Література:

Конструкционные и электротехнические материалы: Учеб. для учащихся электротехн. спец. /В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев, С.Я. Попов и др.; Под ред. В.А. Филикова. – М.: Высш. шк., 1990 Кузьмин Б.А., Самохацкий А.И. Металлургия, металловедения и конструкционные материалы. – М.: Высш. шк., 1984 Корицкий В.И. Электротехнические материалы. – Энергия. 1978 Электротехнические материалы. Справочник. Под ред. В.А. Березина. –М.: Энергоатомиздат, 1983

Лекція № 5

Тема: Процеси технічного намагнічування і перемагнічування магнітних матеріалів

Мета: Вивчити процес намагнічування і перемагнічування

Методи: словесний

План:

1 Загальні відомості

2 Процес намагнічування

3 Петля гістерезісу

Матеріально-технічне забезпечення та дидактичні засоби, ТЗН:

Загальні відомості

Будь-яка речовина, поміщена в магнітне поле, здобуває магнітний момент. Для характеристики намагнічування речовини вводяться величини: В — магнітна індукція (Тл), Н — напруженість магнітного поля (А/м), J — намагніченість (А/м), -k_m — магнітна сприйнятливість, μ - магнітна проникність, Ф - магнітний потік (Вб).

Намагніченість пов'язана з напруженістю магнітного поля співвідношенням

Магнітна індукція в речовині визначається сумою індукції зовнішніх і власного магнітних полів:

де μ₀ = 4π 10⁷ — магнітна постійна; Гн/м.

Поєднуючи ці дві формули одержимо

де μ_r = k_m + 1 або μ_r = B/(μ₀ H) — відносна магнітна проникність (надалі для стислості — магнітна проникність)

Діамагнетизм спостерігається у всіх речовинах і пов'язаний з тим, що зовнішнє магнітне поле впливає на орбітальний рух електронів, внаслідок чого індикується магнітний момент, спрямований назустріч зовнішньому полю. Після зняття зовнішнього магнітного поля індукований магнітний момент діамагнетика зникає. Магнітна сприйнятливість діамагнетиків k_d (негативна) за абсолютним значенням дуже мала; вона не залежить ні від температури, ні від напруженості магнітного поля.

К діамагнітним речовинам ставляться інертні гази, водень, мідь, цинк, свинець (речовини, що складаються з атомів з повністю заповненими електронними оболонками).

Парамагнітні речовини відрізняються тим, що складаються з атомів з не повністю заповненими оболонками, тобто маючими магнітними моментами. Але такі атоми перебувають один від одного досить далеко, так що взаємодія між ними відсутня. Тому в парамагнетиків магнітні моменти атомів орієнтуються в напрямку зовнішнього магнітного поля й підсилюють його. Магнітна сприйнятливість парамагнетиків позитивна, має невелике значення від 10~⁵ до 10~² і не залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля, але залежить від температури.

Феромагнітні речовини містять атоми, що володіють магнітним моментом (незаповнені електронні оболонки), однак відстань між ними не така велика, як у парамагнетиках, у результаті чого між атомами виникає взаємодія, що називається обмінними (передбачається, що сусідні атоми обмінюються електронами). У результаті такої взаємодії енергетично вигідним залежно від відстані стає паралельна орієнтація магнітних моментів сусідніх атомів (феромагнетизм) або антипаралельна (антиферомагнетизм).

Під дією обмінних сил паралельна орієнтація магнітних моментів атомів феромагнітної речовини відбувається певних областях, називаних доменами. У межах домена матеріал під час відсутності зовнішнього поля намагнічений до насичення завдяки обмінній взаємодії окремих атомів. Ця взаємодія діє тільки до певної критичної температури, що називається температурою Кюрі. Вище температури Кюрі домени дозволяються й феромагнетик переходить у парамагнітний стан. Феромагнітні речовини легко намагнічуються в слабких магнітних полях. Магнітна проникність і магнітна сприйнятливість феромагнетиків великі (до 10⁶) і сильно залежать від температури, а також від напруженості магнітного поля. Не дуже давно необхідною умовою існування феромагнетизму вважалася наявність кристалічних ґрат, у цей час, однак, відомі аморфні феромагнетики.

Антиферомагнетиками називають матеріали, у яких в час обмінної взаємодії сусідніх атомів відбувається антипаралельна орієнтація їхніх магнітних моментів Тому що магнітні моменти сусідніх атомів взаємно компенсуються, антиферомагнетики не мають магнітний момент, а характеризуються магнітною сприйнятливістю, яка близька до сприйнятливості парамагнетиків. Вище деякої критичної температури, що одержала назву температури Нееля (аналогічна температурі Кюрі), магнітопорядоченість стан антиферомагнетика руйнується й він переходить у парамагнітний стан

До феромагнетиків відносять речовини, у яких обмінна взаємодія здійснюється не безпосередньо між магнітоактивними атомами, як у випадку феромагнетизму, а через немагнітний іон кисню. Таку взаємодію називають непрямим обмінним або зверх обмінним. Це взаємодія в більшості випадків у феромагнітних речовинах приводить до антипаралельної орієнтації магнітних моментів сусідніх іонів (тобто до антиферомагнітного впорядкування). Однак кількість іонів з магнітними моментами, орієнтованими умовно нагору й униз, а також величини їхніх моментів неоднакові. Тому магнітні моменти іонів не повністю компенсуються й феромагнітними речовини мають магнітний момент і мають доменну структуру, що зникає вище температури Кюрі.

Діа-, пари- і антиферомагнітні речовини відносяться до слабомагнітних, феро- і феромагнітних речовин є сильномагнітними.

Як магнітні матеріали технічне застосування в електротехніці знаходять феромагнітні й ферімагнітні речовини.

Процеси технічного намагнічування й перемагнічування магнітних матеріалів

У феромагнітних матеріалах реалізується така доменна структура, для якої повна вільна енергія системи є мінімальною.

Повна вільна енергія складається з наступних основних видів енергій: магніто статичної, магнітної анізотропії, магнітострикції, обмінної.

Мінімум магніто статичної енергії, пов'язаної з полями розсіювання або з виникненням полюсів на кінцях магніту, спостерігається в тому випадку, коли магнітний потік замкнуть усередині матеріалу. Однодоменний стан є невигідним, тому що це приводить до виникнення магнітних полюсів, які створюють зовнішнє поле (поле розсіювання). Магнітостатична енергія зменшується, якщо тіло складається з декількох доменів, і стає рівної нулю при утворенні замикаючих доменів (мал. 3.3), магнітний потік замкнуть усередині тіла, за його межами магнітне поле дорівнює нулю.

Розподіл зразка на домени обмежується енергією, затрачуваної на утворення границь між доменами. Лінійний розмір доменів має порядок від 10^-2 до 10^-5 см. Товщина доменної границі досягає декількох сотень нанометрів. При накладенні зовнішнього магнітного поля відбувається ріст обсягу доменів, які мають напрямок намагніченості, що збігає або близьке до напрямку напруженості поля. Залежність магнітної індукції феромагнітної речовини від напруженості зовнішнього поля називають кривою намагнічування, вона має вигляд, показаний на мал. 3.4. Криву намагнічування феромагнетиків можна розділити на кілька ділянок, які характеризуються певними процесами намагнічування. В області слабких полів (область 1) магнітні сприйнятливість і проникність не змінюються. Зміна магнітної індукції в цій області відбувається в основному за рахунок оборотних процесів, які обумовлені зсувом границь доменів.

Мал. 3.3. Доменна струк- Мал. 3.4. Основна крива намаг-

тура магнітних матеріалів нічуванності феромагнетику

1 - замикаючі домени; 2 - основні домени

Крива намагнічування в області 2 характеризується тим, що тут відбувається не пружній зсув границь доменів, тобто процес не є оборотним. В області наближення до насичення (область 3) зміна індукції пояснюється в основному процесом обертання, коли напрямок вектора намагніченості мимовільних областей наближається до напрямку зовнішнього поля. Повна орієнтація намагніченості по полю відповідає технічному насиченню (область 3). На останній ділянці кривої індукції (область IV) спостерігається слабкий ріст індукції зі збільшенням поля. Збільшення індукції відбувається за рахунок росту намагніченості самого домена, тобто орієнтації спінових моментів окремих електронів, напрямок яких не збігається з напрямком зовнішнього поля внаслідок впливу, що дезорієнтує, теплового руху.

В икористовуючи основну криву намагнічування можна побудувати залежність магнітної проникності від напруженості зовнішнього магнітного поля.

Рис. 3.5. Крива намагніченості й кути а, що характеризують різні типи магнітної проникності

Рис. 3.6. Залежність магнітної проникності від напруженості зовнішнього магнітного поля

Статична магнітна проникність, обумовлена по формулі μ = B/(μ₀ H), пропорційна тангенсу кута _нач нахилу прямої, проведеної з початку координат через крапку на основній кривій намагнічування (мал. 3.5).

Залежність магнітної проникності від напруженості поля представлена на мал. 3.6. Значення магнітної проникності μ_r в області слабких полів (Н → 0) називають початковою магнітною проникністю, експериментально неї визначають у полях ~ 0,1 А/м. Найбільше значення магнітної проникності називають максимальною проникністю μ_{r мах}

Магнітна проникність магнітних матеріалів росте зі збільшенням температури й має максимум при температурі Кюрі. Значення температури Кюрі для ряду магнітних матеріалів наведені в табл. 3.1.

Якщо намагнічувати не намагнічений матеріал у зовнішнім магнітному полі, то індукція зростає при безперервному збільшенні напруженості магнітного поля Н и досягає значення індукції насичення В_S. Якщо після цього зменшити напруженість зовнішнього поля Н, то намагніченість зменшиться, але цьому значенню напруженості буде відповідати вже інше, більше, значення індукції, чим при початковому намагнічуванні.

Матеріал	ТК, 0С	μrН	В. Тл
Fe	1316	250	2,15
Ni	904	100	0,61
Fe3O4	1131	120	0,5
NiFe2O4	1131	44	0,31
Ni0 , 5 Zn0 , 5 Fe204	796	330	0,4

Ц е означає, що криві В= f (Н) при збільшенні й зменшенні напруженості поля не тотожні внаслідок явища гістерезису. Магнітним гістерезисом називається явище відставання зміни магнітної індукції від зухвалості зміни напруженості магнітного поля (мал. 3.7). При зменшенні Н до нуля в зразку залишається залишкова індукція В_r. Якщо напрямок поля змінити на протилежне й почати його збільшувати, то можна зменшити індукцію до нуля. У цьому випадку значення Н_с називається коерцитивної (затримуючої) силою. За значенням коерцитивної сили матеріали діляться на магнітом’ягкі (з малим значенням Н_с і великою магнітною проникністю) і магнітотверді (з великою коерцитивною силою й щодо невеликою магнітною проникністю).