МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ФЕРРОМАГНЕТИКОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Все вещества являются магнетиками, поскольку обладают магнитными свойствами, то есть способностью намагничиваться во внешнем магнитном поле и приобретать собственный магнитный момент. По величине и направлению магнитного момента, причинам, его породившим, все вещества принято делить на три группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. У диа- и парамагнетиков магнитные свойства слабо выражены, таких веществ подавляющее большинство. Диамагнетики, например, как вода, медь, цинк, ртуть, кремний, германий и другие собственного магнитного момента не имеют, он возникает у них только под действием внешнего магнитного поля и направлен против него, вследствие этого результирующее магнитное поле в диамагнетике меньше, чем внешнее поле, но на очень малую величину. В парамагнетике, например, алюминии, платине, кислороде, оксиде азота, хлорном железе и других наоборот результирующее магнитное поле незначительно превышает внешнее поле.

Особый класс магнетиков образуют твердые кристаллические вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий - магнитного поля, деформации, изменения температуры. Типичными ферромагнетиками являются переходные металлы - это железо, кобальт, никель, а также их сплавы с неферромагнитными материалами (марганца, серебра, алюминия и др.). Магнитные свойства ферромагнетиков сохраняются до тех пор, пока их температура не достигнет предельного значения, называемого точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри ферромагнетик ведет себя во внешнем магнитном поле как парамагнитное вещество. Точка Кюри у различных ферромагнетиков различна: для железа , кобальта , никеля .

Природу ферромагнетизма можно объяснить следующим образом. Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами атомов. В атомах магнитные свойства протонов и нейтронов почти в тысячу раз слабее магнитных свойств электронов, поэтому магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами электронов. Электрон в атоме обладает собственным моментом количества движения, то есть спином (spin - в переводе с англ. означает верчение). Спин электрона согласно положениям квантовой механики не связан с перемещением частицы как целого, вследствие чего электрон ведет себя как стрелка компаса, которая вращается вокруг своей оси. Так как электрон может вращаться в разных направлениях - по часовой стрелке и против нее, то он может пребывать в двух различных энергетических спиновых состояниях и вызвать ряд дополнительных взаимодействий, играющих исключительно важную роль в магнитных свойствах атома. Спиновые поля электронов внутри атомов, определяют широкий спектр магнитных свойств веществ, однако не являются достаточным условием возникновения ферромагнетизма. Сущность этого явления заключается в том, что ферромагнетиком может быть только кристаллическое вещество, в атомах которого имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с некомпенсированными спинами. В подобных кристаллах обменные силы, имеющие также квантовую природу, вынуждают спиновые магнитные моменты электронов сохранять одинаковую ориентацию, что приводит к возникновению областей спонтанного намагничивания, называемых доменами. Домен в теории магнетизма - это малая намагниченная область материала, в которой моменты атомов параллельны друг другу. Отдельный домен может иметь линейные размеры, изменяющиеся в диапазоне . Толщина доменной границы составляет несколько сотен нанометров. Прямым экспериментальным методом существования доменов является метод порошковых фигур. Согласно методу на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (обычно ). Частицы порошка преимущественно оседают в местах максимальной неоднородности магнитного поля, что имеет место на границах доменов. Поэтому осевший порошок очерчивает границы доменов, наблюдаемые только под микроскопом. При наложении внешнего магнитного поля домены ферромагнетика либо растут преимущественно в направлении внешнего магнитного поля, либо ориентируются в этом направлении, при этом оба этих эффекта приводят к появлению очень сильного внутреннего поля. Магнитные свойства ферромагнетиков характеризуются зависимостями магнитной индукции от напряженности поля , их принято называть кривые намагничивания. Кривая первоначального намагничивания ферромагнетика имеет сложный вид (рис. 1). Эту кривую можно разбить на четыре участка: участок соответствует области слабых магнитных полей, изменение магнитной индукции в этой области происходит в основном из-за обратимых процессов, которые обусловлены смещением доменов; участок характеризуется тем, что происходит неупругое смещение границ доменов, то есть процесс не является обратимым; участок называется коленом кривой намагничивания и характеризуется приближением к насыщению, изменение индукции на этом участке в основном объясняется процессом вращения, когда направление магнитного момента доменов приближается к направлению внешнего магнитного поля; участок за точкой соответствует полной ориентации магнитных моментов доменов по полю и соответствует техническому насыщению, когда магнитная индукция приближается к значению индукции насыщения . При значениях петля гистерезиса остается неизменной за исключением продолжающихся расти узких «носиков» (точки и ). Если бы было возможно во много раз увеличить участок кривой намагничивания, например участок 4, показанный на рис. 1, то стало бы заметным, что кривая намагничивания состоит из отдельных ступеней, каждая из которых соответствует мгновенному изменению ориентации магнитных моментов доменов. После каждого такого скачка состояние намагниченности ферромагнетика при усилении поля не меняется до тех пор, пока напряженность поля не будет выше определенного более высокого значения. Эти скачки можно уловить по серии щелчков в наушниках телефона, подключенных к усилителю низких частот, который в свою очередь подсоединен к катушке, навитой на сердечник из ферромагнетика. Путем количественного исследования установлено, что каждый щелчок соответствует опрокидыванию магнитной поляризации в доменной области. Ступенчатый характер кривой имеет экспериментальное подтверждение и получил название эффект Баркгаузена.

При циклическом перемагничивании кривая намагничивания образует петлю гистерезиса (рис. 1). Направление процесса намагничивания ферромагнетика на рисунке показано стрелками, расположенными на петле. Форма петли для конкретного ферромагнетика зависит от максимального значения напряженности магнитного поля . Для слабых полей она имеет вид эллипсов, с увеличением магнитного поля у них начинают вытягиваться «носики» соответственно в точках и . Различают следующие типы зависимостей :

· основная кривая намагничивания (кривая 1) представляет собой геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса, получающихся при циклическом перемагничивании, она может быть получена также при монотонном увеличении напряженности поля в предварительно размагниченном образце;

· предельная петля гистерезиса (кривая 2) - петля, полученная при циклическом изменении напряженности, если ;

· частная петля гистерезиса (семейство кривых 3) - это петли, полученные при циклическом изменении напряженности магнитного поля, если .

При циклическом намагничивании магнитные свойства ферромагнетика определяются семейством петель гистерезиса, соответствующих предельному циклу и нескольким частным циклам намагничивания. В справочниках по магнитным материалам обычно приводятся симметричные предельные петли гистерезиса. Основными характеристиками петли гистерезиса являются: остаточная индукция , коэрцитивная сила и площадь петли, характеризующая потери на гистерезис за один цикл перемагничивания. Остаточной индукцией называют индукцию, которая остается в предварительно намагниченном образце ферромагнетика после снятия внешнего магнитного поля. Коэрцитивная сила характеризует напряженность размагничивающего магнитного поля, которое должно быть приложено к предварительно намагниченному образцу, для того чтобы индукция в нем стала равной нулю.

Рис. 1. Кривые намагничивания при циклическом перемагничивании ферромагнетика: 1- основная кривая намагничивания; 2, 3 – петли предельного (2) и частных (3) циклов намагничивания; 4 - эффект Баркгаузена

Кривые намагничивания указывают на существование трех типов процессов намагничивания:

· процесс обратимого смещения магнитных доменов соответствует начальному участку кривой намагничивания и характерен для слабых внешних магнитных полей, поскольку при снятии поля домены смещаются в обратном направлении;

· процесс необратимого смещения магнитных доменов при снижении внешнего магнитного поля сопровождается мгновенным изменением ориентации магнитных моментов доменов, что приводит к появлению магнитного гистерезиса - отставанию магнитной индукции от напряженности магнитного поля;

· процессы вращения доменов сопровождаются медленной ориентацией магнитных моментов доменов, при этом происходит завершение процессов смещения границ доменов и все домены поворачиваются по направлению внешнего магнитного поля.

Процессы циклического намагничивания в ферромагнетике сопровождаются выделением тепловых потерь на гистерезис. Энергия потерь на гистерезис, отнесенная к единице объема вещества за один цикл перемагничивания, определяется площадью петли гистерезиса

. (1)

При перемагничивании материала с частотой удельные потери на гистерезис

, (2)

где - плотность ферромагнетика.

Ферромагнетики принято делить на две основные группы: магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитотвердые материалы характеризуются большими значениями коэрцитивной силы (десятки и сотни ), остаточной индукции , максимальной магнитной энергии на участке размагничивания («спинка» петли гистерезиса) и используются на практике для изготовления постоянных магнитов в различных электрических машинах и приборах. Природа высоких значений коэрцитивной силы в магнитотвердых материалах определяется необратимым вращением магнитных моментов доменов, задержкой образования и роста доменов, закреплением доменных стенок на различных неоднородностях и структурных несовершенствах кристаллов. К магнитотвердым материалам относятся сплавы железа с алюминием, никелем и кобальтом - сплавы алнико, магнитотвердые ферриты; викаллой - сплав железа с ванадием, соединения на основе редкоземельных металлов, такие как фенибор и самарий-кобальт .

Магнитомягкие материалы, наоборот, характеризуются малыми значениями коэрцитивной силы порядка и имеют меньшее количество дефектов в сплавах, мешающих свободному движению доменных стенок, они быстро намагничиваются и быстро теряют магнитные свойства при снятии внешнего магнитного поля. Их применяют для изготовления магнитопроводов трансформаторов, электрических машин, электромагнитов и других электротехнических устройств. К магнитомягким материалам относятся электротехнические стали (сплавы ); пермаллои (сплавы ), а также аморфные нанокристаллические сплавы на основе железа.

Структура аморфных сплавов отличается отсутствием периодичности в ориентации атомарных структур. Ориентация отсутствует как в расплавленном, так и в твердом состоянии. Для придания аморфным сплавам необходимых свойств их кристаллизация происходит при сверхбыстром охлаждении, для чего исходный сплав из железа, кремния и бора, выплавляемый при температуре с добавлением меди и ниобия, проходит через дозирующее сопло (дюзу) и распыляется на быстро вращающийся барабан. При попадании на поверхность барабана расплав охлаждается со скоростью около и остается на нем в виде аморфной ленты толщиной от до мкм. Лента навивается в кольцевые сердечники, технология навивки позволяет получать сердечники с диаметром от нескольких миллиметров до . Придание материалам специфических свойств (например, петля гистерезиса определенной формы) достигается термообработкой сердечника. Сердечники из аморфных сплавов позволяют создавать устройства, которые по совокупности характеристик превосходят устройства, изготовленные из электротехнической стали. Важными достоинствами сердечников из аморфных материалов является высокое значение температуры точки Кюри, то есть .

К традиционным методам контроля и измерения характеристик магнитных материалов относятся:

· баллистический метод, основанный на измерении количества электричества, протекающего через витки обмотки, охватывающей образец ферромагнетика, при резком изменении магнитного потока;

· метод импульсного считывания, основанный на том, что в испытываемом образце ферромагнетика создаётся поочерёдно поток от напряжённости поля постоянного тока и поток «считывания» от импульсного тока, направленный навстречу;

· осциллографический метод, основанный на аналоговом интегрировании выходного напряжения на выводах вторичной обмотки и измерении напряжения, пропорциональному синусоидальному току, проходящему по виткам первичной обмотки.

Указанные методы позволяют определить форму петли гистерезиса, основную кривую намагничивания опытного образца, индукцию насыщения, коэрцитивную силу, магнитную проницаемость, время и частоту перемагничивания опытного образца. Несмотря на различие методов, для них характерен общий недостаток - невысокая точность измерений.

Идея осциллографического метода основана на непосредственном визуальном наблюдении петли гистерезиса. На образце ферромагнетика (рис. 2) располагают намагничивающую обмотку с витками и измерительную обмотку с витками . На вертикальные пластины электронного осциллографа подают напряжение, пропорциональное намагничивающему току, например с резистора , включенного в цепь последовательно.

Рис. 2. Схема установки для исследования петли гистерезиса осциллографическим методом

Напряжениена измерительном сопротивлении , пропорциональное напряженности поля , подается на горизонтальные пластины осциллографа

, (3)

где - средняя длина силовой линии в сердечнике.

Текущее интегральное значение напряжения на зажимах вторичной обмотки, пропорциональное индукции магнитного поля , подается на вертикальные пластины осциллографа. При соблюдении условий напряжение на вертикальных пластинах

. (4)

где - площадь сечения сердечника.

Текущие значения напряжений на каналах осциллографа будут

, , (5)

где , - коэффициенты пропорциональности.

В результате сложения отклонений по горизонтали и вертикали электронный луч описывает кривую, изображающую в масштабах динамическую петлю гистерезиса. Осциллографический метод обладает исключительной наглядностью и может быть использован в широком частотном диапазоне. Существенным недостатком метода является его низкая точность.

Внедрение новых информационных технологий в измерительной технике позволяет качественно изменить состояние вопроса об экспериментальных методах исследования магнитных характеристик материалов. Речь идет о разработке цифрового метода измерения предельного и частного циклов намагничивания опытных образцов магнитных материалов в области низких частот с компьютерной регистрацией, основанного на создании аппаратно-программного измерительного комплекса (АПИК).

Рис. 8. Окно базы сердечников (а), эскизы и внешний вид опытных образцов с двумя обмотками, а именно: кольцеобразный сердечник из аморфного железа (б); - образным сердечник из электротехнической стали (в)

Контрольные вопросы

1. Какие вещества называются магнитными? Что такое магнитный момент и намагниченность вещества?

2. Дать понятие напряженности и индукции магнитного поля, как физических величин.

3. Пояснить природу магнетизма ферромагнетиков. Что такое домены?

4. Назовите основные механизмы намагничивания ферромагнетика, приводящие к нелинейной зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля.

5. Чем магнитные свойства ферромагнетиков отличаются от диа- и парамагнетиков? Приведите примеры ферромагнетиков.

6. Что такое магнитомягкие и магнитотвердые материалы?

7. Что такое магнитная восприимчивость вещества, какова ее связь с магнитной проницаемостью?

8. Что такое петля гистерезиса и от чего зависит вид петли гистерезиса?

9. Как ведут себя ферромагнетики при нагревании?

10. Объяснить сущность осциллографического метода измерения магнитных характеристик материалов.

11. В чем заключаются преимущества цифрового метода измерения магнитных характеристик материалов по сравнению с осциллографическим?

12. Пояснить назначение составляющих элементов АПИК и порядок действий для исследования петли гистерезиса на