lekcii (774103), страница 25
Текст из файла (страница 25)
В присутствии внешнего поля спиновые магнитные моментыэлектронов ориентируются в направлении поля. К парамагнетикамотносятся простые металлы (К, Na, Al, Mg и др.), переходные металлы(Мо, W, Ti, Pt и др.).Ферромагнетики характеризуются большим значением магнитнойвосприимчивости (km >> 1), сильно намагничиваются внешним полем исохраняют намагниченность при выносе из поля. К ферромагнетикамотносятся: Fe, Ni, Co, многие редкоземельные металлы, а такжехимические соединения в сплавах, которые имеют чрезвычайнобольшое значение km ~ 10х6. Ферромагнетизм проявляется ввеществах, имеющих некомпенсированные спиновые моментыэлектронов, при этом отношение параметра кристаллической решетки(а) к диаметру незаполненной электронной оболочки (d) находится впределах, а/d=3 - 6,6.Для ряда металлов и веществмежду атомами устанавливается специфическое взаимодействие, которое характеризуетсяналичиемобменных сил.Поддействием этих сил спиновыемагнитные моменты атомоврасполагаются параллельно,образуяобластисамопроизвольногонамагничивания,которыеназываются доменами.Зависимостьвеличиныобменной энергии, котораяпропорциональнавеличинеобменных сил, от отношения,а/d представлена на рис.
17.1.Рис. 17.1. Изменение обменной энергииот отношения параметракристаллической решетки (а) к диаметрунезаполненной электронной оболочки(d);I– антиферромагнетики, II –ферромагнетики, III – парамагнетикиПри положительном значении этой энергии энергетически выгодна вдоменах параллельная ориентация спиновых магнитных моментоватома (рис.
17.2), что характерно для ферромагнетиков. Приотрицательном значении обменной энергии – антипараллельная, чтохарактерно для антиферромагнетиков.Рис. 17.2. Ориентация магнитныхмоментов атомов материалов сразличным магнетизмомДоменное строение ферромагнетиковВ магнитном поле вещества намагничиваются. состояние веществаописывается уравнениемгде В— магнитная индукция, т. е.
плотность магнитногопотока в веществе, тл (тесла);Н — напряженность намагничивающего поля, А/м;μ0 — магнитная проницаемость свободного пространства,составляющая 12,56• 10–7 Гн/м;μ — относительная магнитная проницаемость вещества(безразмерная величина).В ферромагнетиках ниже некоторой, определенной для каждоговещества температуры — точки Кюри, проявляется взаимодействиемежду электронными оболочками соседних атомов (обменноевзаимодействие).Этовзаимодействиепреодолеваетразориентирующее влияние тепловых колебаний и ориентируетмагнитные моменты соседних атомов параллельно друг другу. Таквозникают области с одинаковой ориентацией магнитных моментоватомов — магнитные домены.Полностью размагниченное ферромагнитное тело состоит измножества доменов, имеющих размеры от десятитысячных долеймиллиметра до нескольких миллиметров. Каждый из доменов всегданамагничен до насыщения, однако геометрическая сумма векторовмагнитного момента всех доменов равна нулю, так как направленияэтих векторов различны.Соседние домены отделены друг от друга граничными слоями,имеющими толщину от нескольких десятков до нескольких десятковтысяч межатомных расстояний (10–6 — 10–3 мм).
В граничных слояхнаправлениевекторовнамагниченностиотдельныхатомовизменяется так, как это показано на рис. 5,1. Подобное строениеграничных слоев делает границы доменов относительно подвижными.Рис. 5,1. Схема поворота векторов магнитныхмоментов атомов в граничном слоеКристаллы ферромагнитных веществ по магнитным свойстваманизотропны. В них имеются направления легкого и трудногонамагничивания.
Такие направления для железа, никеля и кобальтапоказаны на рис. 5.2. При отсутствии внешнего магнитного полякаждый из доменов твердого тела намагничен всегда в одном изнаправлений легкого намагничивания (в железе, например, в одном изшести направлений, параллельных ребрам его элементарнойкристаллической ячейки).Рис. 5,2. Направления легкого, среднего и трудного намагничиванияв кристаллических решетках железа, никеля и кобальта2.Процессы намагничивания и перемагничиванияферромагнетиков.Основныемагнитныехарактеристикиматериалов.Процессы намагничивания каждого ферромагнетика описываются егоосновной кривой намагничивания,представляющейсобойзависимость индукции В в предварительно полностью размагниченномобразце от напряженности намагничивающего поля Н и имеющей вид,показанный на рис. 5,4 (кривая OMS).
Доменное строение (магнитнаяструктура) образца в исходном (размагниченном) состоянии условнопоказано на рис. 5,5, а. Векторная сумма магнитных моментов всехдоменов равна нулю, пока не приложено внешнее поле.Рис. 5,4. Зависимости индукции Ви магнитной проницаемости μ отнапряженности магнитного поля НДаже в очень слабом внешнеммагнитномполемагнитнаяструктураизменяется.Поддействием поля одни доменыувеличиваются в объеме, а другиеуменьшаются, так как магнитныемоменты атомов граничного слояпоочередно изменяют направлениеи присоединяются к растущемудомену.Равнодействующаямагнитных потоков всех доменовтела в этом случае отлична от нуля,т. е.
тело намагничено.Эта стадия намагничивания —процесс смещения границ доменов,соответствует круто восходящейчастиосновнойкривойнамагничивания — участку ОМ(рис. 5,4).Рис. 5.5. Изменение доменнойструктуры ферромагнетика впроцессе его намагничивания:а) исходное (размагниченное)состояние;б) завершен процесс смещенияграниц доменов;в) завершен процесс вращения(достигнуто техническое насыщение)Магнитнаяструктурателапослезавершения процесса смещения границдоменов условно показана на рис. 5,5, б.Границы между доменами сместились вкаждом зерне так, что выросли именноте домены, которые были намагничены внаправлении, ближайшем к направлениювекторанапряженностивнешнегомагнитногополя.Когдапроцесссмещения границ доменов завершен(или близок к завершению), дальнейшеенамагничиваниеосуществляетсяодновременным вращением векторовмагнитныхмоментоввсех атомовкаждого домена из направления легкогонамагничивания к направлению векторанапряженности.
Стадия намагничиванияпутем вращения доменов соответствуетучасткуMSосновнойкривойнамагничивания.Рис. 5.5.При некоторой напряженности Hs векторымагнитного момента всех атомов телаориентированы в направлении векторанапряженности и тело представляет собойкак бы один домен (рис. 5,5, в). Такоесостояниеназываюттехническимнасыщением, а соответствующую емуиндукцию Bs — индукцией насыщения.Индукция насыщения является одной изважнейшиххарактеристикмагнитныхматериалов.Дальнейшееповышениенапряженностиполяневызываетизменения доменной структуры, а тольконезначительно увеличивает магнитныймомент каждого атома. Эта часть кривойнамагничиванияназываетсяпарапроцессом. Зависимость индукции отнапряженности на этом участке основнойкривой намагничивания (участок правееточки 5) имеет вид пологой прямой линии.Рис. 5.5.По основной кривой намагничивания можно построить кривуюзависимостиотносительноймагнитнойпроницаемостиотнапряженности магнитного поля (рис.
5,4), вычисляя магнитнуюпроницаемость по формулеПо кривой магнитной проницаемости можно определить важныемагнитные характеристики материала: начальную проницаемость имаксимальную проницаемость μмакс.При симметричном перемагничивании материала вследствиемагнитного гистерезиса (отставания изменения индукции от изменениянапряженности) кривая зависимости магнитной индукции отнапряженности поля имеет вид замкнутой петли — петли гистерезиса(рис. 5,6).
Каждому значению амплитуды напряженности полясоответствует определенная (для данного материала) петлягистерезиса. Наибольшая из этих петель, соответствующаянасыщению материала в каждом цикле перемагничивания, называетсяпредельной петлей гистерезиса.Рис. 17.4. Кривые намагничивания и размагничиванияферромагнетика при наличии магнитного гистерезиса(схематически приведена доменная структура образца длянекоторых точек петлиВr — остаточная индукция; Вs – индукция насыщения;Нс — коэрцитивная сила.Первоначальная кривая намагничивания и форма петлигистерезиса – важнейшие характеристики ферромагнетика.Другими важными характеристиками магнитных материалов являются:μ - магнитная проницаемость,k – константа кристаллографической магнитной анизотропии,λs– коэффициент магнитострикции,θ- температура точки Кюри.Магнитная проницаемость (μ, Гн/м), равная отношению магнитнойиндукции к напряженности поля:μ = В/Н,характеризует интенсивность намагничивания.
Она определяется кактангенс угла наклона касательной к первоначальной кривойнамагничивания.Константами материала являются начальная (μн) и максимальная(μmax) магнитные проницаемости. Кроме того используетсябезразмерная относительная магнитная проницаемостьμ' = μ/ μ0,где μ0 – магнитная постоянная, равная 4π ∙ 10(−7) Гн/м.Константа кристаллографической магнитной анизотропии (k,Дж/м3) – это удельная энергия, которую необходимо затратить наперемагничивание из направления легкого намагничивания внаправление трудного намагничивания.Коэффициент магнитострикции (λs) – это относительноеизменение длины (линейная магнитострикция) или формы (объемнаямагнитострикция) материала под действием магнитного полянапряженностью Нs.Температура (θ) определяет температурную стабильностьмагнитных свойств.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
