ТЕМА 4 физические эффекты в магнитных материалах

4.1 Магнитная структура доменов в кристаллах. Процесс намагничивания. Магнитный гистерезис, магнитная анизотропия

Физические процессы в магнитных материалах. Все вещества в природе являются магнитными, т. е. они взаимодействуют с внешним магнитным полем и обладают определенными магнитными свойствами, которые обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов. Если это движение круговое, возникает элементарный круговой ток и соответствующий ему магнитный момент, направление которого определяется правилом буравчика. В каждом веществе такими элементарными круговыми токами являются орбитальное вращение электронов вокруг атомов и вращение электронов вокруг собственных осей (спиновое вращение), что приводит к появлению орбитального и спинового магнитных моментов электрона. Магнитный момент электронной оболочки и определяет магнитные свойства атома, поскольку он приблизительно в тысячу раз больше магнитного момента атомного ядра. Различный характер электронной структуры атомов приводит к различию магнитных свойств веществ.

По силе взаимодействия с магнитным полем все вещества можно разделить на слабомагнитные и сильномагнитные. Сила взаимодействия вещества с магнитными полем оценивается безразмерной величиной: магнитной восприимчивостью k_M:

k_М=M/H,                                                             (4.1)

где М - намагниченность вещества под действием магнитного поля, А*м-¹;

      Н - напряженность этого поля, А*м^-1.

Слабомагнитные вещества характеризуются величиной k_М << 1, т. е. изменение намагниченности вещества под действием внешнего поля очень незначительно. К ним относят диамагнетики и парамагнетики.

Рекомендуемые материалы

Парамагнетики отличаются тем, что при помещении этих веществ в магнитное поле они усиливают его внутри себя (k_M>0). Это происходит из-за совпадения направления намагниченности парамагнетиков с направлением внешнего поля. К парамагнетикам относят алюминий, платину и др.

Диамагнетики характеризуются тем, что ослабляют внутри себя то магнитное поле, которое действует извне. Это происходит вследствие того, что их намагниченность направлена против внешнего поля (k_M<0). К этим веществам относят большинство органических соединений и ряд металлов: медь, серебро, золото, свинец и др.

Наибольший интерес с точки зрения технического применения представляют сильномагнитные вещества (k_M >> 1), к которым относят ферромагнетики и ферримагнетики.

Ферромагнетики характеризуются, во-первых, способностью сильно намагничиваться даже в слабых полях (k_M=10³-10⁵). Вторая их особенность состоит в том, что выше определенной температуры, называемой температурой Кюри Т_к, ферромагнитное состояние вещества переходит в парамагнитное, т. е. магнитная восприимчивость снижается на три-четыре порядка. К ферромагнетикам относят железо, никель, кобальт и их сплавы, сплавы хрома и марганца и др.

Ферримагнетики - это вещества, получившие название от сложных оксидных материалов - ферритов. Они имеют свойства, во многом подобные свойствам ферромагнетиков, но значительно уступают им по величине предельной намагниченности. Под ферритами понимают соединения оксида железа Fe₂O₃ с оксидом металла МеО типа MeO-Fe2O₃. Магнитные свойства ферримагнетиков тесно связаны с взаимным расположением в кристаллической решетке ионов железа и металла.

По данным современной теории в ферромагнитном веществе в отсутствие внешнего магнитного поля существуют самопроизвольно намагниченные области, называемые магнитными доменами. В доменах магнитные моменты электронов ориентированы параллельно друг другу. В зависимости от кристаллической структуры вещества домены имеют различную форму. Линейные размеры доменов составляют от тысячных до десятых долей миллиметра. Направления намагниченности отдельных доменов располагаются неупорядоченно, из-за чего общая намагниченность материала равна нулю (рисунок  4.1).

Ферро- и ферримагнетики являются кристаллическими веществами. Намагничивание отдельных кристаллов (монокристаллов) ферромагнитных веществ имеет свои особенности: в кристаллах различают направления наилучшего (легкого) и наихудшего (трудного) намагничивания (магнитная анизотропия). На рисунке 4.2 показаны направления  легкого и трудного  намагничивания

а – при отсутствии поля; б – в слабом поле; в – в сильном поле; г – при насыщении

Рисунок 4.1 – Схема ориентирования векторов намагниченности в доменах ферромагнетика

Рисунок 4.2 – Направления легкого и трудного намагничивания в монокристаллах железа(а), никеля(б), кобальта(в)

трех основных ферромагнитных элементов: железа, никеля и кобальта. Железо и его сплавы Fe-Ni, Fe-Si кристаллизуются в кубической структуре и осями легкого намагничивания у них являются ребра куба, а самого трудного - пространственные диагонали. Для никеля, имеющего также кубическую структуру, распределение осей намагничивания противоположное. Направления легкого и трудного намагничивания кристалла кобальта, имеющего гексагональную структуру, показаны на рисунке 4.2, в.

В отдельных случаях и в поликристаллических материалах особыми технологическими приемами создается преимущественная ориентация отдельных кристаллов материала в заданном направлении. В этом случае говорят, что поликристаллический материал обладает магнитной текстурой (рисунок 4.3). Это выражается в получении повышенных магнитных характеристик материала в одном направлении. Возможность достижения заданной магнитной текстуры имеет большое значение и широко используется на практике.

Процесс намагничивания материала сопровождается изменением его доменной структуры. В размагниченном образце направления намагниченности доменов совпадают с осями легкого намагничивания кристалла и распределены одинаково во всех направлениях. При появлении внешнего магнитного поля самым, выгодным направлением намагниченности домена будет та ось легкого намагничивания, которая составляет наименьший угол с направлением внешнего поля, поскольку:

W_Н = -HMcosθ                                                                                       (4.2)

где W_H - энергия взаимодействия вектора намагниченности домена М с внешним полем величины Н, выраженная в Дж; θ - угол между направлениями внешнего поля и вектора намагниченности.

Рисунок 4.3 – Схема расположения кристаллов относительно направления прокатки для материалов с кубической текстурой

Рисунок 4.4 – Основная кривая намагничивания и кривая магнитной проницаемости

ферромагнитного материала в области очень слабых полей(1), слабых полей(2), средних полей(3) и сильных полей(4).

Вид доменной структуры в точках а, б, в, г показан на рисунке 4.1.

Процесс намагничивания материала зависит от величины приложенного поля. В слабых полях происходит процесс роста объема тех магнитных доменов, намагниченность которых наиболее выгодно ориентирована по отношению к действующему полю. В первую очередь это будут домены, для которых значения угла θ минимальны. Этот процесс развивается за счет уменьшения объема тех доменов, для которых значения угла θ максимальны, например за счет доменов с противоположным полю направлением намагниченности. Если напряженность поля уменьшить до начального значения, то исходное распределение объемов доменов восстанавливается. Таким образом, на этой стадии процесс намагничивания обратим и его называют обратимым процессом смещения границ доменов. На рисунке 4.4 это соответствует первому участку кривой намагничивания, т. е. кривой, показывающей зависимость намагниченности, или индукции материала от величины внешнего поля Н. Внутренняя магнитная индукция материала В_i, измеряемая в Тл, связана с его намагниченностью формулой:

В_i = μ₀M                                                         (4.3)

где μ₀ - магнитная постоянная, равная 4π10^-7 Гн/м.

При усилении поля картина намагничивания изменяется: векторы намагниченности всех доменов постепенно, по мере усиления поля, поворачиваются в направлении поля в энергетически более выгодное положение (рисунок 4.1). В этом процессе участвует преобладающая часть доменов, поэтому намагниченность образца изменяется значительнее и второй участок кривой намагничивания идет более круто по сравнению с первым (рисунок 4.4), При возвращении к начальному значению поля доменная структура уже не возвращается к исходному состоянию, и образец сохраняет какую-то намагниченность в направлении поля. Второй этап намагничивания происходит необратимо, и его называют необратимым процессом смещения границ доменов.

При дальнейшем росте напряженности поля (третий участок кривой на рисунке 4.4) происходит полный поворот векторов намагниченности доменов в направлении поля, называемый процессом вращения. Этот процесс заканчивается состоянием технического насыщения намагниченности материала, когда все векторы намагниченности доменов ориентированы вдоль направления поля.

В реальных магнитных материалах различные виды процессов намагничивания перекрывают друг друга. На процесс намагничивания оказывают влияние такие явления, как магнитострикция, механические напряжения, наличие немагнитных включений, неоднородностей и ряд других факторов.

Магнитострикцией называют явление изменения линейных размеров магнитного материала при его намагничивании. Количественной характеристикой величины магнитострикции материала является, например, константа λ_S называемая магнитострикционной деформацией насыщения:

                                                       (4.4)

где Δl_S - изменение длины образца l₀ в направлении поля при увеличении его напряженности от нуля до величины H_S, вызывающей техническое насыщение.

Это явление характерно для всех магнитных материалов. Константа λ_S может быть положительной и отрицательной. В случае ее нулевого значения на магнитные свойства не оказывают влияния внутренние механические напряжения в материале и внешние механические усилия, вызываемые сдавливающим действием обмоток, стяжкой сердечников крепежом и т. д.

Магнитострикционные фильтры. Материалы, никель, феррит и др. обладают свойствами изменять свою длину при изменении магнитного поля, в которых они находятся. Этот эффект назвали магнитострикционным. На базе этого эффекта делают фильтры, состоящих из жестко закрепленного никелевого или ферритового стержня длиной в несколько сантиметров. На стержне находятся катушка с индуктивностью несколько десятков мкГн и постоянный магнит. При протекании по катушки переменного тока магнитное поле изменяется, что приводит к изменению длины стержней и их резонансных частот. У таких фильтров высокая добротность порядка 2000-4000, их еще называют резонаторами.

Петля гистерезиса. При циклическом намагничивании кривая намагничивания образуют петлю гистерезиса, так как при размагничивании обнаруживается остаточный магнетизм, так как не все домены под влиянием температура теряют направленную ориентацию, обусловленную внешним полем.

Рисунок 4.5 – Петля гистерезиса

Остаточный магнетизм наблюдается, если образец поместить в неземное электрическое поле. При возрастании Н магнитной изменяется кривая ОА. При уменьшении Н магнитный поток будет изменяться по кривой АВ. Изменение магнитного потока отстает от изменений намагничивающего поля. Такое отставание называется магнитным гистерезисом. Это явление обусловлено инерцией изменений ориентации магнитных полей доменов материала.

При уменьшении Н до нуля в материале сохраняется некоторая остаточная магнитная индукция Во (отрезок ОВ). Чтобы полностью размагнитить материал необходимо создать внешнее магнитное поле обратного направления. Тогда при некотором значении Нс (отрезок ОГ), индукция в образца равна нулю – образец размагничен. Величину Нс называют задерживающей или коэрцитивной силой. Если продолжить намагничивать образец, то можно довести его до насыщения (точка Д), а при уменьшении Н вновь  наблюдается гистерезис, и при Н=0 возникает отрицательная остаточная индукция (отрезок ОЕ), и для ее устранения необходимо создать Нс (отрезок ОЖ). Таким образом перемагничивание происходит по кривой АБГДЕЖА. Площадь и форма этой кривой различна для разных материалов. Магнитомягкие материалы перемагничиваются относительно в слабых полях Н до сотен А/м и характеризуются высокими значениями относительной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой.

Магнитотвердые материалы перемагничиваются в сильных магнитных полях Н=кА/м и высокой остаточной магнитной индукцией.

Магнитодиэлектрики (ферромагнитные) характеризуются постоянством относительной магнитной проницаемостью и малыми потерями на перемагничивание. Их применяют на высоких частотах для изготовления магнитопроводов, сердечников катушек индуктивностей.

4.2 Зависимость параметров от температуры. Свойства магнитных материалов в СВЧ полях

Ферромагнитные свойства ряда веществ теряют при нагревании, µ≈1. Эта температура, характерная для каждого ферромагнитного вещества носит название точка Кюри (имя фран. Пьер Кюри). Например: железо (707ºС), никель – 360ºС, кобальт – 1130ºС. У некоторых при 100ºС.

На СВЧ применяют материалы, имеющие малую электрическую проводимость – ферриты и магнитодиэлектрики.

Ферриты получают химическим соединением Fe2O3 с оксидами металлов, а также другими способами. Для радиочастот применяют никель – цинковые и марганеццинковые. Для них важные параметры:

-тангенс угла потерь tg δ;

-критическая частота fкр (резко возрастают потери);

-относительный температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости αμ0:

-обратная магнитная проницаемость μобр (т.е. предел отношения изменения магнитной индукции к удвоенной амплитуде напряженности магнитного поля в данной точке кривой намагничивания, деленной на магнитную постоянную) при заданных условиях.

Магнитодиэлектрики

Представляют собой конгломерат из измельченного ферромагнетика, частицы которого разделены между собой в электрическом отношении изолирующими пленками из немагнитного материала, являющегося одновременно механической связкой.

 Обладают более высокими удельным электрическим сопротивлением, более высокочастотны и более высокую стабильность свойств, проще технология.

Материалы: карбоксильное железо. Широко используется в волноводах для изменения структуры поля и скорости распространения волн – помещают внутрь волновода магнитодиэлектрик.

Эффект Холла (1879)

Возникновение в металле с током с определенной плотностью помещенном в магнитное поле, электрического поля в направлении, перпендикулярном магнитной проницаемости (В).

Рисунок 4.6 – Пояснение эффекта

Если поместить металлическую пластинку с током в магнитное поле В, перпендикулярно току, то электроны будут испытывать силу Лоренца, которая направлена вверх, поэтому у верхнего края пластины возникает  повышенная концентрация электронов (верхняя часть заряжается отрицательно, а у нижнего – недостаток (заряжается положительно), возникает поперечное электрическое поле, направленно снизу вверх. Когда значение Епопер достигнет и будет уравновешивать силу Лоренца, то установится стационарное распределение зарядов в поперечном направлении, тогда

∆φ = VBa = R (IB/d) = IB/en d

где а – ширина пластины;

       ∆φ - разность потенциалов;

       d – толщина пластины;

       R – постоянная Холла, зависящая от частицы = 1/en

Применение:

-определить концентрацию носителей тока в проводнике;

-судить о природе проводимости полупроводников;

-для изучения электрического спектра носителей тока в металлах и полупроводниках;

-для умножения постоянных токов в аналоговых вычислительных машинах измерительной техники.

Свойства магнитных материалов в СВЧ полях. Они используются для работы в диапазоне частот от сотен до десятков тысяч МГц для передачи электромагнитной энергии такой частоты применяют волноводы – это полые металлические конструкции. Структуру поля и скорость распространения волн можно изменять, помещая внутрь волновода феррит. Ферриты используются в различных устройствах одновременом воздействии на них переменного магнитного поля Н СВЧ диапазона и постоянного магнитного поля Но. В этих условиях магнитная проницаемость µ является тензорной величиной. А это означает, что при совпадении частот возникает гиромагнитный резонанс, который используется при изготовлении различных СВЧ устройств.

Например, если используют ферритовый элемент, помещенный внутрь волновода, называют вкладышем. От его размера и конфигурации определяется назначение устройств СВЧ (вентиль, фазовращатель, циркулятор) и условия его работы (диапазон частот и температур, уровень мощности). Вкладыш помогает осуществить согласование сопротивлений волновода с нагрузкой.

Лекция "72 Ответственность за нарушение законодательства о техническом регулировании" также может быть Вам полезна.

Для каждого диапазона волн определяют определенную группу ферритов. Для длинноволновой части СВЧ-диапазона применяют магниевые и никелевые феррохромиты. В низкочастотной части диапазона СВЧ-иттриевые ферраты – гранаты.

Контрольные вопросы к теме 4:

1 Указать как разделяются вещества по силе взаимодействия с магнитным полем.

2 Пояснить понятие коэрцитивной силы и что зависит от значения этой силы?

3 Сущность эффекта Холла и его применение.