Основные свойства и параметры магнитных материалов

Согласно квантовой теории, все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов. Домен - макроскопическая область кристалла размером в единицы или десятки микрометров, где магнитные моменты атомов ориентированы параллельно определенному кристаллографическому направлению. Магнитный момент домена примерно в 10¹⁵ раз больше магнитного момента отдельного атома, поэтому каждый домен находится в состоянии технического насыщения при отсутствии внешнего магнитного поля. Магнитные моменты отдельных доменов направлены различно и хаотично, внутри образца образуются замкнутые магнитные цепочки и полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю (ферромагнетик в целом не намагничен).

На рисунке 47 показана энергетическая выгодная доменная структура ферромагнетика с замкнутым магнитным полем. Деление образца на домены ограничивается энергией, затрачиваемой на образование границ между доменами.

 

Между доменами имеются переходные слои (доменные стенки) шириной в десятые – сотые доли микрометра, внутри которых спиновые магнитные моменты постепенно поворачиваются (рисунок 48).

Намагниченность монокристалла ферромагнетика анизотропна. Направлением легко намагничивания в монокристалле железа являются кристаллографические направления ребер куба [100], [010], [001], по которым и ориентируются векторы намагниченности доменов (рисунок 47). В поликристаллических материалах эффекты анизотропии усредняются, поэтому магнитная анизотропия в них не проявляется. Однако прокаткой можно создать кристаллографическую анизотропию, которая облегчит намагничивание в направлении проката. Это свойство используют в текстурованных магнитных материалах.

Если поместить ферромагнетик во внешнее магнитное поле, он намагничивается. Его намагниченность J связанна с напряженностью поля H зависимостью J = æ_м*H, где æ_м - магнитная восприимчивость, величина, характеризующая связь намагниченности вещества с магнитными полем в этом веществе. Магнитная индукция Bопределяется как сумма внешнего H и внутреннего J магнитных полей:

B = m₀×(H+J) = m₀×(H+ æ_м×H) = m₀×m H, (4)

где: m₀ - магнитная постоянная, равная 4×p×10^-7 ,Гн/м; m = 1 + æ_м - магнитная проницаемость (относительная магнитная проницаемость), характеризующая реакцию ферромагнетика на воздействие внешнего магнитного поля.

Из выражения (4) относительную магнитную проницаемость можно определить формулой m = B/m₀×H. Ее определяют также как тангенс угла наклона касательной к кривой намагничивания B = f(H) (рисунок 49).

При индукции B, выраженной в теслах (Тл), напряженности H и намагниченности J - в (А/м), относительная магнитная проницаемость m и магнитная восприимчивость æ_м - безразмерные величины. При этом различают начальную магнитную проницаемостьm_нач при Н≈0, и максимальную µ_max (рисунок 49). Магнитная проницаемость µ зависит от температуры, и при температуре Кюри имеет максимум.

Зависимость магнитной индукции В от напряженности внешнего магнитного поля Н характеризует кривая намагничивания (рисунок 49). Ход этой зависимости существенно зависит от внешних условий и предшествующего магнитного

состояния, и поэтому эта зависимость трудно воспроизводима.

На практике для определения параметров магнитных материалов используют основную кривую намагничивания - геометрическое место вершин симметричных петель перемагничивания, которая отвечает требованию хорошей воспроизводимости.

Ферромагнитная доменная структура устойчива, когда полная свободная энергия минимальна. Минимум энергии соответствует случаю, когда магнитный поток замкнут внутри материала, то есть отсутствуют поля рассеивания (нет магнитных полюсов). Поэтому однодоменная состояние ферромагнетика с энергетической точки зрения является невыгодным, так как образуются магнитные полюса и, соответственно, внешнее поле рассеяния. Общая энергия будет минимальна, когда ферромагнетик состоит из нескольких доменов, магнитные потоки которых замыкаются внутри тела, а внешнее поле отсутствует. Деление образца на домены ограничивается энергией, затрачиваемой на образование границ между доменами.

Основную кривую намагничивания и зависимость µ = µ(Н) можно разделить на четыре области, отличающиеся процессами, происходящими при намагничивании, и связанными с изменением напряженности намагничивающего поля (рисунок 49).

В области слабых полей (область 1) магнитная проницаемость и восприимчивость не изменяются. Изменение магнитной индукции В происходит в этой области в основном за счет обратимых процессов, обусловленных смещением доменных границ (рисунок 50)

В области 2 происходят неупругие, необратимые смещения границ доменов, имеет место наибольшее приращение индукции и наибольшее значение проницаемости µ_max. Таким образом, в областях 1, 2 имеют место при намагничивании процессы, связанные со смещением границ доменов и ростом их объема в направлении осей легкого намагничивания кристалла (рисунок 50,б). Векторы намагниченности внешнего поля Н и намагниченности домена J не совпадают. Смещение границ доменов и намагничивание затруднено наличием дефектов структуры ферромагнетика (атомы примесей, вакансии в узлах решетки, дислокаций и другие) и приводит к необратимости процесса намагничивания.

В области 3, характеризующей приближение индукции к насыщению, приращение индукции обуславливается в основном процессами вращения (поворота) вектора намагниченности Jи техническому насыщению, при котором векторы самопроизвольной намагниченности доменов ориентируются параллельно намагничивающему полю Н, магнитная индукция приближается к максимальному значению В_s, а проницаемость µ приближается к единице.

В области 4 значение индукции В практически не зависит от внешнего поля Н, наблюдается малое приращение ее за счет ориентации спиновых моментов отдельных электронов, направление которых не совпадают с направлением внешнего поля из-за дезориентирующего влияния теплового движения. Полную ориентацию всех моментов атомов можно было бы наблюдать только при абсолютном нуле градусов. В этой области имеет место парапроцесс. Процесс намагничивания считают практически законченным при достижении технического насыщения и индукции В_s, значения которой и указывают в справочной литературе.

Магнитный гистерезис. При намагничивании ферромагнетика во внешнем, непрерывно увеличивающемся, магнитном поле индукция возрастает и достигает значения индукции насыщения В_s. Если после этого уменьшать напряженность внешнего магнитного поля Н, то намагниченность будет уменьшаться. Но новому, уменьшенному значению Н будет соответствовать другое, большее значение индукции, чем при начальном намагничивании. Поэтому зависимость В = f(Н) при последовательном циклическом увеличении, а затем уменьшении напряженности внешнего поля не совпадают вследствие магнитного гистерезиса.

Магнитный гистерезис – отставание намагниченности ферромагнитного вещества от внешнего магнитного поля, что приводит к несовпадению кривых, отражающих зависимость В = f(Н) при увеличении и уменьшении внешнего магнитного поля (рисунок 51)

График зависимости В (Н) при циклическом намагничивании называют петлей гистерезиса, которая отражает не полную обратимость процесса намагничивания. Если уменьшать магнитное поле от значений индукции технического насыщения В_s до нуля (рисунок 51), то индукция при Н=0 окажется равной В_r, и называется остаточной индукцией. При изменении направления поля на противоположное и его увеличении индукция уменьшается и при напряженности (-Н_с) становится равной нулю. Напряженность магнитного поля, равная Н_с, называется коэрцитивной силой, и наряду с В_s, В_r относится к основным характеристикам магнитных материалов, определяемым по петле гистерезиса. Значение В_s для ферромагнетиков принято определять при напряженности магнитного поля Н = 5*Н_с. Таким образом, при перемагничивании от напряженности поля +Н_s до - Н_s и обратно от - Н_s до +Н_s кривые В (Н) не совпадают. Площадь, ограниченная этими кривыми, определяет потери на гистерезис (потери на перемагничивание – что одно и то же). Основная кривая намагничивания и форма петли гистерезиса также относятся к важнейшим характеристика магнитных материалов, так как по ним определяются его основные параметры.

Отметим, что параметры µ, Н_с, В_r, Н_s зависят от химического состава ферромагнетика и вида термической обработки его, индукция технического насыщения В_s и намагниченность J_s – только от химического состава. Легко намагничиваются химически чистые ферромагнетики и однофазные сплавы на их основе. Дефекты кристаллического строения затрудняют намагничивание. Если размер кристаллов ферромагнетика близок к размеру доменов, то при намагничивании и размагничивании возможен только процесс вращения векторов намагничивания, а потому и небольшие изменения намагниченности J_s и индукции В_s. Петля гистерезиса принимает при этом прямоугольную форму. Прямоугольную петлю гистерезиса получают при изготовлении и применении магнитных материалов на основе металлических порошков с определенными размерами частиц.

Магнитная вязкость (процесс последействия) – отставание во времени изменения магнитных характеристик ферромагнетиков от изменения напряженности внешнего магнитного поля. Из-за нее намагниченность образца устанавливается после изменения напряженности внешнего магнитного поля через время от десяти секунд до десятков минут и более. Причины магнитной вязкости – наличие в материале вихревых микротоков, диффузия атомов примесей, задерживающих смещение границ доменов, диффузия электронов в ферритах и другие.

При намагничивании магнитных материалов они могут изменять свои размеры и форму. Это явление называется магнитострикция. Материалы, обладающие магнитострикцией, находят применение, например, при преобразовании электрических ультразвуковых колебаний в механические.

Потери в магнитных материалах. Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с рассеянием энергии магнитного поля, что проявляется в нагревании материала. Потери в магнитном материале характеризуют удельными магнитными потерями P_уд (потерями, отнесенными к единице массы материала) или для материалов, работающих на высоких частотах – тангенсом угла магнитных потерь tgδ_М.

Удельные потери складываются из потерь на гистерезис (перемагничивание) Р_г, вихревые токи Р_f и на магнитное последствие Р_мпд: Р_уд = Р_г + Р_f + Рмпд. Сумму двух последних слагаемых называют динамическими потерями.

Потери на гистерезис зависят от индукции и частоты, и определяются эмпирическим выражением , где К – коэффициент, зависящий от материала; В_m – максимальная индукция, достигаемая в цикле, Тл; n = 1,6…2 – показатель степени, значение которого зависит от В_s; f – частота, Гц; V – объем или масса образца. Измеряют потери в (Вт/кг), они пропорциональны площади петли гистерезиса.

Потери на вихревые токи определяются электрическими токами, которые индуцируются в магнитном материале внешним магнитным полем, и зависят от удельного электрического сопротивления материала ρ. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты магнитного поля, поэтому они очень быстро растут с повышением частоты. Из-за этого применение магнитных материалов с малыми ρ на повышенных и высоких частотах ограничено. Потери на вихревые токи определяют выражением , где К₁ – коэффициент, зависящий от магнитного материала и формы сердечника магнитопровода.

Потери на магнитное последствие Р_мпд проявляются в очень слабых магнитных полях, и их при техническом использовании магнитных материалов обычно не выделяют в отдельную составляющую, а рассматривают в составе динамических потерь.

Для работы в переменных магнитных полях используют материалы, имеющие узкую петлю гистерезиса, и малую коэрцитивную силу Н_с. Для уменьшения потерь на вихревые токи в магнитных сердечниках увеличивают сопротивление протекающим вихревым токам. Делают это различными способами: легированием материала с целью повышения ρ; уменьшением толщины пластин и их изоляция друг от друга в магнитопроводах, работающих на промышленных и повышенных частотах; размещение частиц порошкового магнитного материала в изолирующей связке (магнитодиэлектрики для работы на высоких частотах в радиотехнике).

Необходимо отметить, что в справочниках приводятся магнитные характеристики и параметры материалов, полученные при испытаниях на стандартных образцах. Реальные образцы могут иметь отличающуюся от них форму, размеры, воздушные зазоры и другие отличия, поэтому у них будут другими некоторые магнитные параметры , в частности – потери. Поэтому в конкретных условиях необходимо определять важные магнитные параметры на реальных или приближенных к таковым образцах, изготовленных из конкретной партии магнитного материала.