Тема 11. Магнитные материалы

Методические указания. Изучаются только ферро – и ферримагнитные материалы. Необходимо иметь понятие о природе магнетизма, обменной энергии между электронами недостроенных подуровней соседних атомов, доменной структуре магнитных материалов. Обратить внимание на основные магнитные характеристики (параметры) магнитных материалов. Понять процесс намагничивания.

Знать классификацию магнитных материалов по природе, назначению, строению, основные свойства и применение МММ и МТМ.

К ключевым моментам следует отнести понимание основных свойств магнитных материалов и их связи с физическими явлениями, знание свойств и параметров различных групп и МММ, и МТМ, обуславливающих их применение. Уметь обозначить материал в документации.

Теоретические материалы

11.1. Общие положения

Магнитными называются материалы, которые применяются в технике с учетом их магнитных свойств и характеризуются способностью накапливать, хранить и трансформировать магнитную энергию, т.е. намагничиваться. Магнитные свойства вещества определяются его атомной структурой и наличием постоянного магнитного момента атомов, связанного с микротоками в нем. Магнитный момент атома является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) магнитных моментов электронов. Полностью заполненные орбитали атома или четное число электронов на орбитали не дают результирующего спинового момента, так как в этом случае каждому спину одного направления в атомной оболочке соответствует магнитный момент спина, направленный антипараллельно. В атомах, имеющих неполностью заполненные (недостроенные) внутренние электронные оболочки магнитные моменты спинов существенны, т.е. имеется результирующий спиновый магнитный момент электрона.

Орбитальный магнитный момент возникает в атомах за счет протекания микротока, обусловленного вращением электронов по орбиталям. Результирующий орбитальный магнитный момент, отличный от нуля, может наблюдаться лишь на некруговых орбиталях электронов.

Орбитальные и спиновые магнитные моменты отдельных электронов складываются в результирующие орбитальные и спиновые моменты атомов, т.е. создается полный магнитный момент атома, который только у элементов с не полностью заполненными электронными оболочками может достигать больших значений.

В твердых телах атомы сближены настолько, что происходит перекрытие энергетических зон электронов; атомы обмениваются электронами, в результате чего возможны различная ориентация магнитных моментов твердого тела относительно внешнего магнитного поля.

Техническое применение находят ферро- и ферримагнетики  вещества, обладающие ферро- и ферримагнетизмом соответственно. Ферромагнетизм имеет место в результате обменного взаимодействия электронов недостроенных подуровней соседних атомов, перекрывающихся при образовании кристаллов. При этом электрон атома может временно находиться вблизи ядра соседнего атома. Такое взаимодействие приводит к изменению энергетического состояния, и его оценивают обменной энергией (рисунок 45).

П ри положительном значении обменной энергии более выгодным с энергетической точки зрения у атомов кристалла становится параллельная ориентация магнитных моментов (рисунок 46,а), что характерно для ферромагнетиков; при отрицательном  антипараллельная ориентация магнитных моментов, и такие металлы не обладают ферромагнитными свойствами (рисунок 46,б). Их называют антиферромагнетиками.

Положительное значение обменной энергии имеет место при отношении параметра решетки а к диаметру внутренней недостроенной оболочки d больше 1,5, т.е. а/d>1,5. Поэтому некоторые сплавы из неферромагнитных компонентов (например, Mn+Bi; Mn+Sb) при введении их в решетку Mn вызывают увеличение межатомных расстояний в решетке сплава до значений, обеспечивающих положительное значение обменной энергии, необходимое для возникновения самопроизвольной намагниченности.

Таким образом, чтобы вещество обладало ферромагнетизмом, необходимо наличие у него внутренних незаполненных оболочек (d и f) в атомах, и положительное значение обменной энергии.

При нагревании магнитных материалов из-за увеличения хаотического теплового движения атомов параллельная ориентация магнитных моментов нарушается, самопроизвольная намагниченность уменьшается. При достижении точки Кюри самопроизвольная намагниченность исчезает.

Если магнитные моменты в атомах антиферромагнетика не равны (не скомпенсированы), то возникает результирующий магнитный момент, и такой материал называют ферромагнетиком нескомпенсированным или антиферромагнетиком. К ним относятся ферриты (рисунок 46,в). Ферриты представляют собой соединение окислов железа Fe₂O₃ с окислами других металлов и имеют сложную структуру кристаллической решетки, состоящей из двух или более подрешеток. Обменное взаимодействие между атомами металла в ферритах осуществляется не непосредственно, а через немагнитный ион кислорода  имеет место косвенное обменное взаимодействие.

Ферро- и ферримагнетики обладают большим собственным магнитным моментом. При намагничивании таких материалов внешним магнитным полем они способны создавать большие магнитные поля, многократно превышающие значения внешнего намагничивающего поля. На этом принципе и основано их применение в различных магнитопроводах и сердечниках устройств.