№13 Дәріс конспектісі

Дәріс тақырыбы: Магнитті материалдар. Материалдардың магнитті қасиеттері жайлы жалпы мәліметтер.

Материалдардың магнитті қасиеттері жайлы жалпы мәліметтер. Өз бетінше поляризацияланатын заттарда жеке обылыстар болады - домендер; олар сыртқы өрістер болмай тұрып электрлі моментке ие болады. Бірақ электр моменттерінің ориентациясы әртүрлі домендерде әртүрлі. Сыртқы өрісті беру өріс бағыты ориентациясына әрекет етеді, ол өте үлкен поляризацияны береді. Магнитті материалдар ретінде техникалық мәнге феромагнитті заттар мен ферромагнитті химиялық қоспалар (ферриттер) ие. Ферромагнетик — кристалды зат, онда әрбір доменда нәтижеленетін магнитті моменттер нөлден бөлек болады. Антиферромагнетик — кристалды зат, онда әрбір доменда нәтижеленетін магнитті моменттер нөлге тең. Ферримагнетик — кристалды зат, оның магнитті структурасын екі немесе одан көп тор астындағылар түрінде көрсетуге болады, сондай-ақ әрбір доменда нәтижеленетін магнитті моменттер нөлден бөлек болады. Материалдардың магнитті қасиеттері өздерімен элементті дөңгелек тоқтарды көрсететін электр зарядтар қозғалысының ішкі жасырын формаларымен шартталған. Осындай дөңгелек тоқ болып электрондардың өз өсімен айналуы болып табылады – электронды спиндар мен атомдарда электрондардың орбиталық айналуы. Ферромагнетизм құбылысы, магнитті домендер деп аталатын электронды спиндар макроскопиялық обылыстар шектігінде бір біріне параллельді ориентацияланатындай және бірдей бағытталатындай кездерінде арнайы температурадан төмен (Кюри нүктесі) кейбір материалдардың ішінде кристалды структураны құрумен байланысты. Осындай түрде, ферромагнитті жағдай үшін тән зат болып онда сыртқы магнитті өрісті бермей-ақ өз бетінше магниттелудңғ болуы саналады. Бірақ-та ферромагнетиктерде өз бетінше магниттелу обылыстары құрылса да, жеке домендердің магнитті моменттерінің бағыты әртүрлі болып алынады. Мұндай дененің магнитті ағыны сыртқы кеңістікте нөлге тең болады.

Ферромагнитті заттардың монокристалдары әртүрлі өстер бойында магниттелудің әртүрлі жеңілдіктерінде өрнектелетін магнитті анизотропиямен сипатталады. Поликристалды магнетиктерде анизотропия жеткілікті көп өрнектелсе, ферромагнетикте магнитті текстура басым деп қабылданады. Берілген магнитті текстураны алу үлкен мәнге ие және техникада материалдың жоғары магнитті сипаттамаларын арнайы бағытта құру үшін қолданылады.

Сыртқы магнит өрісі әсерімен ферромагнетикті магниттеу процесі: 1) өріс бағытымен ең аз бұрышты құрайтын магнитті моменті бар домендердің өсуі, және басқа домендердің өлшемдерінің азаюы және (домен шекараларының ығысу процесі); 2) өрістің сыртқы моменті бағытында магнит моменттерінің бұрылуы (ориентация процесі).

Доменнің өсуі тоқтатылған кезде, магнитті қанығу басталады, ал магнитті домендер өріс бағытына ориентацияланған болып табылады. Қатынасты магнитті өтімділік негізгі магниттелу қисығы бойынша магниттелу қисығының берілген нүктесінде μ_о =4π*10^-7 Гн/м магнит тұрақтылығын ескере отырып В индукциясының магнит өрісінің кернеулілігіне қатынасы ретінде анықталады:

(21)

H ≈ 0 кезінде μ магнитті өтімділікті, 0,1 А/м жуық өте әлсіз өрістер кезінде анықтай отырып бастапқы өтімділік деп атайды. Магнитті өтімділіктің ең үлкен мәні максимум өтімділік деп аталады және μ_макс деп белгіленеді.Күшті өріс кезінде қанығу обылысында магнитті өтімділік μ_r нөлге ұмтылады. Ферромагнитті материалдардың магнитті өтімділігі Кюри (нүктесіне) температурасына жуық температура кезінде максимум арқылы өте отырып температурадан тәуелді болады. Таза темір үшін Кюри нууктесі 768° С құрайды, никель үшін 358° С, кобальт үшін 1131° С. Кюри нүктесінен жоғары температура кезінде кенеттен магниттелу обылысы жылу қозғалысымен бұзылады және материал магнитті болмай қалады. Егер сыртқы магнит өрісінде ферромагнетикті ақырын магниттейтін болсақ, содан соң негізгі магниттелу қисығының қандай да бір нүктесінен кернеулілікті азайтуды бастасақ, онда индукция да кеми бастайды, бірақ негізгі қисық бойынша емес, гистерезис құбылысы салдарынан негізгі қисықтан қалып кемиді. Қаныққанға дейін магниттелген үлгінің магниттелусіз процесінде Н=0 кезінде В мәні қалдық индукция деп аталады В_r. Индукцияны В_r мәнінен нөлге дейін азайту үшін ұстайтын (коэрцитивті) күш деп аталатын өрістің кері бағытталған Н_с кернеулілігін беру қажет. Н_с мәні аз және магнитті өтімділігі үлкен материалдарды магнитті-жұмсақ материалдар деп атайды. Коэрцитивті күші үлкен және салыстырмалы аз магнитті өтімділігі бар материалдар магнитті-қатты материалдар деп аталады.

Кейбір кристалды заттар үшін жүйенің потенциалды энергия минимумына бір бағытың екіншісіне қандай да бір үстемділігімен спиндардың антипараллельді орналасуы жауап береді. Бұл заттарды ферромагнетиктер деп атайды. Оларда доменді структура; Кюри нүктесі бар; оларға ферромагнетик заттар үшін енгізілген барлық сипаттамалар қолданылады. Ферримагнетиктер болып практикада фериттер деп аталатын күрделі оксидті материалдар саналады. Ферримагнетиктер ферромагнетиктерден аз қанығу индукциясымен айырылады, едәуір күрделі температуралық тәуелділігі бар және жоғарыланған, ал кейбір материалдар үшін меншікті кедергінің мәні өте жоғары.

6 –сурет. Магнетиктердің жіңішке үлгілеріндегі доменді структуралары.

Алғашқы екі айырмашылық структурада қарама қарсы компенсацияланбаған магнитті ағындарды құрайтын екі тор астындағы күрделі материалдың болуымен түсіндірілуі мүмкін, ал үшінші айырмашылық — ол материалдар металға жатпайтындығымен түсіндіріледі.

Қандай да бір фррит үшін әртүрлі температура кезінде B _макс1 және B _макс2 қисықтарының ординаталары арасында қатынастар үшін, Кюри нүктесінен төмен қандай да бір температураға компенсациия алынады, және үлгінің нәтижелік қанығу B _макс индукциясы нөлге тең болады. Бұл нүктені компенсация нүктесі деп атайды t_комп. Компенсацция нүктесінен өткенде индукция ферримагнетик үлгісінде белгісін өзгертіп және содан соң Кюри нүктесінде сыртқы өрістің кернеулілігіне (ол аз және сызба масштабында нөлге жуық) тең болады. Әртүрлі ферримагнетиктерде компенсация нүктесі болуы да болмауы да мүмкін.

Жіңішке магнитті пленкалар және цилиндрлі домендер. Жіңішке магнитті пленкалардың ерекшелігі болып, аз қабат (сызықты өлшемдерден көп аз 6 а, б сурет) кезінде жеңіл магниттелу бағыты пленка жазықтығында орналасқан болады. 6 а, суретте көрсетілген жазық домендер құралады. Өте жіңішке пленкалар үшін бірдоменді структура тән, қалыңдығы 10^-3—10^-2 мм жоғары пленкалар үшін (әртүрлі заттарда) — қарама қарсы бағыттарда магниттелген, ұзын жұқа домендерден (енә бөлшек микрометрден бірнеше микрометрге дейін) тұратын көпдоменді. Сыртқы өрістер әсерімен барлық сызықтар жүйесі жылжуы және айналу мүмкін, және оны жарық және электромагнитті спектор өрісінің жақын диапазоны үшін басқарылатын дифракциялық тор ретінде қолданылады.

Жеңіл магниттелу өсіне перпендикулярлы қалыңдығы 50 мкм жуық бағытталып кесілген кейбір ферриттердің пластинкаларында 6, б суреттегі (ашық және қара жерлері) жазықтыққа қалыпты магниттелудің қарама қарсы бағыты бар домендердің лабиринтті структурасы (Н ≈ 0 кезінде) бақыланады. Егер пластинаны, сол пластинаның бетіне перпеникуляр болатын бағыты бойынша өзгермейтін сыртқы магнит өрісіне орналастырсақ, және өріс кернеулілігін көбейтсек, онда лабиринтті структура үзіледі де цилиндрлі домендер құрылады (6, в сурет), олардың диаметрлері өрістің ары қарай күшеюуі кезінде бардық пластина бойынша біртекті бірдоменді магниттелуге жеткеше кеми беереді. Магнитті өрістің арнайы мәндері кезінде болатын, өріспен басқарылатын цилиндрлі домендерге (екі координаталар бойынша ығысуы мүмкін), есептеу техника құрылғыларын құру кезінде үлкен көңіл бөлінеді. Оларды есте сақату және логикалық элементтер құрылғыларын құру кезінде қолдануға болады. Екілік жүйеде «1» құрылғының арнайы бір нүктесінде доменнің болуына сәйкес келеді, ал «0» — болмауына сәйкес келеді. Цилиндрлі домендері бар магнитті элементтер тасымалдау материалының біртектілігін бұзбай көпфункционалды операцияларды орындауды мүмкін етеді.

Негізгі әдебиет: 1. [310-346].

Қосымша әдебиет: 2. [352-396].

Бақылау сұрақтары:

1. Материалдардың магнитті қасиеттері жайлы жалпы мәліметтер.

2. Магнитті-жұмсақ материалдар.

3. Магнитті-қатты материалдар.