Основні властивості магнітних матеріалів

План викладу матеріалу розділу

1	Процеси намагнічування
2	Основна крива намагнічування
3	Петля магнітного гістерезису
4	Призначення та область застосування магнітних матеріалів

Всі матеріали, які знаходяться в зовнішньому магнітному полі, намагнічуються.

Магнітні властивості речовин визначаються магнітними властивостями атомів або елементарних частинок|часток| (електронів, протонів і нейтронів), що входять до складу атомів. Магнітні властивості протонів і нейтронів майже в 1000 разів слабші|слабий| за магнітні властивості електронів. Тому магнітні властивості речовин в основному визначаються електронами, що входять до складу атомів.

О днією з найважливіших властивостей електрона є|з'являється| наявність у нього не тільки|не лише| електричного, але і власного магнітного поля. Власне магнітне поле електрона називають спином|спіном| (spin| – обертання). Електрон створює магнітне поле також і за рахунок орбітального руху навколо|навкруг| ядра, яке можна уподібнити круговому мікроструму. Поля спинів|спінів| електронів і магнітні поля, обумовлені їх орбітальними рухами, і визначають широкий спектр магнітних властивостей речовин.

Природу феромагнетизму можна до кінця зрозуміти тільки на основі квантових уявлень. У кристалах феромагнітних матеріалів виникають умови, при яких, унаслідок сильної взаємодії магнітних полів спинів сусідніх електронів, енергетично вигідною стає їх паралельна орієнтація. В результаті такої взаємодії усередині кристала феромагнетика виникають намагнічені області рис.1. Ці області називаються доменами. Кожен домен вдає із себе невеликий постійний магніт.

У відсутність зовнішнього магнітного поля напрями|направлення| векторів індукції магнітних полів в різних доменах орієнтовані у кристалі хаотично. Такий кристал виявиться ненамагніченим. При накладенні зовнішнього магнітного поля відбувається|походить| зсув|зміщення| меж|кордонів| доменів так, що об'єм|обсяг| доменів, орієнтованих по зовнішньому полю, збільшується. Із|із| збільшенням індукції зовнішнього поля зростає магнітна індукція намагніченої речовини. У дуже сильному зовнішньому полі домени, в яких власне магнітне поле збігається по напряму|направленню| із|із| зовнішнім полем, поглинають решту всіх доменів, і наступає|настає| магнітне насичення.

У макроскопічній теорії магнетизму основною характеристикою магнітного поля у вакуумі і речовині є вектори напруженості й індукції магнітного поля відповідно. Індукція магнітного поля В в магнітному середовищу пов'язана з напруженістю поля Н, що її викликає, залежністю:

B = μμ₀H, (1)

де μ - відносна магнітна проникність середовища;

μ₀ - 4-10^-7 Гн/м ~ абсолютна магнітна проникність вакууму (магнітна постійна).

По відношенню до магнітного поля,  матеріали можна розділити на три класи - діамагнетики, парамагнетики,  феромагнетики. Останні можна ще поділити на власне феромагнетики,  антиферомагнетики і  ферімагнетики.

Діамагнетиками називають речовини, у яких має місце повна взаємна компенсація орбітальних і спінових магнітних моментів електронів. Їх магнітна проникність не залежить від напруженості магнітного поля і складає величину трохи менше одиниці. Це означає, що діамагнетик послабляє магнітне поле або виштовхується з області з підвищеною напруженістю поля. Діамагнетизм властивий усім матеріалам, але, у порівнянні з іншими магнітними взаємодіями, виражений дуже слабко.

До діамагнетиків відносяться інертні гази, неперехідні метали (Be, Zn, Pb, Cu та ін.), напівпровідники (Si, Ge), діелектрики, надпровідники. Магнітна сприйнятливість діамагнетиків не залежить ні від температури, ні від ве­личини зовнішнього магнітного поля.

  Парамагнетиками називають речовини, у яких взаємодія між магнітними моментами атомів невелика, але існує. Парамагнетики мають магнітну проникність трохи більше 1. До парамагнетиків відносяться солі заліза, лужні метали, елементи перехідної групи, рідкісноземельні елементи, молекулярний кисень, а також Mg, Ca, A1, Сг, Мn та інші речовини. За відсутності магнітного поля парамагнетик ненамагнічений. При розташуванні парамагнетика у зовнішньому полі магнітне поле в парамагнетиці зростає відносно зовнішнього. При цьому магнітна проникність середовища виявляється більшою одиниці. Переважна кількість матеріалів є діа- і пара- магнетиками.

Крім слабомагнітних діа- та парамагнетиків, магнітна проникність μ яких мало відрізняється від одиниці, існують сильномагнітні речовини - феромагнетики.

До групи феромагнетиків відносяться чотири хімічні елементи: залізо, нікель, кобальт, гадоліній. З|із| них найбільшою магнітною проникністю володіє залізо. Тому вся ця група отримала|одержувала| назву феромагнетиків.

Феромагнетиками можуть бути різні сплави, що містять|утримують| феромагнітні елементи. Широке застосування|вживання| в техніці отримали|одержували| керамічні феромагнітні матеріали – ферити.

Феромагнетики характеризуються великим значенням магнітної проникності, а також її нелінійною залежністю, у першу чергу, від напруженості магнітного поля і температури.

Типова залежність μ(Н) приведена на рис.2.

У літературі розрізняють декілька визначень магнітної проникності.

П очаткова магнітна проникність μ_н - значення магнітної проникності при малій напруженості поля.

Максимальна магнітна проникність μ_max - максимальне значення магнітної проникності, яке досягається в середніх магнітних полях. У таблицях зазвичай приводяться значення максимальної магнітної проникності.

Фундаментальним параметром магнітного матеріалу є основна крива намагнічування - залежність магнітної індукції від напруженості магнітного поля. Вид цієї залежності визначається властивостями матеріалу, зовнішніми умовами і навіть попереднім магнітним станом середовища. Звичайно криві намагнічування отримують на попередньо повністью розмагнічених зразках (основні криві). Типовий вид основної кривої намагнічування поданий на рис.3.

На початковій стадії намагнічування спостерігається практично лінійна залежність В від Н і, як слідство, сталість магнітної проникності. Цій області відповідає пружний зсув доменних стінок тих доменів, орієнтація магнітного моменту яких близька до напрямку зовнішнього поля. У ньому діапазоні напруженості поля аналізований параметр матеріалу називають початковою магнітною проникністю μ_поч.

При подальшому збільшенні напруженості поля магнітна індукція продовжує наростати за рахунок повороту векторів магнітних моментів уздовж поля, що намагнічує, і досягає свого максимального значення. Останнє явище відбивається в так званому технічному насиченні феромагнетика. (У цьому інтервалі напруженості поля відносна магнітна проникність речовини асимптотично починає наближатися до одиниці.)

Для різноманітного роду технічних застосувань аналізу тільки статичної і початкової магнітної проникності недостатньо. Для роботи активного магнітного середовища в змінних або імпульсних магнітних полях використовують і інші визначення магнітної проникності. Зокрема, для оцінки ефективності роботи матеріалу на змінному магнітному полі широко застосовується поняття диференційної магнітної проникності. Цей параметр являє собою похідну від магнітної індукції по напруженості магнітного поля в кожній точці основної кривої намагнічування.

Характерною особливістю процесу намагнічення феромагнетиків є так званий гістерезис, тобто залежність намагнічення від передісторії зразка. Крива намагнічення B (Н) феромагнітного зразка є петлею складної форми, яка називається петлею гістерезису (рис. 4.).

З |із| рис.4. видно|показний|, що коли наступає|настає| магнітне насичення – намагніченість зразка|взірця| досягає максимального значення.

Якщо тепер зменшувати магнітну напруженність Н зовнішнього поля і довести її знов до нульового значення, то феромагнетик збереже залишкову намагніченість – поле усередині зразка буде рівне Br. Залишкова намагніченість зразків дозволяє створювати постійні магніти. Для того, щоб повністю розмагнітити зразок, необхідно, змінивши знак зовнішнього поля, довести магнітну напруженність Н до значення –Н_c, яку прийнято називати коэрцитивной силою. Далі процес перемагнічування може бути продовжений. На рис. 3.стрілками вказано спрямування процесів намагнічення і розмагнічування феромагнітного зразка при зміні індукції зовнішнього магнітного поля.

Виходячи з різниці в коерцитивній силі в техніці прийнято розподіл магнітних матеріалів на магнітом’які й магнітотверді. Характерними властивостями магнітом’яких матеріалів є мале значення коерцитивної сили, у зв'язку з чим вони здатні намагнічуватися до насичення навіть у слабких полях. Ці матеріали мають високу магнітну проникність і малі втрати на перемагнічування.

Магнітотверді матеріали (матеріали для постійних магнітів) мають високі значення коерцитивної сили, велику питому енергію. Ця енергія є пропорційна добутку залишкової індукції на величину коерцитивної сили.

Характерні петлі гістерезису властиві не лише різноманітним типам магнітних матеріалів, але навіть деяким окремим маркам цих матеріалів.

Магнітом’які , тобто матеріали, що легко намагнічуються, мають вузьку петлю гістерезису невеликої площі за високих значень індукції рис. 5, а, б, в. Матеріали цього типу із заокругленою петлею гістерезису рис.5, а, б) застосовують для роботи в низькочастотних магнітних полях. Магнітом’які матеріали з прямокутною петлею гістерезису (ППГ) (рис. 5, в) використовують в імпульсних пристроях магнітної пам'яті. Магнітотверді матеріали важко намагнічуються, але здатні тривалий час зберігати намагнічений стан. Для них притаманна широка петля гістерезису великої площі (рис.5,г); використовуються ці матеріали для вигото влення постійних магнітів.

Межа значень коерцитивної сили, за якими матеріал можна віднести до групи магнітом’якіх чи магнітотвердих, є доволі умовна. До магнітом’якіх відносять матеріали з величиною Н_с менше за 400А/м, а до магнітотвердих  матеріали з величиною Н_с більш за 4 кА/м.

Магнітні матеріали, що мають специфічні властивості й у зв'язку з цим обмежену область застосування, можна видокремити в третю групу  матеріали спеціального призначення. До їхнього числа відносять матеріали з прямокутною петлею гістерезису, ферити НВЧ-диапазону, термомагнітні й магнітострикційні матеріали.

Експерименти показують, що розглянуті параметри знаходяться в складній функціональній залежності від багатьох зовнішніх умов, зокрема від температури. Типова залежність магнітної проникності феромагнетика від температури приведена на рис.6. Як випливає з рис.6 при точно визначеній температурі магнітна проникність досягає свого максимального значення. Цю температуру називають температурою Кюрі. Для кожного феромагнетика існує певна температура (так звана температура або точка Кюрі), вище за яку феромагнітні властивості зникають, і речовина стає парамагнетиком. У|біля| заліза, наприклад, температура Кюрі дорівнює 770 °C, у|біля| кобальту 1130 °C, у|біля| нікелю 360 °C.

Т акий характер температурної залежності магнітної проникності пояснюється підвищенням рухливості доменних стінок із зростанням температури, що сприяє росту намагніченості. Проте процес інтенсифікації руху меж доменів не може протікати безмежно. Дійсно, після досягнення температури Кюрі тепловий рух стає настільки інтенсивним, що його енергії досить для руйнації доменів. Це означає, що речовина втрачає свої феромагнітні властивості і переходить у діамагнітний стан. Таким чином, температурний інтервал функціонування феромагнітних матеріалів у приладах електронної техніки є обмеженим температурою Кюрі.

Магнітні властивості феромагнетиків знаходяться в тісному зв'язку з наявністю в ньому механічних напруг. Взаємозв'язок механічних деформацій з утворюваним ними магнітним полем зветься магнітострикцією. Розрізняють прямий і обернений магнітострикційний ефект. З прямим магнітострикційним ефектом звичайно зв'язують зміну геометричних розмірів матеріалу в магнітному полі. Обернений ефект відображається в зміні намагніченості речовини при прикладенні до нього механічних напруг. Магнітострикційні ефекти широко застосовуються в різноманітних галузях електронної техніки. Звичайно на основі цього явища функціонують різноманітні перетворювачі для генерації і прийому звукових або ультразвукових коливань. Магнітострикційні перетворювачі відрізняє досить високий ККД аж до 70 - 80 % навіть при підвищених частотах.

Магнітні параметри матеріалу залежать від частоти зовнішнього магнітного поля. Крива, що описує залежність В(Н) у швидкозмінному магнітному полі, зветься динамічною петлею гістерезісу. Експерименти показують, що зі збільшенням частоти вигляд динамічної петлі усе сильніше відрізняється від її статичного аналога: петля стає ширше, і площа її зростає. Відзначене явище знаходить своє відображення у частотній залежності магнітної проникності феромагнетика. При цьому аналізована залежність має тенденцію до зменшення з ростом частоти. Основними чинниками, що визначають такий хід залежності, є втрати на перемагнічування матеріалу, втрати на вихрові струми та інерційність магнітної взаємодії доменів.

Енергія магнітного поля в будь-якому середовищі й отже енергія, що затрачається на перемагнічування пропорційні добутку В на Н . Це означає, що втрати в цьому випадку з тим або іншим коефіцієнтом будуть пропорційні площі петлі гістерезісу і кількості циклів перемагнічування. Цей висновок підтверджується на практиці, де відзначена пряма пропорційність між питомою потужністю втрат, частотою й індукцією в ступені п (n = 1,6-3,5). Показник ступеня п є функцією параметрів матеріалу (форми петлі гістерезісу).

Що стосується втрат на вихрові струми, то можна стверджувати, що їх питома потужність відповідно до закону Джоуля-Ленца буде пропорційна квадратам магнітної індукції і частоти (теплова потужність пропорційна квадрату струму). Отже, можна стверджувати, що з підвищенням частоти переважними будуть втрати на вихрові струми, тоді як при низьких частотах основний внесок у загальні втрати буде визначаться характером перемагнічування матеріалу.

Вихрові струми визначають не тільки величину втрат у магнітних матеріалах, але вони відповідальні і за створення в речовині поля, що її розмагнічує. Дійсно, відповідно до правила Ленца напрямок індукційних струмів такий, що утворюване ними магнітне поле спрямоване протилежно зовнішньому. Це створює розмагнічуючий ефект, що відбивається на зменшенні магнітної проникності при підвищенні частоти поля. З висловлених загальних розумінь випливає висновок про неможливість застосування матеріалів із низьким питомим опором на високих частотах через неминучі величезні теплові втрати. Така ситуація дозволяє розділити феромагнітні речовини за магнітними параметрами і величиною втрат на такі групи: магнітом'які матеріали для низьких і високих частот і магнітотверді матеріали.

Ц иліндричні магнітні домени (ЦМД) - різновид феромагнітних доменів; ізольовані однорідно намагнічені області в магнітній плівці (або в тонкій магн. пластинці), що мають форму кругових циліндрів і напрям намагніченості, антипаралельний намагніченості решти частини плівки рис.7.

Для освіти ЦМД необхідна наявність у магн. плівки достатньо великої магнітної анізотропії, причому вісь легкого намагнічення (ОЛН) повинна бути перпендикулярна поверхні плівки. Матеріали, в к-рых можуть утворюватися ЦМД, наз. ЦМД-матеріалами. До них відносяться монокристаллич. плівки феритів-гранатів, аморфні плівки интерметаллич. з'єднань рідкоземельних і перехідних металів, ортоферриты, гексаферриты і ін.

початковому розмагніченому стані (при H=0) плівка з ЦМД-матеріала маіє, як правило, лабіринтовою доменною невпорядкованою (рис. 8) структура з двома типами доменів, намагніченість к-рых направлена уподовж або проти нормалі до поверхні плівки. Характерне значення ширини домена в лабіринтовій структурі залежить від намагніченості насичення і складає 0,5-5 мкм у феритах-гранатах, 0,1-0,5 мкм в гексаферритах, 30-100 мкм в ортоферритах.

При збільшенні напруженості поля зсуву (напр., направленого вгору, як показано на рис. 1) лабіринтова доменна структура перетворюється на структуру ЦМД; домени з намагніченістю, орієнтованою по полю, прагнучи зменшити енергію зразка, збільшуються в об'ємі, а домени з протилежним напрямом намагніченості стискаються по ширині і зменшуються по довжині до тих пір, поки не перетворяться на ізольованих ЦМД (рис.9).

ЦМД підтримується в стійкій рівновазі під дією трьох сил: що стискає з боку поля зсуву; розтягуючої сили магнитостатич. походження; стискаючої сили поверхневого натягнення доменної стінки. Саме завдяки останній підтримується кругла форма ЦМД.

Діаметр ЦМД складає 1...5 мкм залежно від матеріалу і товщини плівки. ЦМД можна створити за допомогою генератора доменів, який є дротяною петлею із струмом рис.20

На ЦМД створюються СБІС ПЗП. Вони володіють високою надійністю і швидкодією. Пристрої, що запам'ятовують, на ЦМД по своїх параметрах перевершують аналогічні пристрої на магнітних дисках. Проте збільшенню щільності запису при використанні ЦМД перешкоджає магнітостатична взаємодія між ЦМД. Для його усунення необхідно зберігати певну відстань ЦМД в сусідніх елементах пам'яті.