Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела (2-е издание, 2008) (1135799), страница 46
Текст из файла (страница 46)
При таком движении сти внешнего магнитного стенки преодолевают препятствия, ме- поля 285 шающие их движению, и ослабление внешнего магнитного поля уже не приведет к их перемещению на старые места, поскольку им тогда снова придется преодолевать пройденные препятствия, но в противоположном направлении. Участок 2 — 3 соответствует механизму перемагничивания за счет вращения векторов 1, не совсем удачно ориентированных доменов как целых, такое вращение наблюдается в сравнительно сильных внешних магнитных полях и называется механизмом перемагничивания за счет вращения вектора намагниченности.
Участок 3-4 соответствует полному развороту всех атомных магнитных моментов ферромагнетика вдоль вектора Й, соответствующая ему намагниченность называется намагниченностью насыщения 1 = 1„а напряженность магнитного поля, в котором достигается 1„называется полем насыщения, или напрялсенностью Н,. Величина 1, равна максимально достижимому значению магнитного момента единицы объема ферромагнетика. При уменьшении напряженности от Н, до нуля картина расположения атомных магнитных моментов в первом приближении сохранится: действительно, теперь атомные магнитные моменты в доменах могут сохранить свою ориентацию благодаря их взаимодействию. Поэтому при Н = 0 намагниченность будет иметь конечную величину, называемую остаточной намагниченностью 1„. При изменении напряженности от Н, до нуля точка, задающая состояние магнетика, окажется в точке 5 на рис.
5.19. При изменении направления вектора Й, в сторону, противоположную вектору 1„, начнется процесс перемагничивания, и при значении Н = Н„, определяемом как напряженность внешнего магнитного поля размагничивания и называемом коэрцитивной силой, происходит уменьшение намагниченности тела от значения остаточной намагниченности до нуля, т.е. до полного размагничивания (точка 6 на рис. 5.19). При этом ферромагнетик размагнитится: точнее, в его объеме появятся домены с разной ориентацией вектора 1, но векторная сумма всех магнитных моментов доменов ферромагнетика будет равна нулю. При дальнейшем увеличении напряженности ферромагнетик снова намагнитится в противоположном направлении. При Н = — Н, будет достигнуто насыщение, 1 = — 1,, (точка 7 на рис.
5.!9). 286 При изменении напряженности от — Н, до Н, сформируется участок 7 — 8 — 9-4 зависимости 1<Н). В итоге получается замкнутая кривая, напоминающая петлю, которую называют петлей гистерезиса. Двигаясь по участку 8-4 и не доходя до точки 4, можно в точке 9, соответствующей максимальному значению Н,„поля, которое называют максимальным полем цикла перемагничивания, снова уменьшить напряженность от Н„, до — Н„,. Тогда точка 9, задающая состояние ферромагнетика, сместится в точку 10. Определенным образом изменяя напряженность, можно в принципе оказаться в любой точке внутри петли гистерезиса.
При циклическом изменении напряженности от Н,„до — Н„получается так называемая частная петля гистерезиса с максимальным значением напряженности внешнего магнитного поля. Отметим, что точки !О, 11 частной петли гистерезиса располагаются на кривой намагничивания. В различных устройствах часто используются частные циклы перемагничивания с Н = Н„(см. рис.
5.20). Величину Н„называют полем максимальной магнитной проницаемости. Если величина )г имеет максимальное значение, то наиболее эффективным образом используется свойство ферромагнетика усиливать индукцию магнитного поля. В электродинамике доказано, что площадь петли гистерезиса, построенной в координатах Н вЂ” р„,1, равна энергии, затрачиваемой на циклическое перемагничивание единицы объема ферромагнетика. Таким образом, чтобы определить намагниченность ферромагнетика недостаточно знать напряженность поля, в котором он находится, а необходимо иметь значения Н и 1 в предыдущие моменты времени. В частности, намагниченность ферромагнетика после отключения поля будет зависеть от напряженности в момент отключения этого поля. Такой эффект используется для магнитной записи информации: различные участки ферромагнетика в виде тонкого магнитного слоя, нанесенного на диамагнитный диск или ленту, намагничивают в магнитном поле, создаваемом миниатюрным источником — записывающей головкой.
В результате такой записи различные участки ферромагнетика будут иметь разную остаточную намагниченность, несущую в себе информацию о поле, создаваемом записывающей головкой. Записанная информация может долго храниться. С помощью различных устройств, называемых считывающими головками, значение 1 в разных точках ленты или диска можно измерить, а записанную информацию— 287 считать и перевести в записанный ранее электрический сигнал.
В настоящее время достигнута очень высокая плотность записи— свыше !О ед. на см, т.е. площадь единицы записи равна прибли- 8 г зительно 1 мкм'. Очевидно, что необходимыми требованиями к носителю магнитной записи являются: достаточно высокие коэрцитивная сила и температура Кюри, а также максимально близкая к линейной зависимость 3„(Н ). Магнитные материалы. Для технических приложений необходимы материалы с различными параметрами петли гисте~езиса и, в первую очередь, коэрцитивной силы — от !О' до 1О Аlм. Наибольшее практическое применение имеют материалы с особо малыми (магнитамлгкие магнитные материалы) и особо большими (магнитажесткие магнитные материалы) значениями Н„.
Магнитомягкие магнитные материалы применяют в устройствах, которые должны перемагничиваться в слабых магнитных полях, это датчики магнитного поля, считывающие головки для чтения магнитной записи, сердечники трансформаторов. В большинстве этих случаев желательно иметь материал с максимальными значениями р, минимальными значениями Нс и площади петли гистерезиса. Для таких материалов необходимо максимально облегчить движение доменных стенок при перемагничивании, уменьшить влияние магнитной анизотропии и магнитострикции. Для этого в сплаве необходимо уменьшить количество дефектов, мешающих свободному движению доменных стенок, и использовать составы сплавов со слабой магнитной анизотропией и магнитострикцией.
В случае использования магнитомягких материалов в переменных магнитных полях желательно, чтобы магнетик также обладал большим электросопротивлением. Именно таким требованиям удовлетворяют современные магнитомягкие материалы (табл. 5.2). Табл и ца 5.2. Наиболеетиппчпые магиптомягкие материалы и параметры пх петли гистерезиса 288 Первоначально в качестве магнитомягкого материала использовали максимально очищенное железо, чистота железа способствовала уменьшению концентрации дефектов.
Подбирали добавки, способствующие увеличению размеров зерен-кристаллитов (что способствовало значительному уменьшению концентрации поверхностных дефектов) и обеспечивающие формирование кристаллической текстуры — преимущественной ориентации направлений легкого намагничивания вдоль заданных осей в изделии. Таким образом были получены трансформаторные стали — сплавы на основе Ее-Я. Далее подбирали составы сложных сплавов на основе Ге-% с минимально возможными значениями параметров магнитной анизотропии и магнитострикции, что обеспечило увеличение р до 10 и более. Следующим шагом было использование аморфных и нано- кристаллических материалов (поликристаллические материалы с размерами кристаллических зерен в несколько межатомных расстояний, рассмотренные в 1.2).
Магнитная анизотропия и магнитострикция этих материалов еще меньше, так как фактически они не имеют кристаллической решетки. Удельное электрическое сопротивление в таких материалах значительно больше, чем в кристаллических вследствие того, что отсутствие упорядоченного расположения атомов затрудняет направленное движение электронов (см. 4.3). Повышенная прочность и износостойкость магнитомягких аморфных материалов позволяют использовать их в качестве магнитных головок записи-чтения информации.
Представленные в табл. 5.2 магнитомягкие материалы, кроме ферритов, обладают сравнительно малым удельным сопротивлением, что способствует появлению в них при перемагничивании больших паразитных токов Фуко. Поэтому в изделиях, которые часто перемагничиваются, магнитомягкие материалы используют в виде тонких изолированных пластинок или напыленных слоев. Магнитомягкие ферриты (см. 5.2) имеют очень большое удельное электрическое сопротивление, поэтому их широко применяют в качестве магнитомягких материалов для изготовления монолитных прессованных порошковых деталей.
Их недостатками являются меньшие значения р, .(„, 1, и значительно большая хрупкость, чем у металлических магнитомягких материалов. Магнитожесткие магнитные материалы в основном используют в качестве так называемых постоянных магнитов — деталей, создающих магнитное поле без энергозатрат. Такие материалы должны об- 289 ладать помимо больших значений Н, максимальными значениями следующих величин: 1„, определяющей поток вектора В постоянного магнита, и максимального произведения (ВН) „, измеренного во втором квадранте (см.
рис. 5.19, Н < О, В > 0). Приближенно (ВН) определяет максимальный вращательный момент, действующий на магнит единичного объема, находящийся в поле напряженностью Н. Высокая временная и температурная стабильность перечисленных параметров и удовлетворительные прочность и пластичность — также важные характеристики постоянного магнита. Чтобы получить максимальные значения Н,, необходимо выполнить несколько обязательных условий. Во-первых, обеспечить невозможность перемагничивания за счет движения доменных стенок, для чего необходимо создать структуру, в которой мелкие однодоменные частицы ферромагнетика окружены прослойками парамагнетика.
В таком случае перемагничивание может быть осуществлено только за счет вращения вектора ( домена, что осуществимо только в сравнительно сильных магнитных полях. Как правило, такую структуру, состоящую из однодоменных частиц, получают: 1) при мелком размоле ферромагнетика с последующими смешиванием его с парамагнитным связующим веществом и спеканием; 2) разделением однородного твердого раствора на две фазы — парамагнитную и ферромагнитную (см. 2З, 2.4). Во-вторых, чтобы затруднить вращение вектора 1 домена, необходимо использовать вещества с очень сильной магнитной анизотропией (ге — Хд — В, Яш — Со, некоторые типы ферритов) или обеспечивать вытянутую форму доменов (в сплавах ге — Сг-Со, Ее-Со — % — А1), используя методы, описанные в 2.4. Все параметры (Н„1„, (ВН) „) увеличиваются при одинаковой ориентации направлений легкого намагничивания вдоль одного направления.
Это достигается за счет ориентации частиц размолотого порошка сильным магнитным полем (= 1 Тл), приложенным вдоль заданного направления. В некоторых разделяющихся на ферро- и парамагнитную фазы сплавах проводят их термообработку (см. 2.4) во внешнем магнитном поле (= 0,1 Тл), при которой длинные оси вытянутых доменов ориентируются вдоль Й.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
