Классификация магнитных материалов

 

По своим магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы: диамагнетики; парамагнетики; ферромагнетики. Количественной характеристикой намагниченного состояния вещества служит векторная величина J, называемая намагниченностью.   

Диамагнетиками называются вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции. К диамагнетикам относятся вещества, у которых магнитные моменты атомов, молекул или ионов в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярный водород и азот, цинк, медь, золото, висмут, парафин и многие другие органические и неорганические соединения.

При отсутствии магнитного поля диамагнетик не намагничен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно    компенсируются, и суммарный  магнитный момент атома равен нулю.

Парамагнетиками называются вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля. У парамагнитных веществ  при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков обладают отличным от нуля магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетиков во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. При выключении внешнего магнитного поля ориентация магнитных моментов молекул  вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается.

Особый класс магнетиков образуют вещества, самопроизвольно намагниченные в отсутствии внешнего магнитного поля. По своему наиболее распространенному представителю (железо) их называют ферромагнетиками. Ферромагнетиками называются твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры. Ферромагнетики в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков являются сильномагнитными веществами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее поле. Ферромагнитные материалы в большей или меньшей степени обладают магнитной анизотропией, т.е. свойством намагничиваться с различной степенью в разных направлениях. Магнитные свойства ферромагнитных материалов сохраняются до тех пор, пока их температура не достигнет значения, называемого точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри ферромагнетик ведет себя во внешнем магнитном поле как парамагнитное вещество. Он не только теряет свои ферромагнитные свойства, но у него изменяется теплоемкость, электропроводимость и некоторые другие физические характеристики. При намагничивании ферромагнетиков происходит небольшое изменение их линейных размеров, т.е. увеличение или уменьшение их длины с одновременным уменьшением или увеличением поперечного сечения. Это явление называется магнитострикцией, оно зависит от строения кристаллической решетки ферромагнетика. Ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намагниченностью независимо от наличия внешнего намагничивающего поля. Однако многие ферромагнитные материалы при температурах ниже точки     Кюри не намагничены. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных участков ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю, т.е. ферромагнетик не намагничен. Внешнее магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как в парамагнетике, а целых областей спонтанной намагниченности, называемых доменами. Поэтому с ростом напряженности магнитного поля H намагниченность J и магнитная индукция B уже в слабых полях растет довольно быстро.

Показанное на рис. 4.1 намагничивание такого образца в магнитном поле, напряженность H которого медленно увеличивается, происходит за счет двух процессов: смещения границ доменов и вращения магнитных моментов доменов. Процесс смещения границ доменов приводит к росту размеров тех доменов, которые самопроизвольно намагничены в направлениях, близких к направлению вектора H. Процесс вращения магнитных моментов по направлению H играет основную роль только в области, близкой к напряженности насыщения H _нас..

4.2. Природа ферромагнетизма

Возникновение магнитных свойству ферромагнетиков связано с их доменным строением. Домены – это области самопроизвольной намагниченности, возникающие даже в отсутствии внешнего магнитного поля, в которых магнитные моменты атомов ориентированы параллельно. Атомы или ионы приобретают магнитный момент, как правило, если они имеют некомпенсированные спины электронов. Например, в атомах железа на внутренней     3d-оболочке имеются четыре электрона с некомпенсированными спинами. Спонтанная намагниченность относится к внутриатомным явлениям, ее природа может быть установлена только на основе квантово-механических понятий.

Главную роль в возникновении ферромагнитного состоянию играют силы обменного взаимодействия между атомами, имеющие квантовый характер и по происхождению являющиеся электростатическими. Энергию A, возникающую в результате обмена электронами   родственных атомов, называют обменной энергией или интегралом обменной энергии. При положительном интеграле обменной энергии А возникает параллельная ориентация спиновых магнитных моментов электронов (рис.4.2). При отрицательном знаке А энергетически выгодно антипараллельное расположение спиновых моментов. Численное значение и знак интеграла А зависит от степени перекрытия электронных оболочек, то есть зависит от расстояния между атомами. Как следует из рис. 4.2,  при а / d =1, 5 происходит переход от антиферромагнитного состояния к ферромагнитному. Эта зависимость позволила обнаружить ферромагнетизм у сплавов марганца с неферромагнитным висмутом, сурьмой, серой и т.д.

Каждый реальный магнитный материал разделен по всему объему на множество замкнутых областей – доменов, в каждом из  которых самопроизвольная намагниченность    однородна и направлена по одной из осей легкой намагниченности.

Такое состояние энергетически выгодно и кристалл в целом немагнитен, так как магнитные моменты доменов ориентированы в пространстве равновероятно по всем направлениям. Между соседними доменами возникают граничные слои (стенки Блоха). Внутри доменных стенок векторы намагниченности плавно  поворачиваются. Объем доменов может колебаться в широких пределах от  до см³. Ширина границ между антипараллельными доменами для железа , то есть около 500 элементарных ячеек. Размеры самих доменов зависят от неметаллических включений, границ зерен, скоплений дислокаций и других неоднородностей. Обычно домены имеют правильную форму. На рисунке 4.3 показана идеализированная доменная структура кристаллического ферромагнетика.

Магнитная проницаемость

Магнитная индукция и напряженность поля в изотропной среде связаны простым соотношением:

 ,                               (4.3.1)

где  – абсолютная магнитная проницаемость, характеризующая магнитные свойства среды.

Сравнивая магнитное поле тока в проводе, расположенном в данной среде и в вакууме, установили, что в зависимости от свойств среды поле получается более интенсивным, чем в вакууме (парамагнитные материалы), или наоборот, менее интенсивным (диамагнитные материалы). Таким образом, интенсивность магнитного поля, т.е. индукция B, зависит от свойств среды, в которой создано поле.

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной . В системе СИ для нее принято значение .

Абсолютную магнитную проницаемость различных материалов и сред сравнивают с магнитной постоянной. Отношение абсолютной магнитной проницаемости какого-либо материала к магнитной постоянной называется магнитной проницаемостью (или относительной магнитной проницаемостью):

.                                        (4.3.2)

Магнитная проницаемость – отвлеченное число. Для диамагнитных материалов < 1, например, для меди  = 0, 999995. Для парамагнитных материалов > 1, например, для воздуха  = 1, 0000031. При технических расчетах магнитная   проницаемость диамагнитных и парамагнитных материалов и сред принимается равной единице.

У ферромагнитных материалов, играющих важную роль в электротехнике, магнитная проницаемость достигает десятков тысяч и зависит от магнитных свойств материала, температуры, интенсивности магнитного поля, т.е. величины индукции или от величины напряженности магнитного поля.

Зависимость магнитной индукции в ферромагнетике от напряженности внешнего магнитного поля называется кривой намагничивания. Кривая намагничивания и зависимость  для ферромагнитного материала показана на рис.4.4. Начальная и  максимальная проницаемости являются частными случаями нормальной проницаемости:

.             (4.3.3)

При одновременном воздействии на магнитный материал постоянного и переменного магнитных полей вводят понятие дифференциальной проницаемости:

                           (4.3.4)

Увеличение индукции под действием внешнего поля   (рис.4.4) обусловлено двумя причинами: смещением доменных границ и поворотом магнитных моментов доменов. Начальному участку кривой при слабом магнитном поле соответствует обратимое (упругое) смещение доменных границ. После снятия внешнего магнитного поля доменные границы возвращаются в прежнее положение, остаточная намагниченность в образце не возникает. По мере увеличения напряженности магнитного поля возрастает роль вращения доменов, когда магнитные моменты доменов поворачиваются в направлении внешнего магнитного поля. Когда магнитные моменты всех доменов ориентируются вдоль внешнего поля, наступает техническое насыщение намагниченности.

Характер зависимости для ферромагнетиков различен в слабых, средних и сильных полях. Для   при температуре Кюри наблюдается четко выраженный максимум, сглаживающийся при увеличении напряженности поля (рис.4.5). Возрастание объясняется тем, что при нагревании облегчается смещение доменных границ и поворот векторов намагниченности доменов. Уменьшение при высоких температурах объясняется резким уменьшением спонтанной намагниченности доменов.

 

Магнитный гистерезис

 

Рассмотрим кольцевой магнитопровод из ферромагнитного материала с проволочной обмоткой. Если электрический ток в витках обмотки отсутствует, то индукция и напряженность магнитного поля равны нулю, т.е. B=0 и H=0 (начало координат на рис. 4.6). При постепенном увеличении намагничивающего тока, следовательно, и напряженности поля от нуля до некоторого значения магнитная индукция увеличивается по кривой начального намагничивания (кривая О а ). При напряженности магнитного поля  магнитная индукция достигает соответствующего значения . Если затем сила тока и напряженность поля уменьшаются, то магнитная индукция также уменьшается, но при соответствующих значениях напряженности магнитная индукция оказывается несколько больше, чем при увеличении напряженности (участок abc на рис. 4.6). При нулевых значениях силы тока и напряженности поля магнитная индукция имеет некоторое значение , называемое остаточной индукцией. Таким образом, магнитная индукция в ферромагнитном материале зависит не только от напряженности поля, но и от предшествующего состояния ферромагнетика. Это явление  называется гистерезисом. Оно обусловлено внутренним трением, возникающим при изменении ориентации магнитных моментов доменов.

При изменении направления напряженности внешнего магнитного поля и при постепенном ее увеличении до значения  магнитная индукция становится равной нулю. Напряженность магнитного поля , при которой ферромагнетик полностью размагничивается, называется коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении тока и напряженности поля магнитопровод намагничивается в противоположном направлении. На участке кривой cda описанные процессы происходят в обратном направлении. Рассмотренный цикл перемагничивания ферромагнетика по  кривой abcda называется гистерезисным циклом (петлей гистерезиса).

Периодическое перемагничивание связано с затратой энергии, которая, превращаясь в тепло, вызывает нагрев магнитопровода. Площадь петли гистерезиса   пропорциональна энергии, затраченной при одном цикле перемагничивания. Энергия, затраченная на процесс перемагничивания, называется потерями от гистерезиса. Мощность потерь на циклическое перемагничивание, выражаемая обычно в ваттах на килограмм, зависит от материала, максимальной магнитной индукции и числа циклов перемагничивания в секунду, т.е. от частоты перемагничивания.

Циклическое перемагничивание можно применить для размагничивания магнитопровода, т.е. для уменьшения остаточной индукции до нулевого значения. С этой целью
магнитопровод подвергают воздействию различных токов намагничивания, изменяющихся по направлению, и постепенно уменьшающегося магнитного поля.

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться: