1.3.7. Магнитные свойства материалов
Все
материалы, помещенные во внешнее
магнитное поле, намагничиваются.
Намагничивание связано с наличием у
атомов молекул магнитного момента. Для
единичного атома он равен:
=
,
где
- орбитальные моменты электронов;
-
спинные моменты электронов и ядра.
Характеристикой
намагничивания материалов является
намагниченность, равная сумме магнитных
моментов атомов единице объёма:
(для однородного намагниченного
материала). Магнитная восприимчивость
дает связь намагниченности с напряженностью
внешнего магнитного поля: χ = J/H.
В зависимости от знака и величины χ материалы делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферро-(ферри-)магнетики.
Диамагнетизм
– свойство материалов намагничиваться
во внешнем магнитном поле в направлении
противоположном полю. Диамагнетизм
присущ всем веществам, но проявляется
только когда все спинные и орбитальные
моменты в атоме скомпенсированы или
диамагнитный эффект преобладает над
не скомпенсированным
М
.
Диамагнетики имеют отрицательную
магнитную восприимчивость (χ=
).
Без поля они немагнитные и выталкиваются
из внешнего магнитного поля.
Парамагнетики
обладают положительной магнитной
восприимчивостью (χ =
)
поскольку элементарные магнитные
моменты в атоме нескомпенсированы (
).
Они слабо намагничиваются по направлению
внешнего поля, а в отсутствии поля –
немагнитные. В парамагнетиках постоянные
магнитные моменты атомов разориентированы
в пространстве из-за теплового движения.
Под действием внешнего магнитного поля
получают преимущественную ориентацию,
т.е.
.
Ферро-(ферри)магнетики
характеризуются большим значением
магнитной восприимчивости (χ
1)
и её нелинейной зависимостью от
напряженности поля и температуры.
Ферромагнетизм - магнитоупорядоченное
состояние макроскопических объёмов
материала (доменов), в котором магнитные
моменты атомов (ионов) ориентированы в
одном направлении. Домены – обладают
магнитным моментом (самопроизвольной
намагниченностью) в отсутствии внешнего
магнитного поля.
Антиферромагнетики – материалы, в которых магнитные моменты соседних атомов ориентированы на встречу друг другу (антипараллельно), и поэтому в отсутствии внешнего магнитного поля их намагниченность равна 0.Ферримагнетики – антиферромагнетики с не скомпенсированными магнитными моментами, поэтому они имеют результирующий магнитный момент, доменную структуру и ведут себя во внешнем магнитном поле подобно ферромагнетикам. Ферро - и ферримагнетики называют сильномагнитными материалами в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков. Схематичное изображение магнитной упорядоченности в указанных магнитных материалах приведено на рис.1.26.
Магнитная восприимчивость χ сильно зависит от температуры: у парамагнетиков – уменьшается с ростом Т; у ферромагнетиков – увеличивается, достигая максимума в точке Кюри θ, т.е. при температуре фазового перехода 2 рода. При температуре Кюри исчезает самопроизвольная намагниченность ферро - и ферримагнетиков и они переходят в парамагнитное состояние.
Основной
характеристикой магнитного поля в
веществе является магнитная индукция
.
Она связана с напряженностью магнитного
поля
и намагниченностью
следующим соотношением:
,
где
Гн/м-
магнитная постоянная. С учетом выражения
для
изотропных материалов:
,
где
χ
– магнитная проницаемость, характеризующая
интенсивность роста магнитной индукции
при увеличении напряженности
намагничивающего поля.
Рис.1.26. Ориентация магнитных моментов в слабо- и сильномагнитных
материалах
При намагничивании сильномагнитных материалов в переменных магнитных полях наблюдается гистерезис – отставание (запаздывание) от . Изменение индукции с ростом напряженности внешнего магнитного поля (1-ое намагничивание) описывается кривой 1 на рис.1.27.
Домены
разворачиваются по направлению Н и в
сильном магнитном поле материал
намагничивается до насыщения (точка
А), что соответствует однодоменной
структуре с индукцией
.
При уменьшении
индукция В
будет уменьшаться с запаздыванием по
кривой 2 за счет возникновения и роста
доменов с магнитным моментом, ориентируемым
против внешнего поля. При Н = 0 в образце
сохранится остаточная намагниченность,
которой соответствует остаточная
индукция
.
Поле, необходимое для размагничивания
образца от
до
0, называется коэрцитивной силой - Н
.
При дальнейшем увеличении напряженности
размагничивающего поля образец
перемагничивается, т.е. намагничивается
до отрицательной индукции насыщения -
(точка
D).
Перемагничиванию образца соответствует
кривая 3 (точки -
).
Рис.1.27. Петля гистерезиса ферро-(ферри-)магнетиков
Рассмотренная петля гистерезиса называется предельной, если амплитуда Н не обеспечивает достижения насыщения и - , то это непредельная петля гистерезиса. Уменьшая амплитуду Н до 0 и повторяя цикл перемагничивания, можно полностью размагнитить образец, т.е. перейти в точку 0.
Среди
других параметров характеризующих
функциональные свойства магнитных
материалов следует отметить:
и
;
;
магнитные потери,
,
,
и другие.