Намагнічення і магнітні матеріали
Наявність у речовини магнітних властивостей проявляється в зміні параметрів магнітного поля в порівнянні з полем в немагнітному просторі. Відбуваються фізичні процеси в мікроскопічному поданні пов'язують з виникненням в матеріалі під впливом магнітного поля магнітних моментів мікрострумів. об'ємна щільність яких називається вектором намагніченості.
Виникнення намагніченості в речовині при приміщенні його в магнітне поле пояснюється процесом поступової переважної орієнтації магнітних моментів циркулюючих в ньому мікрострумів в напрямку поля. Переважний внесок у створення мікрострумів в речовині вносить рух електронів. спіновий і орбітальний рух пов'язаних з атомами електронів, спінові і вільний рух електронів провідності.
За магнітними властивостями всі матеріали поділяються на парамагнетики. Діамагнетик. ферромагнетики. антиферомагнетики і ферити. Належність матеріалу до того чи іншого класу визначається характером відгуку магнітних моментів електронів на магнітне поле в умовах сильних взаємодій електронів між собою в багатоелектронних атомах і кристалічних структурах.
Діамагнетик і парамагнетики відносяться до матеріалів зі слабкими магнітними властивостями. Значно більш сильний ефект намагнічування спостерігається у феромагнетиків.
Магнітна сприйнятливість (відношення абсолютних значень векторів намагніченості і напруженості поля) у таких матеріалів позитивна і може досягати декількох десятків тисяч. У феромагнетиків утворюються області мимовільної спонтанної односпрямованої намагніченості - домени.
Феромагнетизм спостерігається у кристалів перехідних металів: заліза, кобальту, нікелю і у ряду сплавів.
При накладенні зовнішнього магнітного поля зі зростаючою напруженістю вектори спонтанної намагніченості, спочатку орієнтовані в різних доменах по-різному, поступово шикуються в одному напрямку. Цей процес називається технічним намагнічуванням. Він характеризується кривою початкового намагнічування - залежністю індукції або намагніченості від напруженості результуючого магнітного поля в матеріалі.
При відносно невеликій напруженості поля (ділянка I) відбувається швидке зростання намагніченості переважно через збільшення розмірів доменів, що мають орієнтацію намагніченості в позитивній півсфері напрямків векторів напруженості поля. Одночасно пропорційно скорочуються розміри доменів в негативній півсфері. У меншій мірі змінюються розміри тих доменів, намагніченість яких орієнтована ближче до площини, ортогональної вектору напруженості.
При подальшому збільшенні напруженості переважають процеси повороту векторів намагніченості доменів по полю (ділянка II) до досягнення технічного насичення (точка S). Подальшому зростанню результуючої намагніченості і досягненню однаковою орієнтації всіх доменів по полю перешкоджає тепловий рух електронів. Область III близька за характером процесів до парамагнетикам, де збільшення намагніченості відбувається через орієнтацію небагатьох спінових магнітних моментів, дезорієнтованих тепловим рухом. Зі збільшенням температури дезорієнтуюча тепловий рух посилюється і намагніченість речовини зменшується.
Для конкретного феромагнітного матеріалу існує певна температура, при якій феромагнітна впорядкування доменної структури і намагніченості зникають. Матеріал стає парамагнітним. Ця температура називається точки Кюрі. Для заліза точка Кюрі відповідає 790 ° С для нікелю - 340 ° С, для кобальту - 1150 ° С.
Зниження температури нижче точки Кюрі знову повертає матеріалу магнітні властивості: доменну структуру з нульовою результуючої намагниченностью, якщо при цьому не було зовнішнє магнітне поле. Тому розігрів виробів з феромагнітних матеріалів вище точки Кюрі використовують для їх повного розмагнічування.
Крива початкового намагнічування
Процеси намагнічування феромагнітних матеріалів підрозділяються на оборотні та необоротні по відношенню до зміни магнітного поля. Якщо після зняття обурення зовнішнього поля намагніченість матеріалу повертається в початковий стан, то такий процес оборотний, в іншому випадку - незворотний.
Зворотні зміни спостерігаються на малому початковому відрізку ділянки I кривої намагнічування (зона Релея) при малих зсувах доменних стінок і на ділянках II, III при повороті векторів намагніченості в доменах. Основна частина ділянки I відноситься до незворотного процесу перемагнічування, який в основному визначає гістерезисна властивості феромагнітних матеріалів (відставання змін намагніченості від змін магнітного поля).
Петлею гистерезиса називають криві, що відображають зміну намагніченості феромагнетика під впливом циклічно змінюється зовнішнього магнітного поля.
При випробуваннях магнітних матеріалів петлі гистерезиса будуються для функцій параметрів магнітного поля В (Н) або М (Н), які мають сенс результуючих параметрів всередині матеріалу в проекції на зафіксоване напрямок. Якщо матеріал попередньо був повністю розмагнічений, то поступове збільшення напруженості магнітного поля від нуля до Hs дає безліч точок початкової кривої намагнічування (ділянка 0-1).
Точка 1 - точка технічного насичення (ВS, Hs). Подальше зниження напруженості Н всередині матеріалу до нуля (ділянка 1-2) дозволяє визначити граничне (максимальне) значення залишкової намагніченості Br і подальшим зменшенням негативного напруженості поля домогтися повного розмагнічування B = 0 (ділянка 2-3) у точці Н = -НсВ - максимальної коерцитивної сили по намагніченості.
Далі матеріал перемагнічується в негативному напрямку до насичення (ділянка 3-4) при Н = - Hs. Зміна напруженості поля в позитивну сторону замикає граничний гістерезисний цикл по кривій 4-5-6-1.
Безліч станів матеріалу всередині граничного гістерезисного циклу може бути досягнуте при зміні напруженості магнітного поля. відповідному приватним симетричним і несиметричним гістерезисних циклам.
Магнітний гістерезис: 1 - крива початкового намагнічування; 2 - граничний гістерезисний цикл; 3 - крива основного намагнічування; 4 - симетричні приватні цикли; 5 - несиметричні приватні цикли
Приватні симетричні гістерезисна цикли спираються вершинами на криву основного намагнічування. яка і визначається як безліч точок вершин цих циклів до збігу з граничним циклом.
Приватні несиметричні гістерезисна цикли утворюються, якщо початкова точка не перебуває на кривій основного намагнічування при симетричному зміні напруженості поля, а також при несиметричному зміні напруженості поля в позитивному або негативному напрямі.
Магнитомягкие матеріали використовуються в магнітних системах як магнітопроводи. Ці матеріали мають малу коерцитивної силу, високу магнітну проникність і індукцію насичення.
Магнітотверді матеріали мають велику коерцитивної силу і в попередньо намагніченому стані використовуються як постійні магніти - первинні джерела магнітного поля.
Існують матеріали, які за магнітними властивостями відносяться до антиферомагнетики. У них виявляється енергетично більш вигідним антипаралельними розташування спінів сусідніх атомів. Створено антиферомагнетики, що володіють значним власним магнітним моментом через асиметрію кристалічної решітки. Такі матеріали називаються феримагнетика (ферритами). На відміну від металевих феромагнітних матеріалів, ферити - напівпровідники і в них значно менші втрати енергії на вихрові струми в змінних магнітних полях.
Криві намагнічування різних феромагнітних матеріалів