Классификация материалов по магнитным свойствам
Все материалы, находясь в магнитном поле, обладают определенными магнитными свойствами, которые обусловлены внутренними формами движения электрических зарядов.
По характеру взаимодействия с внешним магнитным полем все электроматериалы подразделяются на немагнитные и магнитные.
Немагнитные материалы не взаимодействуют с магнитным полем, т.е. не приобретают магнитных свойств при воздействии на них магнитного поля.
Магнитные материалы обладают способностью намагничиваться. В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра с определенным орбитальным моментом. Одновременно электроны вращаются вокруг своих осей со спиновыми магнитными моментами. Орбитальные и спиновые магнитные моменты, суммируясь, образуют магнитный момент атома. Магнитные свойства атома определяются в основном магнитными свойствами электрона, так как магнитный момент электронной оболочки атома приблизительно в 1000 раз больше магнитного момента атомного ядра.
Так как электроны с правым и левым вращениями имеют различное направление магнитных моментов, то суммарный магнитный момент атома может быть равен нулю или отличен от него.
Материалы с разной электронной структурой атомов обладают разными магнитными свойствами.
По силе взаимодействия с магнитным полем все материалы подразделяют на слабомагнитные (диамагнетики, парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики).
Сила взаимодействия вещества с магнитным полем оценивается безразмерной величиной - магнитной восприимчивостью
(3)
где М - намагниченность вещества под действием магнитного поля, А/м; Н-напряженность магнитного поля, А/м.
Слабомагнитные материалы незначительно меняют свою намагниченность под действием внешнего намагничивающего поля и характеризуются магнитной восприимчивостью
К слабомагнитным материалам относятся диамагнетики и парамагнетики.
Диамагнетики представляют собой материалы, состоящие из атомов, у которых оболочки полностью заполнены электронами. Результирующий магнитный момент атома равен нулю.
Магнитная восприимчивость диамагнетиков в большинстве случаев не зависит от температуры и напряженности намагничивающего поля.
К диамагнетикам относят большинство органических соединений и ряд металлов: медь, серебро, золото, свинец и др.
Парамагнетики характеризуются тем, что магнитные моменты отдельных атомов парамагнетиков ориентированы хаотично и в объеме твердого тела скомпенсированы. При помещении этих материалов в магнитное поле происходит ориентация незначительного числа магнитных моментов атомов и усиление внешнего поля внутри парамагнетика. После снятия внешнего магнитного поля парамагнетики сохраняют небольшую намагниченность.
Магнитная восприимчивость
К парамагнетикам относят алюминий, платину и др. Сильномагнитные материалы обладают способностью к значительному изменению намагниченности под действием внешнего поля и характеризуются магнитной восприимчивостью
К сильномагнитным материалам относятся ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.
Ферромагнетики характеризуются следующими свойствами:
способностью сильно намагничиваться даже в слабых магнитных полях с
способностью переходить из ферромагнитного в парамагнитное состояние при температуре, превышающей температуру Кюри ТК, т.е. способность терять магнитную восприимчивость на 3...4 порядка. ТК – температура, при которой относительная диэлектрическая проницаемость En максимальна.
Магнитная восприимчивость Км имеет сложную нелинейную зависимость от температуры и напряженности поля.
Ферромагнетики относятся к переходным элементам, у которых нарушен нормальный порядок заполнения электронных оболочек.
Суммарный магнитный момент атома отличен от нуля, образуются домены, т.е. области, самопроизвольно намагниченные до насыщения в отсутствие внешнего магнитного поля. В зависимости от кристаллической структуры вещества домены имеют различную форму. Линейные размеры домена составляют от тысячных до десятых долей миллиметра.
Отдельные домены отделены друг от друга пограничным слоем толщиной м. В зависимости от электронного взаимодействия некомпенсированные спины соседних атомов устанавливаются параллельно или антипараллельно. Материалы, у которых нескомпенсированные спины соседних атомов устанавливаются параллельно, являются ферромагнетиками.
Процесс намагничивания ферромагнетика начинается с роста наиболее благоприятно ориентированных доменов. Такими являются домены, у которых направления магнитных моментов близки к направлению напряженности намагничивающего поля. Число этих доменов увеличивается из-за смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. После окончания роста доменов в объеме кристалла намагничивание материала продолжается из-за поворота магнитных моментов доменов. При совпадении направления векторов магнитных моментов доменов с направлением напряженности магнитного поля наступает магнитное насыщение (рис. 2.2). При дальнейшем повышении напряженности внешнего электромагнитного поля намагниченность материала увеличивается незначительно. При снятии внешнего поля векторы доменов поворачиваются в обратном направлении и материал размагничивается, но не полностью.
При намагничивании ферромагнетиков наблюдаются явления анизотропии и магнитострикции.
Суть магнитной анизотропии состоит в том, что намагничиваемость кристалла по разным его направлениям неодинакова. В решетке кристалла ферромагнетика существуют направления легкого и трудного намагничивания. Железо и его сплавы кристаллизуются в кубическую структуру. Осями легкого намагничивания у них являются ребра куба, а самого трудного – пространственные диагонали.
Рис. 2.2. Схемы ориентирования вектора намагниченности в доменах ферромагнетика:
а - при отсутствии внешнего поля; б- в слабом поле с напряженноcтью Н1 в - в сильном поле с напряженностью Н2, г - при насыщении (Н3 = НS )
Намагничивание и размагничивание ферромагнетика сопровождается изменением линейных размеров и формы кристалла. Это явление называется магнитострикцией. Оно характерно для всех магнитных материалов.
Магнитострикция материала оценивается константой магнитострикции (магнитострикционная деформация насыщения)
(4)
где - относительное изменение линейных размеров образца, м; l0 - первоначальная длина образца, м.
Константа магнитострикции Vs может принимать положительное и отрицательное значения. Ее значение и знак зависят от свойств материала и напряженности намагничивающего поля.
К ферромагнетикам относят железо, никель, кобальт и их сплавы, гадолиний, сплавы хрома и марганца и др.
Антиферромагнетики представляют собой материалы, у которых магнитные моменты соседних атомов равны, но их спины располагаются антипараллельно.
Магнитная восприимчивость и отличается специфической зависимостью от температуры.
Ферримагнетики во многом подобны ферромагнетикам, но обладают следующими особенностями:
значительно уступают ферромагнетикам по значению намагниченности насыщения (предельной намагниченности) Мs,
в ряде случаев имеют аномальную зависимость намагниченности насыщения Мs от температуры с наличием точки компенсации.
Контрольные вопросы.
1. Какие материалы называются конструкционными, а какие электротехническими?
2. Как энергетический уровень электрона зависит от расстояния от ядра?
3. Как можно повысить энергетический уровень электрона?
4. Что такое подуровни энергетической зоны?
5. Какие энергетические зоны есть у атомов кристаллической решетки?
6. Какие вещества принадлежат к проводникам, диэлектрикам и полупроводникам в соответствии с зонной теорией проводности?
7. Каким удельным электрическим сопротивлением р обладают проводники, диэлектрики и полупроводники?
8. Чем парамагнетики отличаются от диамагнетиков?
9. Что такое магнитная восприимчивость?
10. Назовите сильномагнитные материалы и величину магнитной восприимчивости?
11. Что такое анизотропия и магнитострикция магнитных материалов?
12. Какие линейные размеры имеют домены?
13. Как происходит процесс намагничивания ферромагнетика?
Глава 3
Дата добавления: 2015-06-17; просмотров: 3088;