§ 40. Гистерезис

(Слово "гистерезис" означает отставание, запаздывание.)

Рассмотрим процесс переменного намагничивания ферромагнитного материала. Для этой цели намотаем на стальной сердечник обмотку и будем по ней пропускать постоянный ток. Предположим, что сердечник электромагнита ранее не был намагничен. Увеличивая проходящий по виткам обмотки ток I от нуля, мы тем самым будем увеличивать намагничивающую силу и напряженность поля H. Величина магнитной индукции В в сердечнике будет также увеличиваться. Кривая намагничивания Оа на рис. 83 имеет прямолинейную часть, а затем вследствие насыщения кривая поднимается медленно, приближаясь к горизонтали. Если теперь, достигнув точки а, начнем уменьшать H, то будет уменьшаться и В. Однако уменьшение В при уменьшении H, т. е. при размагничивании, будет происходить с запаздыванием по отношению к уменьшению H. Величина остаточной индукции при H = 0 характеризуется отрезком Об.

Рис. 83. Петля гистерезиса

Магнитная индукция, которая остается в ферромагнитном теле при напряженности поля, равной нулю, называется остаточной индукцией, или остаточным магнетизмом.

Небольшим остаточным магнетизмом обладают чистое железо, мягкая сталь, сплавы железа с кремнием (электротехническая сталь), сплавы стали с никелем (пермаллой). Эти металлы и сплавы легко намагничиваются и так же легко размагничиваются. Они нашли себе применение при изготовлении сердечников электромагнитов, трансформаторов, полюсных наконечников, якорей генераторов и т. п.

Наибольшим остаточным магнетизмом обладают специальные сорта твердых сталей: вольфрамовой, хромистой, кобальтовой, никельалюминиевой. Эти стали применяются для изготовления постоянных магнитов.

Для того чтобы магнитная индукция в сердечнике стала равной нулю, необходимо намагничивать материал в обратном направлении, т. е. перемагничивать его. Для этой цели направление тока в обмотке меняется на обратное. Направление магнитных линий и напряженности поля также изменяется. При напряженности поля H = Ов индукция в сердечнике равна нулю, и материал сердечника полностью размагничен. Значение напряженности поля H = Ов при B = 0 является определенной характеристикой материала и называется задерживающей (коэрцитивной) силой.

Повторяя процесс перемагничивания, мы получаем замкнутую кривую абвгдеа, называемую петлей гистерезиса (см. рис. 83). На этом опыте легко убедиться, что намагничивание и размагничивание сердечника (появление и исчезновение магнитной индукции и магнитного потока) отстают от момента появления и исчезновения тока в обмотке электромагнита. Явление гистерезиса, можно иными словами охарактеризовать как отставание изменений магнитной индукции от изменений намагничивающей силы. Перемагничивание материала связано с затратой некоторого количества энергии, которая выделяется в виде тепла, нагревающего материал.

Гистерезис особенно сильно сказывается, если материал сердечника обладает большим остаточным магнетизмом (например, твердая сталь). Явление гистерезиса в большинстве случаев вредно. Оно сопровождается нагревом сердечника, лишней затратой мощности источника напряжения, а также гудением сердечника вследствие перемены полярности и поворотов элементарных частиц материала сердечника.

Первое серьезное исследование процессов намагничивания стали было проведено Александром Григорьевичем Столетовым (1839-1896) в 1872 г.