[9] Магнитные Материалы (Материалы с сайта Арсеньева)

9. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

9.1. Магнитные свойства и классификация магнитных материалов

Первопричиной магнитных свойств вещества являются внутренние скры­тые формы движения электрических зарядов, представляющие собой эле­ментарные круговые токи, обладаю­щие магнитными моментами. Такими токами являются электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах. Макроскопическое проявле­ние магнитных свойств материала ока­зывается заметным при согласованной ориентации элементарных магнитных моментов, которая наблюдается у магнетиков.

Особенности ферромагнетиков

Магнитные домены. Явление фер­ромагнетизма связано с самопроиз­вольным образованием под влиянием внутренних полей в структуре, харак­терной для некоторых веществ при температурах ниже магнитной точки Кюри, макроскопических областей, называемых магнитными доменами, в которых электронные спины ориен­тированы взаимно параллельно. Таким образом, основным свойством ферромагнитного состояния вещества является самопроизвольная (спонтанная) намагничен­ность без приложения внешнего магнитного поля. При неупорядо­ченном расположении доменов в куске материала направления век­торов магнитных моментов их различны и равновероятны, а потому магнитный поток такого тела во внешнем пространстве равен нулю.

Размер доменов для некоторых материалов, т. е. их объем, со­ставляет порядка 10^-8—10^-12 м³ при толщине пограничных слоев между ними в несколько десятков, сотен ангстрем. У особо чистых материалов объем доменов может быть и больше.

Существование доменов удалось установить экспериментально. При очень медленном перемагничивании ферромагнитного образ­ца в телефоне, соединенном через усилитель с катушкой, охваты­вающей образец, можно различать отдельные щелчки, которые обусловлены скачкообразными изменениями индукции.

При осаждении на полированную поверхность намагниченного образца тончайшего ферромагнитного порошка последний, кон­центрируясь на границах его доменов, дает характерные узоры, названные фигурами Акулова (рис. 9.1) —советского ученого, впер­вые обнаружившего это явление. Их можно видеть под оптическим микроскопом на поверхности железа, никеля, кобальта и других ферромагнетиков.

Р
ис. 9.1 Очертания доменов раз­личных ферромагнетиков (фигуры Акулова).

М
агнитная анизотропия монокристаллов ферромагнитных ве­ществ выражается в различной интенсивности намагничивания вдоль разных осей. На рис. 9.2 показаны направления легкого, среднего и трудного намагничивания в монокристаллах трех ос­новных ферромагнитных элементов: железа, никеля и кобальта. Из этого рисунка видно, что направлением легкого намагничивания для ячейки монокристалла железа является ребро куба, а труд­ного—диагональ через объем; для ячейки никеля направление вдоль ребра куба соответствует, наоборот, направлению трудного намагничивания.

Рис. 9.2 Направления легкого, среднего и трудного намагничивания в монокристаллах:

а—железа; б—никеля; о—кобальта

В тех случаях, когда анизотропия в поликристаллических фер­ромагнетиках выражена достаточно резко, принято говорить, что ферромагнетик обладает магнитной текстурой, или текстурой до­менов. Возможность получения заданной магнитной текстуры име­ет большое значение и используется для создания повышенных магнитных характеристик материала в определенном направлении. Процесс намагничивания ферромагнитного материала под влия­нием внешнего магнитного поля сводится:

1) к увеличению размеров тех доменов, магнитные моменты ко­торых составляют наименьший угол с направлением магнитного поля, и уменьшению размеров остальных доменов (процесс сме­щения границ доменов);

2) к повороту векторов магнитных моментов в направлении внешнего поля (процесс ориентации).

Магнитное насыщение заканчивается тогда, когда рост доме­нов прекращается и магнитные моменты всех спонтанно намагни­ченных областей оказываются ориентированными в направлении поля.

Схема ориентации спинов в доменах при намагничивании фер­ромагнетика приведена на р
ис. 9.3.

Рис. 9.3.Схема ориентации спинов в доменах при намагничивании ферромагнетика

Магнитострикция. При намагничивании ферромагнитных мо­нокристаллов наблюдается изменение их линейных размеров; это явление называют магнитострикцией. Величина магнитострикции монокристалла железа различна в разных направлениях. Так, монокристалл железа, намагничиваемый в направлении ребра куба, удлиняется в направлении диагонали, т.е. сжимается в направлении намагничивания. Магнитострикция проявляется и в по­ликристаллических материалах.

И
з трех основных ферромагнит­ных элементов (Fe, Ni, Co) наиболь­шей магнитострикцией обладает ни­кель. На рис. 9.4 приведены зависи­мости относительного изменения ли­нейных размеров монокристалла никеля по различным осям от на­пряженности внешнего поля.

Рис 9.4. Зависимости магнитострикционной деформации монокристалла никеля по различным осям от напряжен­ности внешнего поля

Знак магнитострикционной де­формации у различных материалов может быть как положительным, так и отрицательным; изменение этого знака может наблюдаться также у одного и того же материала (напри­мер, железа) при изменении вели­чины напряженности магнитного поля.

Кривыми намагничивания В =F(H), имеющими качественно общий характер для всех ферромаг­нетиков, характеризуют протекание процессов намагничивания в ферро­магнитных материалах. На рис. 9.5 представлены основные кривые на­магничивания некоторых магнитных материалов.

Магнитная проницае­мость (относительная) — это отношение величины индукции В к соответствующему значению на­пряженности магнитного поля Н в данной точке основной кривой на­магничивания, деленное на магнит­ную постоянную вакуума _о= 4*10^-7 Г/м. На рис. 9.5 в качестве примера построены две кривые зависимости =F₁(H). Сказанное подтвержда­ет выражение

так как

1
T=10⁴ Гс; 1 А/м=4 10^-3Э=0,01256Э или 1 Э=79,6 А/м  80 А/м.

Р
ис 9.5. Зависимости магнитной индук­ции В и магнитной проницаемости  от напряженности магнитного поля Н:1 — железа особо чистого; 2 — железа чистого <99,98% Fe); 3 — железа техни­чески'чистого (99,92% Fe); 4—пермаллоя (78% Ni); 5—никеля; 6 — сплава железо-никель (26% Ni)

Р
ис 9.6 Зависимость динамической магнит­ной проницаемости _ пермаллоя от частоты в слабом поле (Н=0,8 А/м)

Р
ис. 9.7. Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры

Магнитную проницаемость _н при Н0 называют начальной, опре­деляя ее величину при очень слабых полях—порядка 0,1 А/м. Наиболь­шее значение магнитной проницае­мости называют максимальной маг­нитной проницаемостью _mах. При сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость  стре­мится к единице.

Магнитную проницаемость, опре­деляемую производной от магнит­ной индукции по напряженности магнитного поля в данной точке основной кривой намагничивания, деленной на магнитную постоянную, называют дифференциальной магнитной проницаемо­стью.

Ферромагнетики в переменных магнитных полях характеризуют ве­личиной динамической (ампли­тудной) магнитной проницае­мости _, которая представляет собой отношение амплитудного зна­чения индукции к амплитудному значению напряженности магнитно­го поля:

_=B_max/(₀H_max)

С увеличением частоты поля ди­намическая проницаемость умень­шается (рис. 9.6) из-за инерционно­сти магнитных процессов. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от температуры, как показано на рис. 9.7, переходя через максимум при температурах, близких к точке Кюри. Для чистого железа точ­ка Кюри составляет 769°С, для никеля 358°С, для кобальта 1131°С. При температурах выше точки Кюри области спонтанного намагни­чивания нарушаются в результате теплового движения и материал перестает быть ферромагнитным.

Изменение магнитной проницаемости при изменении темпера­туры характеризуется температурным коэффициентом магнитной проницаемости

_=1/_t*d/dt [K^-1] (9.1)

определяемым так же, как и для других величин.

При использовании ферромагнитных материалов одновремен­но в постоянном и переменном магнитных полях их характеризу­ют величиной обратимой, или реверсивной, магнитной проницае­мости _р.

Понятие реверсивной магнитной проницаемости аналогично по­нятию реверсивной диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков. Реверсивная магнитная проницаемость умень­шается при росте величины постоянного смещающего поля Н_.

Гистерезис. Если производить намагничивание ферромагнети­ка во внешнем магнитном поле, а затем, начиная с какой-либо точки основной кривой намагничивания, уменьшать напряжен­ность поля, то величина индукции будет также уменьшаться, но не по основной кривой, а более медленно вследствие явления гистерезиса (отставания). При увеличении поля противоположного направления образец может быть размагничен или перемагничен, а при новой перемене направления поля индукция снова может вернуться в исходную точку, характеризующую состояние намаг­ничивания образца, т.е. будет описана кривая, представляющая собой петлю гистерезисного цикла перемагничивания.

В зависимости от величины напряженности внешнего магнит­ного поля можно получить семейство петель гистерезиса, как по­казано на рис. 9.8. Выберем из этих циклов предельный цикл при котором намагничивание материала достигает насыщения B_s. Значение В при Н=0 в процессе размагничивания образца, намагниченного до насыщения, н
азывают остаточной индук­цией В_r.

Рис. 9.8. Петли гистерезиса при различных предельных значениях напряженно­сти внешнего магнитного поля

Для того чтобы уменьшить индукцию от значения В_r до нуля,. необходимо приложить обратно направленную напряженность поля H_с, называемую коэрцитивной (задерживающей) силой.

Материалы с малой коэрцитивной силой Н_c и большой маг­нитной проницаемостью называют магнитномягк,ими материалы с большой коэрцитивной силой и меньшей проницаемостью— магнитнотвердыми.

Н
а рис. 9.9 приведены типичные петли гистерезиса длямагнитномягких и магнитнотвердых материалов.

Рис. 9.9. Петли гистерезиса для, магнитномягких (а) и для магнитнотвердых (б) ма­териалов

Магнитные свойства ферромагнетиков зависят от различных механических и термических воздействий, например, от упругих изменений их размеров. При наличии отрицательной магнитострикции в материале и внешних растягивающих напряжениях на­блюдается понижение магнитной проницаемости. Так, под дейст­вием растягивающего напряжения магнитную проницаемость никеля можно довести до очень низкого значения. При положи­тельной магнитострикции магнитная проницаемость под действием растягивающих напряжений возрастает.