Физические процессы в магнитных материалах.

Все вещества в природе являются магнитными, т. е. они взаимо­действуют с внешним магнитным полем и обладают определенными магнитными свойствами. Природа магнетизма объясняется строением атомов и молекул. Элементарными носителями магнетизма являются электроны. Орбитальное вращение электронов вокруг атомов и вращение электронов вокруг собственных осей (спиновое вращение), приводит к появлению орбитального и спинового магнитных моментов электрона. Магнитный момент электронной оболочки и определяет магнитные свойства атома, поскольку он приблизительно в тысячу раз больше магнитного момента атомного ядра. Различный характер электронной струк­туры атомов приводит к различию магнитных свойств ве­ществ.

По силе взаимодействия с магнитным полем все вещества можно разделить на слабомагнитные и сильномагнитные. Сила взаимодействия вещества с магнитными полем оценивается безразмер­ной величиной—магнитной восприимчивостью k_м::

(5.1),

где М — намагниченность вещества под действием магнитного поля, Н - напряженность этого поля.

Слабомагнитные вещества характеризуются величиной k_м<<1, т. е. изменение намагниченности вещества под действием внешнего поля очень незначительно. К ним относят диамагнетики и парамаг­нетики. При помещении парамагнетиков в магнитное поле они незначительно усиливают его внутри себя (k_м>0). Это происходит из-за совпадения направления намагниченности парамагнетиков с направлением внешнего поля. К парамагнетикам относят алюминий, платину и ряд других веществ.

Диамагнетики характеризуются тем, что ослабляют внутри себя то магнитное поле, которое действует извне. Это происходит вследствие того, что их намагниченность направлена против внеш­него поля (k_м <0). К этим веществам относят большинство органиче­ских соединений и ряд металлов: медь, серебро, золото, свинец и другие.

Наибольший интерес с точки зрения технического применения представляют сильномагнитные вещества(k_М >>1), к которым относят ферромагнетики и ферримагнетики.

К «классическим» ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы. Ферромагнетиками также являются ряд редкоземельных металлов (РЗМ), а именно: гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий и туллий, но при этом в пяти из них ( за исключением гадолиния) в определенном температурном интервале наблюдается и антиферромагнетизм. Ферромагнитны также некоторые сплавы и соединения марганца, серебра и алюминия.

Ферромагнетики относятся к переходным элементам, у которых нарушен нормальный порядок заполнения электронных оболочек, в результате чего их атомы имеют внутренние недостроенные оболочки. Для элементов группы железа недостроенным является 3d-слой, для большинства РЗМ недостроен 4f-слой. Наличие незаполненных оболочек приводит к тому, что атомы этих элементов обладают нескомпесированным спиновым моментом (для полностью заполненных оболочек результирующий магнитный момент равен нулю).

Рассмотрим природу ферромагнетиков группы железа.

1. Для ферромагнетиков уже при отсутствии внешнего поля энергетически выгодным является параллельное расположение спинов соседних атомов. Такое состояние называют атомным магнитным порядком. Следовательно, уже в отсутствие внешнего поля ферромагнетик находится в состоянии спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, которому соответствует намагниченность технического насыщения. Эта намагниченность зависит от температуры; при температуре выше некоторого значения, называемого точкой Кюри ферромагнитный атомный порядок разрушается и вещество переходит в парамагнитное состояние.
2. Вторым основным положением, объясняющим свойства ферромагнетиков, является положение о наличии в них доменной структуры. Предположение об этом возникло в связи с необходимостью объяснения опытного факта: если ферромагнитное тело не было предварительно намагничено, то его результирующий магнитный момент равен нулю. Этот факт вступал в противоречие с теорией спонтанного намагничивания. Однако это противоречие можно устранить, если предположить, что весь объем ферромагнетика самопроизвольно разбивается на большое число локальных областей – доменов, каждый из которых находится в состоянии технического насыщения, но направления магнитных моментов всех доменов равновероятны и результирующий магнитный момент образца будет равен нулю (рис.5.1а).

Все ферромагнетики характеризуются:

· Кристаллическим строением;

· Большим положительным значением магнитной восприимчивости (магнитной проницаемости), m = 10³- 10⁶ , а также существенной и нелинейной ее зависимостью от напряженности поля и температуры;

· Способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых полях;

· Гистерезисом - зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния .

· Точкой Кюри (T_k), т.е. температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства.

Природа ферримагнетизма была впервые изучена на ферритах. Они имеют свойства, во многом подобные свойствам ферромагнетиков, но значительно уступают им по величине предельной намагниченности. Под фер­ритами понимают соединения оксида железа Fe₂O₃ с оксидом ме­талла МеО типа МеО×Fe₂O₃. Ферримагнетики обладают атомным антиферромагнитным порядком, при котором энергетически выгодным в отсутствие внешнего поля является антипараллельное расположение спинов соседних атомов ли ионов с преобладанием одного из направлений. При этом для ферримагнетиков суммарный магнитный момент не равен нулю, а для антиферромагнетиков – равен.

Ферро- и ферримагнетики являются кристаллическими вещест­вами. Намагничивание отдельных кристаллов (монокристаллов) ферромагнитных веществ имеет свои особенности: в кристаллах различают направления наилучшего (легкого) и наихудшего (трудного) намагничивания (магнитная анизотропия). На рис.5.2 показаны направления легкого и трудного намагничивания трех основных ферромагнитных элементов: железа, никеля и ко­бальта. Железо и его сплавы Fe-Ni, Fe-Si кристаллизуются в куби­ческой структуре и осями легкого намагничивания у них являются ребра куба, а самого трудного — пространственные диагонали. Для никеля, имеющего также кубическую структуру, распределе­ние осей намагничивания противоположное. Направления легкого и трудного намагничивания кристалла кобальта, имеющего гексагональную структуру, показаны на рис.5.2, в.

При наличии внешнего поля самым энергетически выгодным направлением является ось легкого намагничивания, составляющая наименьший угол с направлением внешнего поля.

В магнитных материалах осо­быми технологическими приемами можно создать преимущественную ориентацию отдельных кристаллов материала в заданном направ­лении. В этом случае говорят, что поликристаллический материал обладает магнитной текстурой. Это выражается в получении повышенных магнитных характеристик материала в одном направлении. Возможность достижения заданной магнитной тексту­ры имеет большое значение и широко используется на практике. Например, магнитная текстура стали создается специальными способа­ми проката, когда большинство зерен металла ориентируется лег­ким направлением намагничивания вдоль проката ( рис. 5.3). Это делает холоднокатаную сталь магнитно-анизотропной и улуч­шает ее магнитные параметры в направлении проката. Применение текстурованной стали в трансформаторах различного назначения позволяет умень­шить их массу и габариты на 20—40%.

Процесс намагничивания материала сопровождается изменени­ем его доменной структуры и зависит от величины при­ложенного поля. В слабых полях происходит процесс роста объема тех магнитных доменов, у которых, магнитный момент, направленный по оси легкого намагничивания, составляет наименьший угол с направлением поля за счет уменьшения объема доменов, у которых этот угол наибольший. Если напряженность поля уменьшить до начального зна­чения, то исходное распределение объемов доменов восстанавлива­ется. Эта первая стадия процесса намагничивания называется обратимым процессом смещения границ до­менов. На рис.5.4 это соответствует первому участку основной кривой намагничивания (кривая В), т. е. кривой, показывающей зависимость намагни­ченности, или индукции материала от величины внешнего поля Н. Внутренняя магнитная индукция материала В_i, измеряемая в Тл, связана с его намагниченностью формулой

(5.2) ,

где m₀ — магнитная постоянная, равная 4p10^-7 Гн/м.

При усилении поля (второй участок кривой намагничивания, который называют областью необратимого смещения стенок доменов) домены, которые имеют вектора спонтанной намагниченности близкие или совпадающие с направлением внешнего магнитного поля, объединяются, и их размеры значительно увеличиваются. Кроме того, возможны повороты магнитных моментов доменов в направлении более легкого намагничивания. При воз­вращении к начальному значению поля доменная структура уже не возвращается к исходному состоянию, и образец сохраняет некоторую остаточную намагниченность в направлении поля.

При дальнейшем росте напряженности поля (третий участок кривой на рис.5.4, называемый последней стадией намагничивания) происходит поворот векторов намаг­ниченности доменов с направления легкого намагничивания в направлении вектора напряженности внешнего магнитного поля, называемый процессом вращения.

Четвертый участок кривой намагничивания называется областью насыщения. Все вектора намагниченности ориентированы в направлении поля, и ферромагнетик превращается в единый монодомен с очень высокой намагниченностью.

В реальных магнитных материалах различные виды процессов намагничивания перекрывают друг друга. На процесс намагничи­вания оказывают влияние такие явления, как магнитострикция, механические напряжения, наличие немагнитных включений, неоднородностей и ряд других факторов.