Намагничивание и перемагничивание

Процесс намагничивания внешним полем Н предварительно размагниченного многодоменного образца проходит в несколько стадий: обратимое смещение доменных границ (I); необратимое смещение ДГ (II); обратимое вращение вектора намагниченности (III); необратимое вращение вектора намагниченности (IV); парапроцесс (V).

На зависимости М(Н) (рис. 4) схематически показаны диапазоны полей, в которых преимущественно реализуется одна из стадий процесса намагничивания. Рассмотрим их подробнее.

Рисунок 4. Кривая начального намагничивания типичного поликристаллического ферромагнетика

Пусть в образце имеются только два домена со 180° ДГ между ними (рис. 5). Объемы доменов равны V₁ = V₂ = V, т.е. в отсутствие внешнего поля образец размагничен (М = 0).

Рисунок 5. Граница, разделяющая два домена

При наложении внешнего поля Н будет расти объем того домена, направление намагниченности в котором составляет с полем меньший угол, т.е. доменная граница передвинется вправо на δх. Условие устойчивости нового положения границы запишется как

δU_уст = δ(U + U_H) = 0, (10)

где U − энергия всех внутренних магнитных взаимодействий, U_H − энергия взаимодействий магнетика с внешним полем:

, (11)

М_S − намагниченность насыщения, θ – угол между векторами и , S − площадь ДГ.

Из (10) и (11) получим:

δU = − δU_Н = 2 M_S H (cos θ) S δx. (12)

Отсюда поле Н(х), при котором положение доменной границы в х является равновесным:

. (13)

Смещение ДГ на величину δх вызовет появление намагниченности у образца

. (14)

Из (13) и (14) получим для магнитной восприимчивости

. (15)

В области обратимых смещений ДГ действует квазиупругая сила, стремящаяся вернуть границу в первоначальное положение, и зависимость U(х) можно записать в виде

, (16)

где γ – константа. Тогда для начальной восприимчивости − магнитной восприимчивости в области обратимых смещений ДГ, получим

(17)

Выражение (17) справедливо для очень малых внешних полей Н или для идеального кристалла. В реальных кристаллах из-за наличия дефектов структуры, таких, как примесные атомы, пустые узлы (вакансии) кристаллической решетки, дислокации, трещины, включения другой фазы и т.п., зависимость U(х) будет иметь сложный характер. Это приведет
к необратимым смещениям ДГ.

Пусть в начальный момент при Н = 0 доменная граница находится в точке x₀ (рис.6). Пока поле невелико, смещение границы не превышает величину х₁, и после снятия поля граница возвращается в x₀. Но если смещение превысит х₁, она скачком переместится в точку х₃, а после уменьшения поля до нуля уже не вернется в точку x₀, a окажется «закрепленной» в точке х₂. Таким образом, в области необратимых смещений доменных границ намагничивание и перемагничивание осуществляется скачками (скачки Баркгаузена). Экспериментально установлено, что среднее значение объема, перемагничиваемого за один скачок, составляет приблизительно 10⁻⁹ см³. Магнитная восприимчивость на этом участке имеет максимальную величину (область II на рис. 4).

Рисунок 6. Иллюстрация обратимых смещений доменной стенки и скачков Баркгаузена

Когда все процессы смещения ДГ закончатся, образец будет представлять один домен, направление намагниченности которого совпадает с ближайшей к направлению внешнего поля осью лёгкого намагничивания. Дальнейшее намагничивание происходит путем вращения вектора намагниченности от оси лёгкого намагничивания к направлению поля. Процессы вращения вектора намагниченности также могут быть обратимыми и необратимыми. Проиллюстрируем это на простейшем примере кристалла с одноосной анизотропией (к таким кристаллам относятся, например, гексаферриты).

Пусть угол между направлением оси лёгкого намагничивания − оси и внешним полем равен α, а угол между и равен θ (рис. 7), К − константа анизотропии. Тогда полная энергия намагниченного образца будет равна

U = Kcos ² θ + M_S Hcos(α−θ). (18)

Равновесное значение угла θ = θ₀ находится из условий

. (19)

Рисунок 7. Отсчет углов относительно оси легкого намагничивания

Если α = 90°, то из (18) и (19) для равновесного угла получим

,

а для восприимчивости:

, (20)

где введено обозначение: Н_А = 2Kμ₀/M_S − т. н. поле анизотропии. Из (20) следует, что восприимчивость χ не зависит от внешнего поля при Н < Н_А. В полях Н > Н_А направление намагниченности совпадает с полем (θ = α = 90°), кристалл намагничен до насыщения и значит χ = 0 (рис. 8 а ).

При поле Н, направленном против оси лёгкого намагничивания (α = 180°) существуют два устойчивых решения для θ: θ = 0 и θ = 180°. В полях Н > Н_А намагниченность параллельна внешнему полю и антипараллельна полю анизотропии, а восприимчивость равна нулю. При уменьшении поля вектор скачком поворачивается в направлении поля анизотропии, т. е. будет реализовываться зависимость М(Н ) гистерезисного вида (рис. 8.5, б).

Рисунок 8. Кривые намагничивания, осуществляющегося путем вращения вектора намагниченности, для одноосного кристалла
при α = 90° (а) и α = 180° (б) [1]

В реальных кристаллах, анизотропия которых отличается от одноосной и существуют локальные неоднородности поля анизотропии, процессы перемагничивания вращением не удается описать столь просто и приходится прибегать к численным расчетам.

На стадии парапроцесса внешнее магнитное поле, так же как в парамагнетике, конкурирует с тепловым движением атомов, стремящимся нарушить коллинеарность их магнитных моментов. Восприимчивость на этом участке кривой намагниченности на несколько порядков меньше восприимчивости на других участках зависимости М(Н ).

Подводя итог вышесказанному, можно сформулировать несколько основных выводов:

− в отсутствие внешнего поля намагниченность ферро- и ферримагнетиков, как правило, не достигает своего предельного значения − намагниченности насыщения М_S . Это обусловлено разбиением намагниченного образца на области с разно ориентированной намагниченностью – домены;

− процесс технического намагничивания и перемагничивания осуществляется как посредством роста одних доменов за счет других, так и путем вращения вектора намагниченности;

− процессы смещения доменных границ и процессы вращения вектора намагниченности могут быть обратимыми и необратимыми. Следствием необратимости процессов является магнитный гистерезис.

Контрольные вопросы

1. Опишите процессы, происходящие в ферромагнитных материалах при их перемагничивании, в соответствии с кривыми намагничивания. Охарактеризуйте типы кривых намагничивания.

2. Назовите параметры петли гистерезиса и другие параметры, характеризующие магнитные свойства материалов?

3. Поясните различия между магнитомягкими и магнитотвердыми ферромагнитными материалами. Приведите примеры данных материалов.

4. Назовите виды потерь на перемагничивание в ферромагнитных материалах?

5. Приведите примеры областей применения ферромагнитных материалов с различными свойствами.

Описание установки