеристиками для наиболее эффективного использования в технике.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ
СВОЙСТВ МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ

Магнитные материалы подразделяются на две большие группы: 

магнитомягкие, используемые в основном в качестве проводников 
магнитного потока, и магнитотвердые – как источники магнитного 
поля. Однако такое разделение не дает полного представления о магнитных материалах, так как их конкретное использование связано со 
всем комплексом значений магнитных характеристик, специфичных 
для данного материала.

1.1. Основные определения и зависимости

1.1.1. Магнитная проницаемость и магнитный момент

Магнитное взаимодействие пространственно разделенных тел осу
ществляется магнитным полем с напряженностью H



, которое, как и 

электрическое поле с напряженностью E



, представляет собой прояв
ление электромагнитной формы движения материи. Однако если источники электрического поля  – электрические заряды, то источник 
магнитного поля  – движение электрического заряда. 

Как электрическое поле создает электрическую индукцию D



, 

так и магнитное поле создает магнитную индукцию B



. В вакууме 

магнитная индукция связана с напряженностью магнитного поля 
через магнитную проницаемость вакуума (магнитную постоянную)
0 = 4
10–7 Гн/м:

0
μ
B
H




.
(1)

Вещество, которое обладает какими-либо магнитными свойствами, 

называют магнетиком. Когда однородный и изотропный магнетик 
полностью заполняет все пространство, где имеется магнитное поле, 
или часть его таким образом, что линии индукции намагничивающего 

поля не пересекают поверхность магнетика, магнитная индукция в 
магнетике:

0
μ
B
H




,
(2)

где 
– относительная магнитная проницаемость магнетика, пока
зывающая, во сколько раз при заданном распределении макроскопических токов магнитная индукция в рассматриваемой точке поля в данном веществе больше, чем в вакууме. Для ферро- и ферримагнитных 
материалов 
фактически является коэффициентом усиления магнит
ного поля веществом. Таким образом, напряженность H характеризует 
внешнее магнитное поле, а индукция B – внутреннее магнитное поле в веществе. 

Аналогично тому, как в любом веществе, помещенном в электри
ческое поле, возникает электрический дипольный момент P



, в любом 

веществе, внесенном в магнитное поле, возникает магнитный момент
m
P


. В отличие от электрического дипольного момента магнит
ный момент создается не системой точечных зарядов, а электрическими токами, текущими внутри системы. Магнитный момент замкнутого 
плоского контура с током равен произведению силы тока на площадь 
витка и направлен вдоль его правой нормали.

В атомных масштабах движение электронов и протонов создает 

орбитальные микротоки, связанные с движением этих частиц в атомах 
или атомных ядрах. Наличие у микрочастиц спина обусловливает существование у них спинового магнитного момента. Магнитный момент тела векторно складывается из элементарных магнитных моментов слагающих его частиц. Из магнитных моментов ядра и электронов 
слагается магнитный момент атома. Поскольку электроны, протоны и 
нейтроны, образующие атомные ядра, атомы, молекулы и все макротела, имеют собственные магнитные моменты, то все вещества подвержены влиянию магнитного поля и обладают магнитными свойствами, 
т. е. являются магнетиками.

1.1.2. Намагниченность и магнитная восприимчивость

Одной из основных характеристик любого магнетика является на
магниченность M



, представляющая собой магнитный момент еди
ницы объема вещества:

/
.
m
M
P
V




(3)

Намагниченность возрастает с увеличением напряженности маг
нитного поля:

0
χ
χ
/ μμ
M
H
B





,
(4)

где 
– магнитная восприимчивость. Для изотропных веществ 
и 

– скаляры. Для анизотропных веществ направления векторов B



и H



могут не совпадать. В этом случае 
является тензором.

Магнитная индукция, создаваемая в присутствии вещества, описы
вается соотношением

0
μ
B
H
M





,
(5)

т. е. складывается из векторов напряженности внешнего магнитного 
поля и намагниченности вещества. С учетом (2) получаем

= 
– 1.
(6)

Магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и 

отрицательной. Вещества с отрицательной магнитной восприимчивостью,  которые  ослабляют  магнитное поле, называются диамагнетиками. Вещества с положительной магнитной восприимчивостью, усиливающие магнитное поле, называют парамагнетиками. Поведение 
пара- и диамагнетиков в магнитном поле показано на рис. 1.

М

Н
Н

М

N
S
N
S

tg

а
б

Рис. 1. Поведение веществ в магнитном поле:

а – парамагнетики; б – диамагнетики