Общие сведения о ферромагнетиках
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Материалы помещенные в магнитное поле намагничиваются. Намагничивание связано с наличием у атомов (ионов) собственного магнитного поля, которое и определяет степень намагниченности материала. Магнитный момент атома является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов. При наложении внешнего магнитного поля векторы ориентируются вдоль поля. Орбитальный момент при этом уменьшается, так как в атоме индуцируется добавочный момент, направленный против поля, – диамагнитный эффект. Наличие нескомпенсированных спиной электронов, наоборот, усиливает намагниченность атома – парамагнитный эффект. В твердых телах атомы сближены настолько, что происходит перекрытие энергетических зон электронов; атомы обмениваются электронами и в результате преобладает тот или иной эффект.

Диамагнетиками называют кристаллы, в которых преобладает диамагнитный эффект. Это металлы Cu , Ag , Au , Be , Zn, полупроводники Ge , и Si, сверхпроводники. Они слабо намагничиваются в направлении , противоположном направлению магнитного поля.

Парамагнетиками называют кристаллы, в которых преобладает парамагнитный эффект. Это Pt , Al , Mg , Ti , Zr и тугоплавкие металлы. Они намагничиваются также слабо, но в направлении намагничивающего поля.

Особую группу составляют ферромагнетики, обладающие большим собственным магнитным полем и способные создавать при намагничивании большие магнитные поля (рис. 9.1). Ими являются металлы Fe, Ni, Co, многие редкоземельные металлы, а также химические соединения в сплавах. Ферромагнетизм – результат обменного взаимодействия электронов недостроенных подуровней соседних атомов, перекрывающихся при образовании кристаллов. При этом электрон атома может временно находиться вблизи ядра соседнего атома. Такое взаимодействие приводит к изменению энергетического состояния, и его оценивают обменной энергией. При положительном значении этой энергии более выгодным у атомов кристалла становится параллельная ориентация спиновых магнитных моментов; при отрицательном – антипараллельная (рис. 9.2). Значение и знак обменной энергии зависят от отношения периода кристаллической решетки а к диаметру d незаполненного электронного подуровня. Согласно квантовой теории все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов.

Домен – это область кристалла размером 10-4 – 10-6 м (рис. 9.3), где магнитные моменты атомов ориентированы параллельно определенному кристаллографическому направлению. При отсутствии внешнего магнитного поля каждый домен спонтанно (самопроизвольно) намагничесн до насыщения, но магнитные моменты отдельных доменов направлены различно и полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю. Между доменами имеются переходные слои (доменные стенки) шириной (10-7 – 10-8 м (рис. 9.4).

В антиферромагнетиках магнитные моменты атомов ориентируются антипараллельно, и результирующий момент равен нулю (см. рис. 9.1). Если же эти магнитные моменты не скомпенсированя, то возникает результирующий магнитный момент, и такой материал называется ферримагнетиком.

Намагниченность монокристалла ферромагнетика анизотропно (рис. 9.5). Кристалл железа в направлении ребра куба <100> намагничивается до насыщения Ms при значительноменьшей напряженности поля Hs '' по сравнению c Hs '' при намагничивании в направлении диагонали куба <111> или в других кристаллографических направлениях. Следовательно, в монокристалле железа имеется шесть направлений легкого намагничивания, развернутые между собой на 90 или 180º, по которым и ориентируются векторы намагничеснности доменов (см. рис. 9.3).

Удельная энергия, которую необходимо затратить на перемагничивание из направления легкого намагничивания в направление трудного намагничивания (заштрихованная зона на рис. 9.5), называется константой кристаллографической магнитной анизотропии К. Например, для железа при 20ºС К = 4,2 104 Дж/м3. В поликристаллических материалах эффекты анизотропии усредняются, поэтому магнитная анизотропия не обнаруживается. Однако прокаткой можно создать кристаллографическую анизотропию, которая облегчит намагничивание.

Магнитная индукция – плотность магнитного потока – определяется как сумма внешнего H и внутреннего M магнитных полей:

B = 0(H + M),                      (9.1)

где – магнитная проницаемость, равная 4 10-7 Гн/м.

Интенсивность роста индукции при увеличении напряженности намагничивающего поля характеризует магнитная проницаемость . Она определяется как тангенс угла наклона касательной к первичной кривой намагничивания В = f (Н) (рис. 9.6).

При этом различают начальную магнитную проницаемость н при Н  и максимальную max.

Кроме абсолютной магнитной проницаемости 1, единица измерения которой Гн/м, используют безразмерную относительную магнитную проницаемость ' = / 0.

Процессы намагничивания полностью необратимы. Если магнитное поле, доведенное до +Н s , уменьшать до нуля (см. рис. 9.6), то индукция сохранит определенное значение Br, остаточной индукцией. Намагичивание поликристалла полем обратного знака уменьшает индукцию B, и при напряженности поля Нс индукция ппадает до нуля. Напряженность магнитного поля, равная Нс, называется коэрцитивной силой. При перемагничивании от +Н s до Н s и обратнокривые не совпадают. Площадь, ограниченная этими кривыми, определяет потери на гистерезис или перемагничивание.

Кривая намагничивания и форма петли гистерезиса – важнейшие характеристики ферромагнетика, так как они определяют основные его константы, а следовательно, и области применения.

При перемагничивании изменяется доменная структура поликристалла ферромагнетика (рис 9.7). при слабых полях наблюдается смещение границ доменов, в результате чего происходит увеличение тех доменов, векторы намагниченности которых составляют с направлением поля H меньший угол. Эти домены находятся в энергетически выгодном положении и при увеличении напряженности поля продолжают расти что сопровождается переориентацией моментов атомов (см. рис. 9.7). на начальном этапе (участок ОА) процесс обратим. Затем он приобретает необратимый характер и сопровождается интенсивным ростом индукции (участок АВ). Процесс смещения доменных стенок продолжается до тех пор, пока не исчезнут домены, ориентированные невыгодно по отношению к полю. Доменная структура исчезает, каждый кристалл становится однодоменным. Дальнейший процесс намагничивания (участок ВС) состоит в том, что векторы намагниченности кристаллов вращаются до полного совпадения с направлением внешнего поля. Полная ориентация векторов намагниченности вдоль поля соответствует индукции насыщения Bs.

Процесс вращения векторов намагнисенности кристаллов полностью обратим. Энергия, затрачиваемая на вращение вектора намагниченности, определяется константой анизотропии K. Процесс намагничивания на этой стадии происходит тем легче, чем меньше константа магнитной анизотропии.

Намагничивание в полях напряженностью меньше Н s называют техническим намагничиванием, а в полях с большей напряженностью – истинным намагничиванием, или парапроцессом. В последнем случае оставшиеся непараллельные магнитные моменты атомов ориентируются параллельно направлению поля.

В действительности строгую ориентацию всех моментов атомов можно было бы наблюдать при абсолютном нуле. При всех других температурах из-за теплового движения моменты приобретают не строго параллельную ориентацию, что ведет к уменьшению намагниченности. По мере повышения температуры дезориентация увеличивается, и при температуре точки Кюри  намагниченность вообще исчезает.

На процесс намагничивания кроме магнитной анизотропии существенно влияют и магнитострикционные явления, которые могут как облегчать, так и тормозить намагничивание. При техническом намагничивании размер домена l в направлении магнитного поля изменяется на величину = l / l, называемую коэффициентом линейной магнитострикции. Значение и знак этого коэффициента зависят от природы ферромагнетика, кристаллографического направления и степени намагниченности.

При намагничивании в полях Н > Н s увеличивается и объем кристалла. Относительное изменение объема называют коэффициентом объемной магитострикции парапроцесса  Обычно этот коэффициент мал, но у некоторых сплавов, называемых инварами, его значения достаточно велики.

При разработке магнитных материалов с заданными свойствами следует учитывать, что магнитные характеристики Ms, Bs, , K и  зависят только от химического состава ферромагнетика, а характеристики , Нс, Br, Н s зависят также и от вида термической обработки, так как являются структурно чувствительными.

Легко намагничиваются (малое значение Н s) химически чистые ферромагнитные металлы и однофазные сплавы на их основе. Количество кристаллических дефектов в них должно быть минимальным, например, границы кристаллов должны иметь минимальную протяженность, что обеспечивается крупнокристаллической структурой.

Если размер кристаллов ферромагнетика приближается к размерам доменов, то при намагничивании и размагничивании возможен только процесс вращения векторов намагничивания, что сопровождается небольшими изменениями намагниченности M и индукции B. Петля гистерезиса принимает прямоуголную форму.

Для намагничивания нежелательны дислокации и остаточные напряжения, для устранения которых в конце технологического процесса при меняют термическую обработку – отжиг. Особенно вредны примеси, образующие в кристаллической решетке основного ферромагнетика примесные дефекты или собственные мелкодисперсные фазы. В обоих случаях смещение доменной стенки и вращение векторов намагничивания затрудняются.

Намагничивание ферромагнетика идет тем легче, чем меньше K и . Уменьшить их влияние можно путем изменения химического состава ферромагнетика.

Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы намагничиваются в слабых магнитных полях (Н  5  103 А/м) вследствие большой магнитной проницаемости (  70  103 и max  240  103) и малых потерь на перемагничивание.

Такие материалы применяют для изготовления сердечников катушек, электромагнитов, трансформаторов, динамомашин.

При перемагничивании ферромагнетиков в магнитном поле возникает несколько видов энергетических потерь. Потери на гистерезис или перемагничивание для магнитомягких материалов невелики, в отличие от тепловых удельных потерь, связанных с возникновением токов Фуко.

При заданной напряженности магнитного поля Н тепловые потери растут пропорционально квадратам амплитуды магнитной индукции Bm, частоты магнитного поля f, толщины сердечника d и обратно пропорционально удельному электрическому сопротивлению .

В переменных полях появляется еще один вид потерь, как результат сдвига по фазе индукции B и напряженности поля Н. в таком поле магнитная проницаемость выражается комплесным числом

 = 1 + 2.                                                                                 (9.2)

Потери энергии характеризует tg δ = 2/ 1. С ростом частоты поля 1 снижантся интенсивнее, чем растет 2.

Тепловые потери и значение tg δ определяют допустимые рабочие частоты, поэтому магнитомягкие материалы подразделяют на низко- и высокочастотные.

Дата: 2019-02-18, просмотров: 2135.