Посвящение в радиоэлектронику

Оказывается, в железе, как и в любом ферромагнетике, есть свои крошечные, как говорят, элементарные магнитики. Простейший атом с одним электроном, вращающийся со скоростью v вокруг ядра, уже является элементарным магнитом, ведь движущийся заряд-электрон — это кольцевой ток, создающий свое собственное магнитное поле. Кроме того, электрон обладает еще и собственным магнитным моментом, обусловленным, как можно себе представить, быстрым вращением электрона вокруг собственной оси — его спином. Отдельно взятые магнитные поля атомов очень слабы. Но когда вещество ферромагнетика кристаллизуется из расплава, электроны ориентируются своими магнитными полями в одну сторону. Образуется микрокристаллик — домен, в котором все элементарные магнитные поля складываются и образуют уже значительное магнитное поле домена. Но если кусок ферромагнетика не намагничен, то магнитные поля доменов ориентированы как попало, хаотически, и общее магнитное поле в веществе отсутствует. Картина сразу меняется, если ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле (в катушку индуктивности). Внешнее поле заставляет магнитные поля доменов поворачиваться, ориентироваться в одном направлении. Теперь к внешнему полю добавляются собственные поля доменов, и общее магнитное поле возрастает.

Относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков очень велика: она может достигать нескольких тысяч и даже десятков тысяч. Во столько же раз возрастает и магнитное поле в сердечнике. Вот какой огромный эффект создают крошечные элементарные магнитики — домены! Поэтому все катушки в электротехнических устройствах — трансформаторах, двигателях, электромагнитах и в той же головке магнитофона — обязательно наматывают на ферромагнитных сердечниках. Без магнитопровода потребовалось бы гораздо больше витков, а в ряде случаев устройство и вообще нельзя было бы изготовить.

Магнитный поток головки.

А зависят ли магнитные свойства ферромагнетика от величины приложенного магнитного поля? Оказывается, зависят, и очень сильно. Эту зависимость лучше всего изобразить — графически. Отметим по горизонтали напряженность внешнего магнитного поля Н. Она пропорциональна силе тока в катушке. А по вертикали отложим магнитную индукцию в магнитопроводе В. На начальном участке кривой при малом токе в катушке индукция возрастает не очень быстро. Домены поворачиваются в направлении поля как бы нехотя. Затем магнитная индукция возрастает быстрее. В этой части кривая намагничивания идет круто вверх. Наконец, все домены поворачиваются по полю и индукция перестает расти. Кривая намагничивания теперь идет почти горизонтально, и магнитная проницаемость резко падает. Это явление называется насыщением, а предельная величина индукции в магнитопроводе — индукцией насыщения В_НАС. То, что у нас получилось, называется основной кривой намагничивания.

Магнитное поле кругового тока.

Еще более интересные явления произойдут, если мы доведем ферромагнетик до насыщения и будем уменьшать внешнее поле. В этом случае разные ферромагнетики ведут себя по-разному. У магнитомягких материалов, к которым относится, например, железо, индукция будет уменьшаться и исчезнет вместе с внешним полем. Из магнитомягких материалов делают сердечники электромагнитов, используемых, например в реле. Пока в обмотке течет ток, магнитопровод намагничен и притягивает магнитные предметы. Но стоит ток выключить, как все магнитные свойства сердечника исчезают, и он остается таким же простым куском железа, каким и был раньше. Иначе обстоят дела у магнитотвердых материалов. Ток в катушке можно уменьшить до нуля, но намагниченность магнитопровода не исчезает! Он продолжает притягивать ферромагнитные предметы. Собственно, именно так и изготавливают постоянные магниты в форме подковы, бруска или магнитной стрелки компаса.

Круговые токи в атомах приводят к намагничиванию тела, как целого.

Магнитное поле катушки.

На нашей кривой линия раздваивается: при увеличении напряженности магнитного поля мы движемся по уже знакомой кривой намагничивания, а при уменьшении — по другой кривой, проходящей заметно выше. И когда ток в катушке, а следовательно, и Н обращаются в нуль, индукция магнитопровода не исчезает, а остается равной некоторой величине В_ост, которая так и называется — остаточная индукция. Чтобы размагнитить сердечник, надо пустить ток противоположного направления. Напряженность поля, при которой индукция В обратится в нуль, называется коэрцитивной силой Н_с. Чем больше коэрцитивная сила, тем труднее размагнитить данный ферромагнетик.

Кривая намагничивания.