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