При внесении в магнитное поле Н веществ это поле претерпевает изменения вследствие того, что под действием внешнего намагничивающего поля Н вещества (тела) сами приобретают магнитные свойства, обусловливающие появление внутреннего магнитного поля Нв, которое и приводит к изменению первоначального магнитного поля.
По характеру взаимодействия с внешним магнитным полем все вещества (тела) могут быть разделены на диамагнитные и парамагнитные, а количественной характеристикой, позволяющей оценить изменения внешнего поля, является абсолютная магнитная проницаемость μа.
Диамагнитные вещества, у которых магнитная проницаемость очень близка к единице, но остается μа<1, вызывают незначительное ослабление внешнего поля. К диамагнитным веществам относятся медь, серебро, золото, мрамор, нефть, вода и др. Наиболее сильными диамагнитными свойствами отличается висмут с μ3 — =0,99988.
У большинства парамагнитных веществ магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы, но остается μ3> 1; например, для платины μа= 1,00036. Наибольший интерес, в том числе и для практического использования, представляет группа веществ, отличающихся от других парамагнетиков значительно большей величиной проницаемости (μа»1), что определяет сильно выраженную способность усиливать внешнее поле. К ним относятся железо, никель, кобальт, гадолиний, диспрозий — это группа ферромагнетиков.
При намагничивании во внешнем магнитном поле ферромагнитное тело приобретает некоторый магнитный момент М, равный геометрической сумме магнитных моментов всех молекулярных магнитов тела. Магнитный момент, приходящийся на единицу объема V намагниченного тела, называется намагниченностью I:
(57)
Отношение намагниченности I к намагничивающему полю Н определяет меру способности тела к намагничиванию и называется магнитной восприимчивостью тела κ:
Для ферромагнетиков с учетом вектора намагниченности выражение (55) изменится и примет вид
(59)
с учетом выражения (58) выражение (59) преобразуется:
(60)
где (1 + κ)=μr —относительная магнитная проницаемость вещества; μa=μ0μr — абсолютная магнитная проницаемость вещества.
Одной из важных особенностей ферромагнетиков является нелинейность зависимости индукции В от напряженности магнитного поля Н.
В уравнении (60) магнитная проницаемость μа, как показано выше, зависит от намагничивающего поля Н, т. е. при каждом новом значении Н принимает иное значение и магнитная проницаемость μа, что делает уравнение (60) неопределенным.
Зависимость μa=f(H) впервые была исследована А. Г. Столетовым. При изучении процесса намагничивания мягкого железа им в 1872 г. было обнаружено увеличение магнитной проницаемости при росте намагничивающего поля, наличие максимума и дальнейшее уменьшение проницаемости в сильных полях до единицы. Зависимость μa=f(Η) изображена на рис. 26. Максимум магнитной проницаемости достигается в полях порядка коэрцитивной силы (точнее при H=1,35Hc).
Эта особенность ферромагнетиков исключает возможность аналитического определения индукции В при изменении намагничивающего поля Н. Зависимость B=f(H), имеющая важное практическое значение при проектировании электрических и радиотехнических устройств, определяется для каждого материала опытным путем на специальных образцах в виде кривых намагничивания.
На рис. 27 изображена нулевая, или первоначальная, кривая намагничивания, которая снимается на предварительно размагниченном образце. Такое исходное состояние может быть, например, создано при отставании ферромагнитного материала от температуры Кюри в нулевом внешнем поле до некоторой температуры окружающей среды. При этом в точке с Н=0 магнитная индукция также равна нулю. С увеличением намагничивающего поля индукция начинает сначала медленно расти — это область слабых полей — до 800—900 А/м. В средних полях, начиная с 1000 А/м, наступает резкий рост индукции, этот участок кривой намагничивания характеризует процесс технического намагничивания. Затем снова имеет место замедленный рост индукции В, и в полях около 20 000—30 000 А/м рост индукции практически прекращается: наступает техническое насыщение, характеризуемое наибольшей величиной магнитной индукции.
Подобный вид имеют первоначальные кривые намагничивания большинства ферромагнитных материалов, отличаясь лишь большей или меньшей крутизной и величиной насыщения. Если после достижения насыщения начать уменьшение намагничивающего поля, индукция будет уменьшаться медленнее, чем по первоначальной кривой (рис. 28). Уменьшение намагничивающего поля до нуля не приведет к первоначальной нулевой индукции.
Это отставание индукции от намагничивающего поля называется магнитным гистерезисом и объясняется наличием необратимых изменений в ферромагнетиках при намагничивании.
При медленном циклическом изменении внешнего поля в таких пределах, когда индукция достигает насыщения, изменение индукции происходит по максимальной, или предельной, петле магнитного гистерезиса. Режим гистерезиса состоит из двух ветвей: нисходящей и восходящей. При уменьшении индукции по нисходящей ветви при поле Н=0 имеет место значение индукции меньшей, чем Bост, и называемой остаточной индукцией Вост (см. рис. 28).
Для того чтобы уменьшить индукцию до нуля, необходимо приложить поле обратного знака Нс, называемой коэрцитивной силой.
Материалы с очень малым значением Нс (до 80 А/м) называются магнитомягкими, а материалы с большой коэрцитивной силой — магнитотвердыми (Нс=2000:50 000 А/м).
Обычные конструкционные стали, в том числе и судостроительные, занимают промежуточное положение, обладая коэрцитивными силами Нс=250:1500 А/м.
