Физические свойства магнитных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАГНЕТИЗМЕ

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает некоторый магнитным момент М. Магнитный момент единицы объема вещества называют намагниченностью Jм:

Намагниченность является векторной величиной, в изотропных телах она направлена либо параллельно, либо антипараллельно напряженности магнитного поля Н.

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля с соотношением Jм и kмН - магнитная восприимчивость - безразмерная величина, характеризующая способность вещества намагничиваться в магнитном поле. Суммарная магнитная индукция в веществе определяется суммой индукции внешнего В0 и собственного Вi полей:

- относительная магнитная проницаемость, показывающая во сколько раз магнитная индукция В поля в данной среде больше, чем магнитная индукция В0 в вакууме. Проявление магнетизма в веществе обусловлено процессами движения электронов, которые образуют круговые токи, обладающие магнитными моментами. Магнитный момент электрона складывается из орбитального магнитного момента (вследствие движения электрона вокруг ядра) и спинового момента (вследствие вращения электрона вокруг собственной оси).



2. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕЩЕСТВ ПО МАГНИТНЫМ СВОЙСТВАМ

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе подразделяют на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять разных типов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.

1) Диамагнетики.

К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электронов при внесении атома в магнитное поле. Диамагнитный эффект является проявлением закона электромагнитной индукции на атомном уровне.

Электронную орбиту можно рассматривать как замкнутый контур, не обладающий активным сопротивлением.

Под действием внешнего поля в контуре изменяется сила тока и возникает дополнительный магнитный момент. Согласно закону Ленца, этот момент направлен навстречу внешнему полю.

Если плоскость электронной орбиты расположена не перпендикулярно Н, то внешнее магнитное поле вызывает прецессионное движение орбиты вокруг направления Н.

При этом вектор орбитального магнитного момента (Морб) описывает конус. Угловая скорость прецессии определяет значение отрицательного магнитного момента ДМ.



Рисунок 1. - Прецессия электронной орбиты под действием магнитного поля:

Диамагнитный эффект является универсальным, присущим всем веществам. Однако в большинстве случаев он, маскируется более сильными магнитными эффектами. Диамагнетизм электронных оболочек выступает на первый план, когда собственный магнитный момент атомов равен нулю (т. е., спиновые магнитные моменты попарно скомпенсированы).

Диамагнетиками являются инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии. Численное значение магнитной восприимчивости диамагнетиков составляет 10^-6 - 10^-7. Поскольку

диамагнетики намагничиваются против направления поля, для них выполняется неравенство µ1.

Однако относительная магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы (за исключением сверхпроводников). Магнитная восприимчивость диамагнетиков незначительно изменяется с температурой. Это объясняется тем, что диамагнитный эффект обусловлен внутриатомными процессами, на которые тепловое движение частиц не оказывает влияния. Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.

2) Парамагнетики.

К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. В парамагнетиках атомы обладают элементарным магнитным моментом даже в отсутствие внешнего поля, однако из-за теплового движения эти магнитные моменты распределены хаотично так, что намагниченность вещества в целом равна нулю.

Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении. Тепловая энергия противодействует созданию магнитной упорядоченности.

Поэтому парамагнитная восприимчивость зависит от температуры. Для большинства твердых парамагнетиков температурное изменение магнитной восприимчивости подчиняется законуКюри-Вейсса:

Где:

Си и - постоянные величины для данного вещества.

При комнатной температуре магнитная восприимчивость парамагнетиков равна 10^-3 - 10^-6.

Поэтому их магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы. Благодаря положительной намагниченности парамагнетики, помещенные в неоднородное магнитное поле, втягиваются в него. В сильных полях и при низких температурах в парамагнетиках наступает состояние магнитного насыщения, при котором все элементарные магнитные моментыориентируются параллельно Н. К парамагнетикам относят кислород, оксид азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, солижелеза, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. Парамагнитный эффект по физической природе аналогичен дипольно-релаксационной поляризации диэлектриков.

3) Ферромагнетики.

К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 106), которая зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях.

4) Антиферромагнетики.

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанновозникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков характерна небольшая положительная магнитная восприимчивость 10^-3 - 10^-5, которая значительно зависит от температуры. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Температура перехода, при которой исчезает магнитная упорядоченность, получила название точки Нееля (или антиферромагнитной точки Кюри).

Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Се, Nd, Sm, Tmи др.). Типичными антиферро-магнетикамн являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группытипа оксидов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т. п.

5) Ферримагнетики.

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированвым антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые металлические сплавы, но, главным образом - оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.

Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют сильномагнитные материалы.

3. ПРИРОДА ФЕРРОМАГНИТНОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

У ферромагнетиков нарушен порядок заполнения электронных оболочек атомов.

Атомы имеют внутренние незаполненные оболочки и поэтому обладают нескомпенсированным магнитным моментом.

По мнению ученых основную роль в создании спонтанной намагниченности играет обменное взаимодействие недостроенных электронных оболочек, перекрывающихся при образовании твердого тела.

Для двух близкорасположенных атомов энергия обменного взаимодействия определяется выражением:

Где:

А - так называемый обменный интеграл, имеющий размерность энергии;

s1 и s2 - единичные векторы, характеризующие направление спиновых моментов взаимодействующих электронов.

Численное значение и знак обменного интеграла А зависит от расстояния между атомами a.

А диаметром оболочки будет d, содержащей нескомпенсированные спины, если:

- то величина энергии взаимодействия ЭА незначительна и обменные силы не могут противодействовать тепловому движению и вызвать упорядоченное расположение спинов. Такие вещества проявляют свойства парамагнетиков.

При уменьшении расстояния между атомами обменный интеграл возрастает, т. е., обменное взаимодействие усиливается и становится возможной параллельная ориентация спинов, когда:

- характерная для ферромагнетиков.

При дальнейшем сближении атомов:

- обменный интеграл А становится отрицательным.

В таком случае энергетически выгодно антипараллельное расположение спинов:

Т. е., такие вещества должны быть антиферромагнетиками.

При наличии спонтанной намагниченности, результирующий магнитный момент предварительно ненамагниченного ферромагнетика равен нулю.

Это объясняется тем, что весь объем ферромагнетиков самопроизвольно разбивается на локальные области - домены. В пределах домена спины ориентированы параллельно друг другу. Домен находится в состоянии магнитного насыщения.

Направление магнитных доменов внутри образца равновероятно. Характер разбиения образца на домены определяется из условия минимума свободной энергии системы.

Внутри образца образуются замкнутые магнитные цепочки и его результирующий магнитный момент будет равен нулю. Линейные размеры домена 10^-2 - 10^-3 мм.

Переходной слой, разделяющий два домена называют "стенкой Блоха". В пределах такого слоя происходит постепенное изменение ориентации спинов. Толщина "стенок Блоха" может достигать несколько сот межатомных расстояний (например, в железе около 100 нм).

В зависимости от размеров образца, его физических свойств и ряда других причин существуют разные структуры: однодоменные, полосовые, лабиринтные, цилиндрические и др.

На рисунке приведена зависимость энергии обменного взаимодействия от степени перекрытия электронных оболочек соседних атомов, характеризуемой отношением:

Где:

а - расстояние между атомами;

d - диаметр оболочки, содержащей нескомпенсированные спины.

Энергия обменного взаимодействия незначительна, если расстояние между атомами в 3-4 раза превышает диаметр электронной оболочки.

В этом случае обменные силы не могут противодействовать тепловому движению и вызывать упорядоченное расположение спинов.

Соответственно, такие вещества должны проявлять свойства парамагнетиков.

Рисунок 2. - Зависимость энергии обменного взаимодействия от отношения межатомного расстояния а к диаметру d незаполненной электронной оболочки:

4. ПРОЦЕССЫ ПРИ НАМАГНИЧИВАНИИ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ

Магнитная анизотропия.

В монокристаллах ферромагнитных веществ существуют направления легкого и трудного намагничивания.

Число таких направлений определяется симметрией кристаллической решетки. В отсутствие внешнего поля магнитные моменты доменов самопроизвольно ориентируются вдоль одной из осей легкого намагничивания. Отметим, что анизотропия магнитных свойств не связана с обменным взаимодействием.

Обменная энергия не изменяется при одновременном повороте спиновых моментов на любой угол относительно кристаллографических осей. Элементарная ячейка железа представляет собой объемно-центрированный куб. Направление легкого намагничивания совпадает с ребром куба (100) (рисунок 3).



Рисунок 3. - Направления легкого, среднего и трудного намагничивания в монокристаллахтрех основных ферромагнитных элементов: железа, никеля и кобальта:

Следовательно, в монокристалле железа можно выделить шесть эквивалентных направлений легкого намагничивания. Направление пространственной диагонали куба (111) соответствует направлению трудного намагничивания. У никеля, имеющего структуру гранецентрированного куба, диагональ (111), наоборот, является направлением легкого намагничивания (рис. 3, б). Симметрия решетки определяет восемь таких эквивалентных направлений. В то же время кобальт, кристаллизующийся в гексагональной структуре, имеет лишь два направления легкого намагничивания, совпадающих с осью призмы, т. е., магнитные моменты доменов в отсутствие внешнего поля могут быть ориентированы лишь в двух антипараллельных направлениях. Такие ферромагнетики называют материалами с одноосной магнитной анизотропией.

Кривая намагничивания. Зависимость магнитной индукции макрообъема ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля называют кривой намагничивания. Для получения кривых намагничивания в качестве исходного принимают размагниченное состояние образца, при котором в отсутствие внешнего поля индукция равна пулю, поскольку магнитные моменты доменов статистически равновероятно распределяются по всем возможным направлениям легкого намагничивания. На практике размагничивание ферромагнетика чаще всего осуществляют путем воздействия на него переменным магнитным полем, амплитуду напряженности которого постепенно уменьшают до нуля.

Типичная кривая намагничивания поликристаллического ферромагнетика приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. - Зависимость магнитной индукции В и магнитной проницаемости µ ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля:

Возрастание индукции под действием внешнего поля обусловлено двумя основными процессами: смещением доменных границ и поворотом магнитных моментов доменов.

Соответствует обратимое упругое смещение доменных границ. При этом происходит увеличение объема тех доменов, магнитные моменты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля, и, наоборот, уменьшаются размеры доменов с неблагоприятной ориентацией вектора спонтанной намагниченности.

После снятия слабого поля доменные границы возвращаются в прежнее положение, остаточная намагниченность в образце не возникает. В области более сильных полей (область II) смещение доменных границ носит необратимый, скачкообразный характер. Ступенчатый характер процесса намагничивания получил название эффекта Баркгаузена. На участке необратимого смещения доменных границ кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну. По мере дальнейшего увеличения напряженности магнитного поля возрастает роль второго механизма намагничивания - механизма вращения, при котором магнитные моменты доменов из направления легкого намагничивания, образующего небольшой угол с полем постепенно поворачиваются в направлении поля, т. е., в направлении более трудного намагничивания (область III). Когда все магнитные моменты доменов ориентируются вдоль поля, наступает техническое насыщение намагниченности (область IV). Незначительное возрастание индукции на участке насыщения обусловлено слагаемым µ, H и увеличением намагниченности самого домена. Последнее получило название парапроцесса, или истинного намагничивания. Дело в том, что строго параллельное расположение спиновых моментов в домене, вызываемое обменными силами, имеет место лишь при низких температурах, близких к абсолютному нулю.

При повышении температуры за счет тепловой энергии упорядоченность в расположении спинов несколько нарушается. Однако внешнее поле подавляет дезориентирующее влияние теплового движения и возвращает «неправильно» ориентированные спины к параллельной ориентации. Этим достигается эффект приращения намагниченности. Роль парапроцесса возрастает с повышением температуры.

В отличие от истинного намагничивания, возрастание индукции за счет процессов смещения доменных границ и вращения магнитных моментов часто называют техническим намагничиванием ферромагнетика.

Магнитный гистерезис.

Если ферромагнетик намагнитить до насыщения Вs, а затем отключить внешнее поле, то индукция в нуль не обратится, а примет некоторое значение В r, называемое остаточной индукцией.



Рисунок 5. - Петли гистерезиса:

Петли гистерезиса при разных значениях амплитуды переменного магнитного поля и основная кривая намагничивания ферромагнетика. Чтобы убрать остаточную индукцию, необходимо приложить магнитное поле противоположного направления. Напряженность размагничивающего поля - Н с, при которой индукция в ферромагнетике, предварительно намагниченном до насыщения, обращается в нуль, называют коэрцитивной силой. Увеличение напряженности поля до значений, больших - Н, с, вызывает перемагничивание ферромагнетика вплоть до насыщения (Вs). Изменение магнитного состояния ферромагнетика при его циклическом перемагничивании характеризуется явлением гистерезиса, т. е., отставание индукции от напряженности ноля. Магнитный гистерезис обусловлен необратимыми процессами намагничивания. Для разных амплитудных значений напряженности внешнего поля можно получить семейство петель гистерезиса. Петлю гистерезиса, полученную при индукции насыщения, называют предельной. При дальнейшем возрастании поля площадь гистерезисной петли остается неизменной. Совокупность вершин петель гистерезиса образует основную кривую намагничивания ферромагнетика. Из кривой намагничивания ферромагнетика легко построить зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля. Магнитную проницаемость, определяемую по формуле:



- называют статической магнитной проницаемостью. Она пропорциональна тангенсу угла наклона секущей, проведенной из начала координат через соответствующую точку на основной кривой намагничивания.

Восходящий участок этой кривой обусловлен значительными изменениями намагниченности при небольшом увеличении Н за счет необратимых процессов технического намагничивания ферромагнетика. Дальнейшее уменьшение µ в области сильных магнитных полей объясняют техническим насыщением намагниченности.

Предельное значение магнитной проницаемости при напряженности магнитного поля, стремящейся к нулю, называют начальной магнитной проницаемостью.

Эта характеристика имеет значение при техническом использовании многих магнитных материалов.

Экспериментально ее определяют в слабых полях с напряженностью порядка 0,1 А/м.

В области обратимого намагничивания ферромагнетика для магнитной проницаемости выполняется эмпирическая формула Релея:

Где:

в - постоянная, зависящая от природы материала.

Крутизну отдельных участков кривой намагничивания и ветвей петли гистерезиса характеризуют дифференциальной магнитной проницаемостью:



В одном и том же образце максимальное значение дифференциальной проницаемости всегда превышает максимальное значение статической проницаемости.

Магнитострикция.

Изменение магнитного состояния ферромагнитного образца сопровождается изменением его линейных размеров и формы, это явление называют магнитострикцией. Различают линейную и спонтанную магнитострикцию. Спонтанная магнитострикция возникает при переходе вещества из парамагнитного в ферромагнитное состояние в процессе охлаждения до температуры ниже точки Кюри.

Линейная (индуцированная) магнитострикция связана с искажениями кристаллической решетки под действием внешнего поля. Линейную магнитострикцию оценивают значением относительной деформации образца в направлении магнитного поля:

Численное значение коэффициента магнитострикции зависит от типа структуры, кристаллографического направления, напряженности магнитного поля и температуры. При этом линейная магнитострикция может быть как положительной, так и отрицательной, т. е., размеры образца в направлении поля при намагничивании могут, как увеличиваться, так и уменьшаться.

Изменение размеров ферромагнетика при намагничивании сопровождается появлением в нем внутренних напряжений и деформаций, которые препятствуют смещению доменных границ. Таким образом, магнитострикция, как и кристаллографическая анизотропия, затрудняет процесс намагничивания ферромагнетика в слабых полях. Поэтому высокой магнитной проницаемостью обладают те магнитные материалы, у которых малы константы анизотропии и магнитострикции.



5. ПОВЕДЕНИЕ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ В ПЕРЕМЕННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

Перемагничивание ферромагнетиков в переменных полях сопровождается потерями энергии, вызывающими нагрев материала. В общем случае потери на перемагничивание складываются из потерь на гистерезис, на вихревые токи и последействие.

Вкладом потерь на последействие в разогрев ферромагнетика обычно можно пренебречь.

Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания, отнесенные к единице объема вещества, определяются площадью статической петли гистерезиса полученной при медленном изменении магнитного потока:

Для вычисления потерь можно использовать эмпирическую формулу:

Где:

Bm - максимальная индукция достигаемая в данном цикле;

n = 1.6^-2 - в зависимости от Вm.

Потери на гистерезис обусловлены необратимыми процессами перемагничивания.

Для практических целей более важна активная мощность, выделяющаяся в ферромагнетике при его перемагничивании.

Мощность, обусловленная потерями на гистерезис, определяется как:



Где:

V - объем образца;

f - частота перемагничивания.

В слабых полях и на высоких частотах динамическая петля гистерезиса вследствие отставания индукции от напряженности поля имеет форму эллипса. Угол отставания называют углом магнитных потерь. Тангенс угла магнитных потерь можно определить из эквивалентной схемы:

Где:

L - индуктивность катушки с сердечником из ферромагнетика;

r - сопротивление, эквивалентное всем видам потерь на перемагничивание.

С учетом этого активная мощность потерь рассчитывается по формуле:

Величину, обратную tg, называют добротностью сердечника:

Вихревые токи возникают в проводящей среде за счет э. д. с. самоиндукции.

Динамическая петля гистерезиса шире статистической поскольку к потерям на гистерезис добавляются потери на вихревые токи, которые увеличиваются пропорционально частоте.

Мощность, обусловленная потерями на вихревые токи, определяется эмпирической формулой:



Для уменьшения потерь на вихревые токи необходимо использовать магнитный материал с повышенным удельным сопротивлением, либо собирать сердечник из тонких листов, изолированных друг от друга. Удельная мощность, расходуемая на вихревые токи, связана с толщиной листа h соотношением:

Где:

у - удельная проводимость;

d - плотность материала.

Вихревые токи оказывают размагничивающее действие на сердечник - уменьшается индукция и эффективная магнитная проницательность. Переменный магнитный поток неравномерно распределен по сечению магнитопровода.

Изменение величины магнитной индукции по сечению сердечника вдоль нормали z к его поверхности описывается уравнением:

Где:

Вm0 - магнитная индукция на поверхности сердечника.

- глубина проникновения поля в вещество.

Магнитная индукция имеет наименьшее значение в центральных частях сечения.

Явление затухания электромагнитной волны при ее распространении в проводящей среде используется при создании электромагнитных экранов. Для эффективной защиты толщина стенок экрана должна превышать глубину проникновения ? электрического поля в вещество.

Потери на магнитное последействие обусловлены отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Время установления стабильного магнитного состояния от долей миллисекунды до нескольких минут и существенно возрастает с понижением температуры. Физическая природа потерь на магнитное последействие во многом аналогична релаксационной поляризации диэлектриков.

6. ОСОБЕННОСТИ ФЕРРИМАГНЕТИКОВ

Ферримагнетики получили свое название от ферритов, под которыми понимают химические соединения оксида железа Fе2О3 с оксидами других металлов. В настоящее время используют сотни разных марок ферритов, отличающихся по химическому составу, кристаллической структуре, магнитным, электрическим и другим свойствам. От парамагнетиков ферриты отличаются нелинейными магнитными свойствами и высокой магнитной восприимчивостью, являющимися следствием их доменного строения, а по сравнению с ферромагнетиками ферриты имеют существенно меньшую индукцию насыщения.

Теоретическое объяснение особенностей магнитных свойств ферритов впервые было дано Л. Неелем. В соответствии с предложенной им теорией ферримагнетизма, в оксидных магнетиках решающую роль играет косвенное обменное взаимодействие, осуществляемое при участии кислородных ионов. Механизм косвенного обменного взаимодействия поясняет рисунок, а. Внешняя 2р-оболочка кислородного аниона О2 - полностью заполнена электронами, причем спиновые моменты попарно скомпенсированы. В то же время незаполненные 3d-оболочки катионов никеля и железа имеют соответственно два или пять нескомпенсированных спинов. Предполагается, что в кристаллической решетке оксидного магнетика диамагнитный ион кислорода может возбуждаться и отдавать один из своих валентных электронов катиону, например, катиону никеля.

Принцип Паули требует, чтобы спин переходящего электрона был антипараллелен магнитному моменту катиона.

Отдавая электрон, кислородный анион приобретает магнитный момент и участвует в обменном взаимодействии с другим соседним катионом, в данном случае - с катионом железа.

Благодаря сильному перекрытию электронных оболочек это обменное взаимодействие носит антиферромагнитный характер. Конечным результатом такого сложного электронного процесса является ориентация магнитных моментов взаимодействующих катионов.

Рисунок 5. - Схема косвенного обменного взаимодействия в феррите никеля:

Где:

а - расположение спинов в наружных оболочках взаимодействующих ионов; магнитный индукция атом

б - перекрытие электронных оболочек ионов.

Энергия косвенного обменного взаимодействия зависит от расстояния между ионами и их пространственной координации. Обменное взаимодействие максимально, если три взаимодействующих иона находятся на одной прямой (рисунок 5, б).

Наоборот, обменное взаимодействие будет наиболее слабым, если ионы находятся в прямоугольной координации друг к другу.

Такой эффект объясняют направленностью в распределении пространственной плотности электронного заряда ионов кислорода, имеющей вид вытянутых р-орбиталей (т. е., гантелевидную форму).

Размещено на Allbest.ru

...