6.1. Криві залежності намагніченості від напруженості магнітного поля.

До феромагнетиків відносяться речовини з великою позитивною магнітною сприйнятливістю (до 10⁶), що сильно залежить від напруженості магнітного поля й температури. Для феромагнетиків характерна внутрішня магнітна впорядкованість, що полягає в існуванні макроскопічних областей з паралельно орієнтованими магнітними моментами атомів. Ці речовини здатні намагнічуватися до насичення у відносно слабких магнітних полях (K_М = 10³-10⁵). Інша особливість полягає в тому, що вище визначеної температури, що називається температурою Кюрі Т_к, феромагнітний стан речовини переходить в парамагнетний, тобто магнітна сприйнятливість знижується на 3-4 порядки. До феромагнетиків відносять залізо, нікель, кобальт та їх сплави, сплави хрому, марганцю та інші.

Феримагнетики – це речовини, що отримали назву від складних оксидних матеріалів – феритів. Вони мають властивості, що подібні до властивостей, але значно поступаються їм по величині допустимої намагніченості. Під феритами розуміють з’єдна-ння оксиду заліза Fе₂О₃ з оксидом металу МеО типу МеО·Fе₂О₃. Магнітні властивості феромагнетиків тісно пов’язані з взаємним розміщенням в кристалічній решітці іонів заліза і металу. Магнітні властивості матеріалів зумовлені внутрішніми прихованими формами руху електричних зарядів, що є елементарними круговими струмами. Такими круговими струмами є: обертання електронів навколо власних осей – електронні спіни і орбітальний рух електронів у атомах. Явище феромагнетизму пов’язано з утворенням всередині деяких матеріалів нижче точки Кюрі таких кристалічних структур, при яких у межах макроскопічних областей, що називаються магнітними доменами, електронні спіни є орієнтованими паралельно один одному і однаково направлені. Таким чином, характерним для феромагнітного стану речовини є наявність в ньому самодовільної (спонтанної) намагніченості без прикладання зовнішнього магнітного поля.

Антиферомагнетиками є речовини, в яких нижче деякої температури виникає антипаралельна орієнтація елементарних магнітних моментів однакових атомів або іонів кристалічних решіток. Вони характеризуються незначною позитивною магнітною сприйнятливістю (10^-4-10^-5), що дуже залежить від температури. При нагріванні антиферомагнетик зазнає фазового переходу у парамагнітний стан. Температура такого переходу, при якій зникає магнітна впорядкованість, називається антиферомагнітною точкою Кюрі.

Усього відомо близько тисячі з'єднань з властивостями антиферомагнетиков. Представниками антиферомагнетиків є хром, марганець, германій і т.д.

До феримагнетиків відносяться речовини, магнітні властивості яких зумовлені нескомпенсованим антиферомагнетизмом. Як і феромагнетики, вони мають високу магнітну сприйнятливість, що істотно залежить від напруженості магнітного поля й температури.

Властивостями феримагнетиків володіють різні оксидні з'єднання, серед яких найбільш практичний інтерес мають ферити.

6.2. Феромагнетики. Процеси при намагнічуванні феромагнетиків

У монокристалах феромагнітних речовин існують напрями легкого й важкого намагнічування. Число таких напрямів визначається симетрією кристалічних решіток. У відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти доменів мимовільно орієнтуються уздовж однієї з осей легкого намагнічування.

Рис.6.2. Напрямки легкого, середнього й важкого

намагнічування в монокристалі заліза.

Елементарна частинка заліза є об’ємоцентрованим кубом. Напрям легкого намагнічування збігається з ребром куба. Отже, у монокристалі заліза можна виділити шість еквівалентних напрямків легкого намагнічування. Для намагнічування монокристалічного зразка до насичення уздовж однієї з осей легкого намагнічування потрібно затратити значно меншу енергію, ніж для такого ж намагнічування уздовж осі важкого намагнічування.

Залежність магнітної індукції макрооб’єму феромагнетика від напруженості зовнішнього магнітного поля називають кривою намагнічування (рис.6.3). Зростання індукції під дією зовнішнього поля зумовлено двома основними процесами: зсувом доменних границь і поворотом магнітних моментів доменів.

Початковій ділянці кривої (область 1) відповідає оборотне (пружне) зміщення границь доменів. При цьому відбувається збіль-шення об’єму тих доменів, магнітні моменти яких утворюють найменший кут з напрямком зовнішнього поля і зменшення розмірів доменів з несприятливою орієнтацією вектора спонтанної намагні-ченості. Після зняття слабкого поля границі доменів повертаються в попереднє положення.

Рис.6.3. Крива намагнічування феромагнетика.

В області більш сильних полів (область 2) зсув доменних границь має необоротний, стрибкоподібний характер. На ділянці не оборотного зсуву доменних границь крива намагнічування має найбільшу крутизну.

При подальшому збільшенні напруженості магнітного поля зростає роль другого механізму намагнічування – механізму обертання, при якому магнітні моменти доменів з напрямку легкого намагнічування поступово повертаються в напрямку поля (область 3).

Коли всі магнітні моменти доменів орієнтуються уздовж поля, наступає технічне насичення намагніченості (область 4). Незначне зростання індукції на ділянці насичення зумовлено збільшенням намагніченості самого домена. Це явище одержало назву парапроцесу або істинного намагнічування. Строго паралельне роз-ташування спінових моментів у домені можливе тільки при температурах, близьких до абсолютного нуля. При підвищенні температури за рахунок теплової енергії впорядкованість у розташуванні спінів порушується. Зовнішнє поле повертає спіни до паралельної орієнтації. Цим досягається ефект збільшення намагніченості.

На відміну від істинного намагнічування, зростання індукції за рахунок зсуву доменних границь і обертання магнітних моментів називають технічним намагнічуванням.

Властивості феромагнетиків впливають на характеристики виробів, в яких їх використовують. До основних магнітних властивостей відносяться: магнітний потік, магнітну індукцію, магніторушійну силу, магнітну сприйнятливість, магнітну проникність, втрати на гістерезис або перемагнічування і втрати на вихрові струми.

Магнітний стан матеріалу характеризується величиною результуючого магнітного моменту, віднесеного до одиниці об'єму, і називається намагніченістю речовини. Між намагніченістю і зовнішнім магнітним полем існує залежність

(6.2)

де χ – магнітна сприйнятливість, безрозмірна величина; M – намагніченість, А/м; H – напруженість магнітного поля, А/м.

Для феромагнітних матеріалів співвідношення (5.1) є нелінійним, оскільки магнітна сприйнятливість залежить від напруженості магнітного поля. Під дією зовнішнього магнітного поля магнітні моменти атомів утворюють поля, які, додаючись, створюють у матеріалі внутрішнє поле. Результатом взаємодії внутрішнього і зовнішнього полів є сумарне поле, яке характеризується магнітною індукцією В.

Магнітна індукція є функцією напруженості магнітного поля Н. Її визначають за виразом

(6.3)

де μ – магнітна проникність, безрозмірна величина.

Для феромагнетиків функція (6.3) нелінійна. Між величинами М, В і Н існує залежність

(6.4)

де μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м – магнітна постійна або магнітна проникність вакууму.

Із залежності (6.4) випливає, що В є складною функцією Н. Аналітичний вираз функції (3) в загальному випадку є складним, тому користуються графічними залежностями

(6.5)

які називаються кривими намагнічування і визначаються експери-ментально.

Особливістю структури феромагнітних матеріалів є наявність магнітних доменів – макроскопічних областей, в яких магнітні моменти окремих атомів орієнтовані взаємно паралельно. Напрямки магнітних моментів окремих доменів розподілені хаотично, а магнітний потік такого зразка дорівнює нулю. Під дією зовнішнього магнітного поля відбувається перебудова доменної структури, що призводить до намагнічування феромагнітного матеріалу (рис.6.4).

Процес намагнічування можна уявити наступним чином. В слабких полях проходить поворот векторів магнітних моментів доменів, що складають найбільший кут з напрямом поля, в більш енергетично вигідні напрями. Іншими словами, має місце ріст об’ємів доменів, в яких магнітний момент, напрямлений по осі легкого намагнічування, складає найменший кут з напрямом поля за рахунок зменшення об’ємів доменів, у яких цей кут найбільший. Цей процес є зворотним і називається зворотнім процесом зміщення границь доменів. При збільшенні поля вектори магнітних моментів всіх доменів повертаються найвигідніше енергетичне положення. Оскільки в цьому процесі бере участь значно більша кількість доменів, ніж на початковій ділянці, процес намагнічування йде більш інтенсивно і крива намагнічування йде крутіше. Цей процес є незворотнім, тобто при відсутності зовнішнього поля магнітний стан уже не повертається у вихідний, тому його називають процесом незворотного зміщення границь доменів. При подальшому збільшенні поля починається поступовий поворот вектора магнітного моменту, що співпадає з напрямом зовнішнього поля і магнітний стан матеріалу досягає технічного насичення.

При циклічній зміні напруженості постійного магнітного поля від 0 до +Н₁, від +Н₁ до –Н₁ і знову до +Н₁ крива зміни магнітної індукції має форму замкненої кривої – петлі гістерезису. Для сильних полів крива (петля) має вид еліпсу. При збільшенні Н₁ отримаємо серію замкнених одна в одну петель гістерезисну, поки не дійдемо до граничної петлі гістерезисну, що є важливою технічною характеристикою магнітного матеріалу. Гранична петля гістерезисну характеризується максимальним досягненням значенням індукції В_S (індукція насичення).

Рис.6.4. Сімейство гістерезисних циклів.

Характерно, що при зменшенні напруженості магнітного поля від Н₁ до 0 магнітна індукція не дорівнює нулю, а зберігає величину залишкової індукції В_r. Для доведення В_r до нуля необхідно прикласти протилежно напрямлене розмагнічуюче поле визначеної сили –H_C, яке характеризує коерцетивну силу матеріалу.

Якщо з’єднати між собою точки вершин петель гістерезису, які отримані при послідовно зростаючих максимальних значеннях напруженості магнітного поля, то крива, що є геометричним місцем цих точок, називається основною кривою намагнічування. Ця крива є важливою характеристикою магнітних матеріалів.

Для характеристики поведінки магнітних матеріалів у полі з напруженістю Н користуються поняттями абсолютної проникності μ_а, що вимірюється в Гн/м і відносною магнітною проникністю μ:

(6.6)

де – магнітна проникність вакууму.

Відносну магнітну проникність матеріалу μ отримують по основній кривій намагнічування як відношення індукції В до відповідного значення напруженості магнітного поля

Використовуючи наглядні геометричні побудови (рис.6.6), можна легко побачити, що:

Рис.6.5. Графічне визначення магнітної проникності

по основній кривій намагнічування.

(6.7)

де K_В і K_Н – масштабні коефіцієнти по осях В і Н відповідно.

Таким чином, нахил дотичної на початковій ділянці кривої намагнічування характеризує початкову проникність, а нахил прямої, проведеної в точку верхнього перегину кривої намагнічування, відповідає максимальній проникності.

При намагнічуванні матеріалу змінним полем петля гістерезису розширюється, збільшуючи свою площу. Таку петлю називають динамічною. Відношення магнітної індукції до напруженості поля по цій кривій називають динамічною магнітною проникністю

(6.8)

Зі збільшенням частоти поля динамічна проникність зменшується із-за інерційності магнітних процесів. При використанні магнітних матеріалів одночасно в постійному Н_- і змінному Н_~ магнітних полях проникність цих матеріалів характеризують вели-чиною диференційної проникності.

Магнітні матеріали з малим значенням Н_с і великою магнітною проникністю називають магнітом'якими; матеріали з великою коерцитивною силою і меншою проникністю – магнітотвердими.