Магнитные материалы

Магнитная восприимчивость - величина, характеризующая способность вещества намагничиваться в магнитном поле. Вектор намагниченности М, т.е. магнитный момент единицы объема вещества, связан с вектором Н напряженности однородного магнитного поля соотношением: M=М₀ + cH, где M₀ - намагниченность в отсутствие поля, c - макроскопическая магнитная восприимчивость (в системе СИ безразмерная величина). Магнитная восприимчивость, рассчитанная на единицу массы (1кг или 1г) вещества, называется удельной. Магнитная восприимчивость 1 моля вещества называется молярной, или атомной.

Различные материалы по-разному ведут себя в магнитном поле и, соответственно имеют различную магнитную проницаемость.

У диамагнетиков и парамагнетиков самопроизвольная намагниченность в отсутствие поля отсутствует, т. е М₀ = 0 и c = М/Н определяет наведенную намагниченность. Диамагнетики и парамагнетики - слабомагнитные вещества (c ~ 10^-4-10^-6), причем для диамагнетиков c < 0 (векторы М и Н противоположно направлены), у парамагнетиков c > 0 (направления векторов М и Н совпадают). Для слабомагнитных веществ магнитная восприимчивость практически не зависит от Н (за исключением случаев очень сильных полей или низких температур). Магнитная восприимчивость парамагнетиков, как правило, существенно зависит от температуры.

Диамагнетиками являются подавляющее большинство веществ, например, водород, инертные газы, большинство органических соединений, каменная соль и некоторые металлы (медь, цинк, серебро, золото, ртуть), а также висмут, галлий, сурьма.

Парамагнетиками являются кислород, щелочные и щелочноземельные металлы Na (но NaCl- диамагнетик), Mg, Ca, алюминий, платина, титан, палладий, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

Ферромагнетики - кристаллические и аморфные твердые вещества, у которых в определенно температурном интервале проявляется ферромагнетизм – самопроизвольная намагниченность в отсутствие внешнего намагничивающего поля.

Ферромагнетизм обусловлен магнитоупорядоченным состоянием макроскопических объемов ферромагнетика, в которых магнитные моменты атомов (ионов) параллельны и одинаково ориентированы. Эти объемы - домены - обладают магнитным моментом M_s (самопроизвольной намагниченностью) даже при отсутствии внешнего намагничивающего поля.

В поликристаллическом ферромагнетике магнитные моменты доменов разориентированы друг относительно друга, поэтому вещество в целом имеет самопроизвольную намагниченность.

Для ферромагнетиков во внешнем магнитном поле характерны: нелинейность кривой намагничивания и магнитный гистерезис (несовпадение кривых B=f(H)) при перемагничивании. Значение M_s максимально при Т ® 0К, с увеличением температуры M_s уменьшается и обращается в нуль в точке Кюри(для чистого железа - 768°С, для никеля - 358°С, для кобальта- 1131°С), выше этой температуры вещество становится парамагнитным.

Ферромагнетики обладают большим положительным значением магнитной восприимчивости с>>1, способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых полях. При намагничивании ферромагнитных материалов наблюдается изменение их линейных размеров, это явление носит название магнитострикции

К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и ряд более редких веществ. На основе этих элементов изготавливаются магнитные материалы.

Антиферромагнетик, вещество, в котором ниже определенной температуры – точки Неля, устанавливается антиферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов:элементарные (атомные) магнитики соседних частиц вещества ориентированы навстречу друг другу (антипараллельно), и поэтому намагниченность тела в целом очень мала. В отличие от антиферромагнетика в ферромагнитном веществе ориентация элементарных магнитиков одинаковая, что и приводит к высокой намагниченности тела в целом. Антипараллельный порядок чередования магнитных моментов в антиферромагнетике вместе с их направлением относительно кристаллографических осей определяет антиферромагнитную структуру вещества. Такую структуру можно представить себе как систему вставленных друг в друга пространственных решёток магнитных ионов (называются подрешётками), в узлах каждой из которых находятся параллельные друг другу магнитные моменты. Каждая из подрешёток состоит из магнитных ионов одинакового сорта. Поэтому суммарные магнитные моменты подрешёток строго компенсируются, и антиферромагнетик в целом в отсутствие внешнего поля не имеет результирующего магнитного момента. Под действием внешнего магнитного поля антиферромагнетики приобретают слабую намагниченность. Для магнитной восприимчивости антиферромагнетиков типичны значения 10^-4 — 10^-6. К антиферромагнетикам относятся: твердый a-кислород при Т<24 К, Mn (T_N = 100 К), Cr(T_N = 310 К), а также ряд РЗЭ с T_N от 10 К (у Се) до 230 К (у Тb); оксиды переходных элементов, включая ряд ферритов-шпинелей, ферритов-гранатов и ортоферритов; многие фториды (FeF₂, NiF₂ и др.), сульфаты (FeSO₄, MnSO₄ и др.), сульфиды, карбонаты.

Практического применения антиферромагнетики пока не нашли, поскольку при переходе в антиферромагнитное состояние большая часть макроскопических физических свойств меняется мало. Исключение составляют высокочастотные свойства антиферромагнетиков.

Ферримагнетики, вещества, в которых ниже определенной температуры - точки Кюри магнитные моменты соседних атомов (ионов), образующих две или несколько магнитных подрешеток, антипараллельны (или более сложно ориентированы в пространстве), но не скомпенсированы, в результате чего эти вещества обладают самопроизвольной намагниченностью.

Ферримагнетизм - наиболее общий случай магнитоупорядоченного состояния. Ферромагнетизм, присущий ферромагнетикам, имеющим только одну подрешетку, и антиферромагнетизм, свойственный антиферромагнетикам, в которых все подрешетки состоят из одинаковых ионов, являются частными случаями ферримагнетизма.

Значительная часть ферримагнетиков - это диэлектрические или полупроводниковые ионные кристаллы. Среди них наиб. обширную группу составляют ферриты (шпинели, фанаты, гексаферриты). К ферримагнетики относятся двойные фториды. например RbNiF₃, CsFeF₃, некоторые сульфиды, селениды, а также ряд сплавов и интерметаллидов, содержащих атомы РЗЭ и элементов группы Fe, например CdCo₅, TbFe₂.

Подобно ферромагнетикам ферримагнетики намагничиваются во внешнем магнитном поле, имеют доменную структуру, обладают остаточной намагниченностью, выше точки Кюри переходят в парамагнитное состояние. Однако существование нескольких различных подрешеток приводит к более сложной температурной зависимости их самопроизвольной намагниченности ферримагнетиков, чем у ферромагнетиков. При определенной температуре, называемой точкой компенсации, намагниченность ферримагнетиков обращается в нуль. При температуре выше и ниже этой точки самопроизвольная намагниченность отлична от нуля.

Ферримагнетики используют для изготовления постоянных магнитов, в ЭВМ (при создании элементов памяти), в радиотехнике, СВЧ технике. Из ферримагнетиков производят, например, сердечники колебательных контуров, дроссели, трансформаторы, магнитные антенны, фазовращатели, линии задержки и т.д.

В качестве магнитных материалов техническое значение имеют ферромагнитные вещества и ферримагнитные химические соединения (ферриты).

Основными параметрами магнитных материалов являются: остаточная магнитная индукция– В_r, остающаяся в образце после его намагничивания; Н_с - напряженность магнитного поля (коэрцитивная сила), приложенная к образцу и необходимая для его размагничивания; m - магнитная проницаемость.

Магнитная проницаемость (Гн/м) определяется соотношением

m= В_r/Н_с.

Магнитные материалы в зависимости от коэрцитивной силы и магнитной проницаемости делят на две основные группы: магнитомягкие с малой коэрцитивной силой и магнитотвердые, у которых коэрцитивная сила, напротив, высокая.

Кроме того в электротехнике в качестве магнитных материалов специализированного назначения применяются специальные ферромагнетики, ферриты, магнитодиэлектрики, конструкционные чугуны и стали, особые магнитные свойства которых определяются структурой и составом.