§ 91. Магнитный гистерезис

Изучая ферромагнитные вещества, А. Г. Столетов открыл (в 1872 г.) ряд закономерностей в их намагничивании. Когда ферромагнетик находится в магнитном поле, которое его намагничивает, то в самом ферромагнетике имеется магнитное поле, вектор индукции которого равен сумме векторов индукции намагничивающего поля ₀ и магнитного поля ₁ возникшего в материале ферромагнетика вследствие его намагничивания: = ₀ + ₁. Отсюда ₁ = - ₀. Из формулы относительной магнитной проницаемости = μ₀. Тогда

₁ = μ₀ - ₀ = ₀(μ - 1).

Чем больше вектор индукции ₁ магнитного поля, возникшего в материале вследствие его намагничивания, тем сильнее намагничено вещество. Значит ₁ служит мерой намагниченности вещества.

Усиливая реостатом ток, А. Г. Столетов увеличивал тем самым индукцию В₀ намагничивающего поля и по повороту рамки гальванометра определял вектор индукции B₁ магнитного поля, возникшего в материале ферромагнетика (кольцо, стержень). Он обнаружил, что при увеличении индукции намагничивающего поля индукция возникшего в ферромагнетике магнитного поля сначала быстро увеличивается (на рис. 134, а показано отрезками на оси В₁, отсеченными пунктирами), а затем увеличение замедляется (ДА), достигает наибольшего значения В_н - наступает магнитное насыщение (АС).

Рис. 134. Магнитное насыщение, остаточный магнетизм и петля гистерезиса

При уменьшении индукции намагничивающего поля В₀ (снижением тока в катушке) уменьшалась и индукция B₁ магнитного поля в ферромагнетике, в результате чего он размагничивался. Но процесс размагничивания шел не по линии намагничивания ОА, а по линии АВ₂, расположенной выше нее (рис. 134, б). При индукции намагничивающего поля, равной нулю, ферромагнетик не размагнитился полностью: в нем сохранилась остаточная магнитная индукция величиной В₂ (остаточный магнетизм). При намагничивании ферромагнетика, когда В₀ равно нулю, то и B₁ равно нулю, когда В₀ максимальное, то и B₁ = В_н - максимальное, т. е. при намагничивании B₁ не отстает от В₀, а при размагничивании происходит отставание: В₀ становится равным нулю, a B₁ - равным В₂. Явление отставания изменения величины индукции магнитного поля, возникшего в Материале ферромагнетика от изменения величины индукции намагничивающего поля, называется магнитным гистерезисом.

Для полного размагничивания ферромагнетика надо создать внешнее поле с противоположной индукцией - В_0;3. При дальнейшем увеличении противоположного поля (рис. 134, в) ферромагнетик намагнитится до насыщения A₁. Если после этого ферромагнетик начать размагничивать, уменьшая индукцию - В₀ намагничивающего поля до нуля, то в ферромагнетике также останется магнитная индукция - В₂ (остаточный магнетизм).

Чтобы ферромагнетик совсем размагнитить, надо на него подействовать противоположным внешним магнитным полем с индукцией В_0;3. При дальнейшем увеличении индукции Во намагничивающего поля ферромагнетик намагнитится до первоначального насыщения (линия В_0;3 А). Замкнутая кривая намагничивания и размагничивания ферромагнетика называется петлей гистерезиса.

Разные ферромагнетики имеют различные формы и величину площади петли гистерезиса. Постоянные магниты изготовляются из материалов (сталь, магнитные сплавы), у которых большая площадь петли гистерезиса и велико остаточное намагничивание. Сердечники трансформаторов, генераторов, электродвигателей изготовляются из материала с малой площадью петли гистерезиса и малым остаточным намагничиванием (рис. 135).

Рис. 13.5. Получение на экране осциллографа петли гистерезиса ферромагнетика (стали напильника)

А. Г. Столетов писал: "...изучение функции намагничивания железа может иметь практическую важность при устройстве и употреблении как электромагнитных двигателей, так и тех магнитоэлектрических машин нового рода (т.е. динамомашин),в которых временное намагничивание железа имеет главную роль". Научные работы А. Г. Столетова в области исследования намагничивания железа имели громадное значение для развития электротехники.