Билет №27, 28 (Ответы на экзамен 2)
Описание файла
Файл "Билет №27, 28" внутри архива находится в папке "otvety_v2". Документ из архива "Ответы на экзамен 2", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "материалы и элементы электронной техники" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве НИУ «МЭИ» . Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ «МЭИ» , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "к экзамену/зачёту", в предмете "материалы и элементы электронный техники" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Билет №27, 28"
Текст из документа "Билет №27, 28"
6
Билет №27, 28
14.2.4. Причины, приводящие к образованию доменов
Выше отмечалось, что ферромагнетики в ненамагниченном состоянии самопроизвольно (спонтанно) разбиваются на множество доменов, намагниченных до насыщения. Магнитные моменты этих доменов дезориентированы друг относительно друга, поэтому суммарная (результирующая) намагниченность М образца равна или близка нулю. Спонтанное деление объема ферромагнетика на множество доменов объясняется тем, что многодоменная структура ферромагнетика наиболее устойчива и ей соответствует минимум полной свободной энергии системы, которая, в свою очередь, состоит из следующих основных видов: магнитостатической, обменной, магнитной анизотропии, магнитострикции. В образовании многодоменной структуры особенно важны первые два вида энергии.
При намагничивании ферромагнетика (например, монокристалла) до насыщения он будет представлять собой постоянный магнит, состоящий из одного домена и создающим внешнее магнитное поле (рис. 14.6, а; стрелкой обозначен магнитный момент домена). Такой образец обладает максимальной магнитостатической энергией. Если этот же монокристалл будет состоять из двух доменов с противоположной ориентацией спиновых магнитных моментов (см. рис. 14.6, б), то магнитостатическая энергия уменьшится в два раза, так как
Р ис. 14.6. Уменьшение магнитостатическрй энергии, обусловленное разделением .монокристалла ферромагнетика на магнитные домены
часть магнитного потока, выходящего из одной области, замкнется на другую. При возникновении в монокристалле четырех доменов (см. рис. 14.6, в) магнитостатическая энергия уменьшится в четыре раза и т.д. Еще более энергетически выгодной будет доменная структура, изображенная на рис. 14.6, г. В результате образования граничных доменов в виде трехгранных призм, называемых замыкающими доменами, магнитостатическая энергия становится равной нулю.
Процесс деления монокристалла на домены имеет определенный предел. При увеличении числа доменов возрастает протяженность границы между доменами и соответственно возрастает обменная энергия, необходимая для их образования. Поэтому на каком-то этапе деление доменов становится энергетически невыгодным и прекратится в силу того, что энергия, необходимая для образования доменных границ, станет больше того выигрыша в энергии, который происходит за счет уменьшения магнитостатической энергии в результате деления доменов.
14.2.5. Механизм технического намагничивания и магнитный гистерезис
Процесс технического намагничивания магнитного материала сопровождается изменением его доменной структуры. В размагниченном образце направления спонтанной намагниченности доменов совпадают с осями легкого намагничивания. При приложении магнитного поля самым выгодным направлением технической намагниченности домена будет та его ось легкого намагничивания, которая составляет наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля.
Основная кривая намагничивания. Важнейшей характеристикой ферромагнетиков является основная кривая намагничивания, описывающая зависимость намагниченности М или магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н для предварительного размагниченного образца, а также зависимость магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля Н и предельная петля магнитного гистерезиса.
Р ис. 14.7. Основная кривая намагничивания (зависимость В от Н) и зависимость магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля Н
На рис. 14.7 представлены кривые зависимости В и (μ от напряженности магнитного поля Н для образца ферромагнетика предварительно размагниченного. На кривых этих зависимостей можно выделить четыре характерных участка.
I участок — это область самых слабых магнитных полей (H→ 0) — характеризуется линейной зависимостью B от H и постоянным значением μ. На этом участке происходит увеличение объема (рост) тех доменов, векторы намагниченности которых имеют наименьшие углы с направлением внешнего магнитного поля; их рост происходит за счет доменов, у которых эти углы наибольшие. Рост доменов происходит путем обратимого смещения их границ. Поэтому процесс намагничивания на этом участке называют процессом обратимого смещения границ доменов. На этом участке суммарная намагниченность образца становится отличной от нуля, и материал характеризуется начальной магнитной проницаемостью μн которую экспериментально определяют в полях с Н ≈ 0,1 А/м. Величина μн является удобной характеристикой материала сердечников высокочастотных катушек индуктивности, работающих, как правило, в полях с невысокой напряженностью. После снятия внешнего магнитного поля границы доменов снова возвращаются в прежнее положение, поэтому остаточная намагниченность не возникает.
II участок — область слабых магнитных полей — характеризуется крутым подъемом В и μ при увеличении Н. В конце этого участка магнитная проницаемость проходит через максимум и представляет собой максимальную магнитную проницаемость μм. Величина μм является удобной характеристикой материала сердечников реле, дросселей, трансформаторов и др., работающих в полях повышенной напряженности (конец II— начало III участка). На этом участке границы доменов перемещаются на большие расстояния, а сам процесс перемещения границ доменов необратим, т. е. после снятия внешнего магнитного поля доменная структура не возвращается в исходное состояние, и образец сохраняет какую-то техническую намагниченность. Поэтому процесс намагничивания на этом участке называют процессом необратимого смещения границ доменов. Переориентация спиновых магнитных моментов внутри доменов происходит не постепенно, а скачкообразно. К концу этого участка границы доменов исчезают, и образец превращается в однодоменный, вектор намагниченности которого совпадает с направлением легкого намагничивания и составляет наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля.
III участок — область средних полей — характеризуется небольшим увеличением В и значительным уменьшением μ. Процесс намагничивания на этом участке заключается в постепенном повороте вектора намагниченности образца до полного совпадения с направлением внешнего магнитного поля Н, поэтому его называют процессом вращения вектора намагниченности. В конце этого участка при Н = Hs намагниченность М материала достигает значения намагниченности технического насыщения Ms (M → Ms или, можно сказать, что магнитная индукция В материала достигает значения индукции технического насыщения Bs(B → Вs). Магнитная проницаемость μ на этом участке значительно снижается, так как напряженность поля Н увеличивается, а магнитная индукция В изменяется незначительно [μ = B/( μoH); см. формулы (14.4) и (14.5)].
IVучасток — область сильных магнитных полей — характеризуется незначительным возрастанием индукции В с увеличением напряженности магнитного поля Н и приближением значения магнитной проницаемости μ к единице. Незначительное увеличение магнитной индукции В на этом участке происходит в результате парапроцесса, который заключается в гашении сильным полем дезориентирующего действия теплового поля. Абсолютно строгую ориентацию всех спиновых магнитных моментов атомов внутри домена можно получить только при температуре абсолютного нуля, когда отсутствует дезориентирующее действие теплового движения. По мере повышения температуры, дезориентация спиновых магнитных моментов атомов возрастает. Дезориентирующее действие теплового движения компенсируется ориентирующим действием внешнего магнитного поля. В этом и заключается парапроцесс. Парапроцесс имеет место и в слабых полях, но здесь он перекрывается процессами смещения и вращения. В сильных полях, когда индукция В достигла значения индукции технического насыщения Bs (В = Bs), парапроцесс проявляется более отчетливо.
В реальных ферро- и ферримагнетиках различные виды процессов намагничивания накладываются друг на друга. На процесс намагничивания, кроме того, влияют магнитострикция, механические напряжения, дефекты структуры и ряд других причин.
Магнитный гистерезис. Если предварительно размагниченный образец подвергнуть намагничиванию до состояния технического насыщения, то с увеличением напряженности магнитного поля Н магнитная индукция В будет изменяться в соответствии с кривой ОАБ рис. 14.8 и в точке А при Н = Hs достигнет значения индукции технического насыщения, или индукции насыщения Bs (см. рис. 14.7). Отрезок АБ является безгистерезисной частью зависимости В(Н). При уменьшении напряженности поля Н намагниченность образца уменьшается по кривой БАВr , и при Н = 0 индукция В не будет равна нулю. Эта индукция называется остаточной и обозначается Вr; с ней связано существование постоянных магнитов.
Остаточная индукция (остаточная намагниченность) обусловлена тем, что при размагничивании, когда H = 0, магнитные моменты доменов оказываются ориентированными вдоль оси легкого намагничивания, направление которой близко к направлению внешнего поля.
Для достижения полного размагничивания образца к нему необходимо приложить поле определенной напряженности и противоположное по знаку. Напряженность такого поля называют коэрцитивной силой Нс. При дальнейшем возрастании отрицательного поля индукция тоже становится отрицательной и в точке А' при B = — Bs, достигает значения индукции технического насыщения (В = — Bs). После уменьшения отрицательного поля, а затем увеличения положительного поля кривая перемагничивания опишет петлю, называемую предельной петлей магнитного гистерезиса, которая является важной технической характеристикой магнитных материалов.
Таким образом, предельная петля магнитного гистерезиса — это кривая изменения магнитной индукции при изменении внешнего магнитного поля от +Hs до —Hs, и обратно. Пользуясь предельной петлей магнитного гистерезиса, можно определить основные параметры материала: коэрцитивную силу Hс, индукцию насыщения Bs остаточную индукцию Вг и др. Площадь этой петли пропорциональна работе, затрачиваемой на перемагничивание образца за один цикл; она пропорциональна потерям на гистерезис (см. гл. 14.2.7.). Из рис. 14.8 видно, что в координатах В(Н) при H< Hs (или В < Вs) проявляется целое семейство петель магнитного гистерезиса, заключенных одна в другую.
Рис.14.8.Предельная петля магнитного магнитного гистерезиса
Р ис. 14.9. Зависимость коэрцитивнойсилы Hс трансформаторной стали от толщины h листа
Поскольку ферримагнетики также обладают доменной структурой, поэтому рассмотренные процессы намагничивания и размагничивания (см. рис. 14.7 и 14.8) происходят в них аналогичным образом.
Коэрцитивная сила Нс является важной технической характеристикой магнитных материалов и как магнитная проницаемость μ зависит от суммарной удельной поверхности зерен, магнитной анизотропии, магнитострикции, механических напряжений, наличия примеси и других дефектов. Чем больше значения этих величин и меньше однородность структуры, тем больше Hс и меньше μ. Объясняется это тем, что поверхность зерен более дефектна, имеет более высокие внутренние напряжения кристаллической решетки, чем само зерно. Внутренние напряжения и дефекты при намагничивании препятствуют росту доменов и ориентации их магнитных моментов в направлении поля. В результате Hс возрастает, а μ снижается. С уменьшением размера зерен их суммарная удельная поверхность возрастает. Величину суммарной удельной поверхности зерен можно изменять механической и термической обработкой материалов. Материал, подвергнутый закалке или холодной деформации (прокатке, волочению и т.п.), образует мелкозернистую структуру, которая обладает большой суммарной удельной поверхностью зерен и соответственно большой Hс и малой μ. Материал, подвергнутый отжигу, наоборот, образует крупнозернистую структуру с небольшой суммарной удельной поверхностью зерен и соответственно с небольшой Hс и с высокой μ. Коэрцитивная сила листового ферромагнетика также увеличивается при уменьшении его толщины h (рис. 14.9), так как при уменьшении толщины h измельчается зерно и увеличивается суммарная удельная поверхность зерен.
Таким образом, если точка Кюри и индукция насыщения зависят только от химического состава магнитных материалов, то такие характеристики, как коэрцитивная сила Hс, магнитная проницаемость μ и площадь петли гистерезиса, являются структурночувствительными. Поэтому чем больше размер зерна (меньше суммарная удельная поверхность зерен) и более совершенна структура кристаллической решетки (меньше дислокаций, внутренних напряжений, примесей и других дефектов), тем меньше Яс и больше ц, а материал соответственно легче намагничивается и перемагничивается.
По величине коэрцитивной силы магнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Граница этого раздела по значению Hс условная. Материалы, у которых Hс < 4 кА/м, относят к магнитомягким, у которых Hс > 4 кА/м — к магнитотвердым (ГОСТ 19693—74). Для магнитомягких материалов характерным является малое значение коэрцитивной силы; у промышленных образцов наименьшая Hс = 0,4 А/м. Поэтому они намагничиваются до индукции технического насыщения при невысоких напряженностях поля. Намагничивание происходит в основном за счет смещения доменных границ. У магнитомягких материалов высокая магнитная проницаемость, малые потери на перемагничивание и узкая петля гистерезиса при высоких значениях магнитной индукции. Это легконамагничивающиеся материалы. Магнитомягкие материалы применяют в производстве сердечников катушек индуктивности, реле трансформаторов, электрических машин и т. п., работающих в постоянном и переменном магнитных полях.
Для магнитотвердых материалов характерным является широкая петля гистерезиса с большой коэрцитивной силой; у промышленных образцов наибольшая Hс≈800 кА/м. Магнитная проницаемость μ у них меньше, чем у магнитомягких материалов. У магнитотвердых материалов большая максимальная удельная магнитная энергия Wm которая пропорциональна произведению наибольших значений В и H на кривой размагничивания (см. гл. 15.2, формулу (15.7)). Намагничиваются они с трудом, но зато длительное время сохраняют сообщенную энергию. Намагничивание происходит в основном за счет вращения вектора намагниченности. Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов, в электрических машинах малой мощности, для записи и хранения цифровой, звуковой и видеоинформации и др.