Общие сведения о магнитных свойствах материалов

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. Намагничивание вещества характеризуют: магнитная индукция В (Тл), напряженность магнитного поля Н (А/м), намагниченность J (А/м), магнитная восприимчивость k_m, магнитная проницаемость μ, магнитный поток Ф (Вб).

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля соотношением:

Магнитная индукция в веществе определяется суммой индукции внешнего и собственного магнитных полей:

где μ₀ = 4π·10⁷ – магнитная постоянная, Гн/м.

Объединив выражения, получим:

где μ_r = 1 + k_m или μ_r = В/(μ₀Н) – относительная магнитная проницаемость.

В соответствии с магнитными свойствами все материалы делятся на диамагнитные (диамагнетики), парамагнитные (парамагнетики), ферромагнитные (ферромагнетики), антиферромагнитные (антиферромагнетики), ферримагнитные (ферримагнетики).

Диамагнетики - вещества, которые намагничиваются противоположно приложенному полю и ослабляют его, т.е. имеют k_м< 0 (от 10^-4 до 10^-7). Диамагнетизм присущ всем веществам, но выражен слабо, к диамагнетикам относятся все инертные газы, переходные металлы (бериллий, цинк, свинец, серебро), полупроводники (германий, кремний), диэлектрики (полимеры, стекла), сверхпроводники.

Парамагнетики - вещества, которые имеют k_м> 0 (от 10^-2 до 10^-5) и слабо намагничиваются внешним магнитным полем. К парамагнетикам относятся металлы, атомы которых имеют нечетное число валентных электронов (калий, натрий, алюминий), переходные металлы (молибден, вольфрам, титан, платина) с недостроенными электронными оболочками атомов.

Ферромагнетики - вещества между атомами которых возникает обменное взаимодействие. В результате такого взаимодействия энергетически выгодным в зависимости от расстояния становится параллельная ориентация магнитных моментов соседних атомов (ферромагнетизм) или антипараллельная (антиферромагнетизм). Пол действием обменных сил параллельная ориентация магнитных моментов атомов ферромагнитного вещества происходит в определенных областях, называемых доменами. В пределах домена материал в отсутствии внешнего поля намагничен до насыщения благодаря обменному взаимодействию отдельных атомов. Это взаимодействие длится только до определенной температуры, которая называется температурой точки Кюри. Выше этой температуры домены разрушаются, и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Ферромагнитные материалы легко намагничиваются в слабых магнитных полях,характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (до 10⁶), а также ее нелинейной зависимостью от напряженности поля и температуры. Железо, никель, кобальт и редкоземельный металл гадолиний относятся к ферромагнитным металлам.

Антиферромагнетиками называют материалы, в которых во время обменного взаимодействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация их магнитных моментов. Так как магнитные моменты соседних атомов взаимно компенсируются, антиферромагнетики не обладают магнитным моментом, а характеризуются магнитной восприимчивостью, которая близка к восприимчивости парамагнетоков. При температуре выше некоторой критической, которая получила название температуры Нееля (аналогична температуре Кюри), магнитоупорядоченное состояние антиферромагнетика разрушается, и он переходит в парамагнитное состояние.

К ферримагнетикам относят вещества, в которых обменное взаимодействие осуществляется не непосредственно между магнитоактивными атомами, как в случае ферромагнетизма, а через немагнитный ион кислорода. Такое взаимодействие называют косвенным обменным или сверхобменным. Это взаимодействие в большинстве случаев приводит к антипараллельной ориентации магнитных моментов соседних ионов (т.е. к антиферромагнитному упорядочению). Однако магнитные моменты ионов не полностью компенсируются, и ферримагнитные вещества обладают магнитным моментом и имеют доменную структуру. Ферримагнетики наряду с ферромагнетиками относятся к сильномагнитным материалам.

4.2. Процессы технического намагничивания и перемагничивания ферромагнитных материалов

В ферромагнитных материалах реализуется такая доменная структура, для которой полная свободная энергия системы является минимальной. Полная свободная энергия состоит из следующих основных видов энергий: магнитостатической, магнитной анизотропии, магнитострикции, обменной. Минимум магнитостатической энергии, связанной с полями рассеивания или с возникновением полюсов на концах магнита, имеет место в том случае, когда магнитный поток замкнут внутри материала. Однодоменное состояние является невыгодным, так как приводит к возникновению магнитных полюсов, которые создают внешнее поле (поле рассеивания) Магнитостатическая энергия уменьшается, если тело состоит из нескольких доменов, и становится равной нулю при образовании замыкающих доменов (рис.18: 1 – замыкающие домены; 2 – основные домены), магнитный поток замкнут внутри тела, за его пределами магнитное поле равно нулю.

Рис.18

Деление образца на домены ограничивается энергией, затрачиваемой на образование границ между доменами. Линейный размер доменов от 10^-2 до 10^-5 см. Толщина доменной границы составляет несколько сотен нанометров.

При действии внешнего магнитного поля происходит рост объема доменов, которые имеют направление намагниченности, совпадающее или близкое к направлению напряженности поля. Зависимость магнитной индукции ферромагнитного вещества от напряженности внешнего магнитного поля называют основной кривой намагничивания (рис.19).

Рис.19

Основную кривую намагничивания можно разделить на несколько учатков, которые характеризуются определенными процессами намагничивания для ферромагнетиков. В области слабых полей (область I) магнитные восприимчивость и проницаемость не изменяются. Изменение магнитной индукции в этой области происходит в основном из-за обратимых процессов, которые обусловлены смещением границ доменов.

Кривая намагничивания в области II характеризуется тем, что происходит неупругое смещение границ доменов, т.е. процесс не является обратимым. В области приближения к насыщению (область III) изменение индукции объясняется в основном процессом вращения, когда направление вектора намагниченности самопроизвольных областей приближается к направлению внешнего поля. Полная ориентация намагниченности по полю соответствует техническому насыщению (конец области III). Последний участок кривой (областьIV) соответствует слабому росту индукции с увеличением напряженности поля. В этом случае увеличение индукции происходит благодаря росту намагниченности домена, т.е. ориентации спиновых моментов отдельных электронов, направление которых не совпадает с направлением внешнего поля вследствие дезориентирующего влияния теплового движения.

Используя основную кривую намагничивания можно определить различные виды магнитной проницаемости (рис.20).

Рис.20

Различают абсолютную магнитную проницаемость μ_а = В/Н, относительную

μ = В/μ₀Н, начальную μ_rн, максимальную μ_max магнитную пронициемость. Начальная и максимальная магнитные проницаемости определяются как тангенсы угла наклона касательной к основной кривой намагничивания на участках I и III.

Зависимость магнитной проницаемости от напряженности поля представлена на рис.21.

Рис.21

Начальная магнитная проницаемость материала возрастает с увеличением температуры и при температуре Кюри имеет максимум.

Магнитным гистерезисом называется явление отставания изменения магнитной индукции от напряженности магнитного поля (рис.22).

Рис.22

При уменьшении Н до нуля в образце имеется остаточная индукция B_r. Если направление поля изменить на противоположное и начать его увеличивать, то можно уменьшить индукцию до нуля. В этом случае Н_с называется коэрцитивной (задерживающей) силой. По значению коэрцитивной силы материалы делятся на магнитомягкие (с малым значением коэрцитивной силы и большой магнитной проницаемостью) и магнитотвердые (с большой коэрцитивной силой и относительно небольшой магнитной проницаемостью). Значение индукции насыщения принято определять в поле Н_s равным 5Н_с. Кривая изменения индукции при изменении напряженности магнитного поля от +Н_s до –H_s и обратно называется предельной петлей гистерезиса, по ней определяют коэрцитивную силу Н_с, индукцию насыщения В_s, остаточную индукцию B_r.

Намагниченность монокристалла ферромагнетика анизотропна. Кристалл железа в направлении (100) ребра куба намагничивается до насыщения при значительно меньшей напряженности магнитного поля по сравнению с направлением (111) диагонали куба. Удельная энергия, которую необходимо затратить на перемагничивание из направления легкого намагничивания в направление трудного намагничивания называется константой кристаллографической магнитной анизотропии - К.

В поликристаллических материалах эффекты анизотропии усредняются. Однако прокаткой можно создать кристаллографическую анизотропию, которая облегчит намагничивание.

Намагничивание в полях напряженностью меньше Н_S называют техническим намагничиванием, а в полях с большей напряженностью - истинным намагничиванием, или парапроцессом.

На процесс намагничивания кроме магнитной анизотропии существенно влияют и магнитострикционные явления, которые могут как облегчать, так и тормозить намагничивание.

Магнитострикция - изменение размеров ферромагнетика при его намагничивании. В области технического намагничивания (Н < Н_S) магнитострикция носит линейный характер, в области парапроцесса (Н > Н_S) - объемный.

Во всех ферромагнитных материалах, кроме сплавов инварного типа, намагниченность в области парапроцесса с ростом поля практически не меняется. В сплавах инварного типа намагниченность в этой области увеличивается (в результате дополнительной ориентации спиновых моментов электронов), и вызывает большие магнитострикционные явления.

При техническом намагничивании ( Н < Н_S ) размер домена l в направлении магнитного поля изменяется на величину l = ± Dl / l, называемую коэффициентом линейной магнитострикции. Величина и знак этого коэффициента зависят от природы ферромагнетика, кристаллографического направления и степени намагниченности.

При намагничивании в полях Н > Н_S увеличивается и объем кристалла. Относительное изменение объема называют коэффициентом объемной магнитострикции парапроцесса l_S. Он обычно мал, но у некоторых сплавов, называемых инварами, достигает значительных величин (сплавы железо - никель). Явление магнитострикции используется при конструировании ультразвуковых генераторов волн и других магнитострикционных приборов.

Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с тепловыми потерями части энергии магнитного поля, что внешне проявляется в нагревании материала. Потери в магнитном поле характеризуются удельными магнитными потерями Р_уд или тангенсом угла магнитных потерь tgδ_m.

По механизму возникновения различают потери на гистерезис и динамические. Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением границ доменов. Они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного поля. Мощность потерь, расходуемая на гистерезис:

,

где η – коэффициент, зависящий от свойств материала; В_max – максимальная индукция в течение цикла, Тл; n =1,6…2,0 – показатель степени, значение которого зависит от В; f – частота; v – объем образца, см³.

Динамические потери, которые учитывают в слабых магнитных полях, обусловлены вихревыми токами, а также отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Потери на вихревые токи вызываются электрическими токами, которые индуцируются в магнитном материале внешним магнитным полем, и сильно зависят от электрического сопротивления материала (с увеличением сопротивления потери уменьшаются). Мощность потерь на вихревые токи:

где ξ – коэффициент, зависящий от типа магнитного материала и его формы.

При разработке магнитных материалов с заданными свойствами следует учитывать, что магнитные характеристики М_S, Н_S , l_S, К и температура Кюри зависят только от химического состава ферромагнетика, а характеристики m, Н_С, В_r, Н_S зависят также и от вида термической обработки, так как являются структурно чувствительными.

Легко намагничиваются (малое значение Н_S) химически чистые ферромагнитные материалы и однофазные сплавы на их основе. Количество дефектов должно быть минимальным (например границы кристаллов), что обеспечивается крупнокристаллической структурой. Если размер кристалла ферромагнетика приближается к размерам доменов, то петля гистерезиса принимает прямоугольную форму. Нежелательны остаточные напряжения, применяется термическая обработка - отжиг.