Причины наличия магнитных свойств в материалах

Магнитные свойства в магнитных материалах (материалы на основе железа, кобальта, никеля, марганца, алюминия, хрома, платины и т.п., их сплавов и различных химических соединений) объясняются сложным движением электронов, расположенных на электронных оболочках (орбиталях), вокруг ядра атома. Магнитный момент атома возникает потому, что он индуцируется благодаря замкнутому электрическому контуру, создаваемому электронными оболочками с электронами. Магнитный момент , А*м², является векторной величиной и направлен от южного полюса к северному:

,

где I – ток, который создается в замкнутом контуре, А,

S – площадь контура (витка), охватываемого током, м²,

- единичный вектор (нормаль) к плоскости витка с током.

Рисунок 43

Магнитный момент атомов определяется суммой магнитных моментов протонов и нейтронов, из которых состоит ядро, а также магнитных моментов электронов. Электрон обладает двумя магнитными моментами:

· орбитальным магнитным моментом, который появляется благодаря перемещению электронов по электронной оболочке вокруг ядра атома;

· спиновым магнитным моментом, который возникает в результате вращения электронов при перемещении вокруг собственной оси.

Магнитные моменты протонов и нейтронов существенно меньше магнитного момента электронов. Причем у большинства материалов, применяемых в электротехнике, магнитные свойства обусловлены большим нескомпенсированным спиновым магнитным моментом электронов.

Магнитные материалы обладают доменной структурой. Ферромагнитными доменами называются макроскопические области, в пределах которых благодаря квантово-механическому взаимодействию отдельных атомов векторы магнитных моментов направлены в одну сторону и параллельны. Благодаря этому в пределах каждого домена наблюдается самопроизвольная (спонтанная) намагниченность без действия внешнего магнитного поля на такой материал. Однако, в случае отсутствия внешнего магнитного поля из-за разной направленности результирующего вектора магнитного момента в пределах каждого домена получается, что суммарный магнитный момент такого материала в пространстве равен нулю (рис. 44).

Рисунок 44

Если на магнитный материал действует внешнее магнитное поле, это приводит к тому, что будет происходить смещение доменных границ. И при последующем усилении поля векторы магнитных моментов каждого домена сориентируются в направлении действия поля и будут параллельны этому полю.

Рисунок 45

Наиболее энергетически выходным считается такое расположение доменов, когда в пределах главных (больших) доменов векторы магнитных моментов параллельны и направлены в разные стороны, а в пределах малых доменов, имеющих клиновидную форму, векторы магнитных моментов сдвинуты на 90 по отношению к главным доменам. В результате такой материал вообще не обладает магнитным моментом в пространстве (рис. 46).

Рисунок 46

Экспериментально наличие доменной структуры можно подтвердить с помощью фигур Акулова-Биттера. На поверхность магнитного материала наносится тонкий слой масла, а затем на этот слой насыпаются порошкообразные ферромагнитные частички, которые взаимодействуют с магнитным материалом и образуют на его поверхности видимые глазу фигуры, соответствующие доменной структуре данного материала.