3. Материалы с особыми физическими свойствами

3.1. Материалы с особыми магнитными свойствами

3.1.1. Общие сведения о ферромагнетиках

Все материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются. Намагни­чивание связано с наличием у составляющих материал атомов (или ионов, молекул) ми­кроскопических магнитных моментов. Для единичного атома без внешнего магнитного поля магнитный момент суммируется из век­торов орбитальных и собственных (спи­новых) моментов электронов, принадлежа­щих данному атому. Магнитным моментом ядра пренебрегают, так как он значительно меньше магнитных моментов электронов.

Макроскопической характеристикой на­магничивания материалов служит величина намагниченности М, равная суммарному магнитному моменту атомов единицы объема.

Установлена связь намагниченности М с напряженностью Н внешнего магнитного поля:

М = k_m Н,

где k_m - безразмерный коэффициент пропор­циональности называют магнитной вос­приимчивостью материала.

В зависимости от знака и величины маг­нитной восприимчивости все материалы под­разделяют на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики - материалы, которые на­магничиваются противоположно приложен­ному полю и ослабляют его, т. е. имеют k_m < 0 (от -10 ^-4 до -10 ^-7). Отрицательная магнитная восприимчивость связана с дей­ствием магнитного поля на орбитальный магнитный момент электрона. Согласно пра­вилу Ленца, в атоме возникает добавочный магнитный момент, направленный против поля (диамагнитный эффект).

Диамагнетизм присущ всем веществам, но выражен слабо. Он проявляется только тог­да, когда спиновые моменты всех электронов в атоме взаимно скомпенсированы или диа­магнитный эффект преобладает над нескомпенсированным спиновым моментом. К диамагнетикам относятся инертные газы, непе­реходные металлы (Be, Zn, Pb, Cu, Ag и др.), полупроводники (Ge, Si), диэлектрики (поли­меры, стекла и др.), сверхпроводники.

Парамагнетики-материалы, которые име­ют k_m > 0 (от 10 ^-2 до 10 ^-5) и слабо намагни­чиваются внешним полем. Намагниченность обусловлена наличием нескомпенсированных спиновых моментов электронов, которые разориентированы в пространстве из-за теплового движения атомов (рис. 14). Под воздействием внешнего поля магнитные моменты атома получают преимуществен­ную ориентировку (парамагнитный эффект), и у кристалла появляется некоторая намаг­ниченность. К парамагнетикам относятся ме­таллы, атомы которых имеют нечетное чис­ло валентных электронов (К, Na, A1 и др.), переходные металлы (Mo, W, Ti, Pt и др.) с недостроенными электронными оболочка­ми атомов.

Рис. 14. Схема ориентации магнитных мо­ментов атомов различных материалов

Ферромагнетики характеризуются боль­шим значением магнитной восприимчивости (k_m » 1), а также ее нелинейной зависи­мостью от напряженности поля и темпера­туры. Железо, никель, кобальт и редкозе­мельный металл гадолиний имеют чрезвы­чайно большое значение k_m ~ 10⁶. Их способ­ность сильно намагничиваться широко ис­пользуется в технике.

Ферромагнетизм - результат обменного взаимодействия электронов недостроенных оболочек соседних атомов, перекрывающихся при образовании кристаллов. При этом элек­трон атома может временно находиться вблизи ядра соседнего атома. Такое взаимо­действие приводит к изменению энергетиче­ского состояния, и его оценивают обменной энергией. При положительном значении этой энергии более выгодным у атомов кристалла становится параллельная ориентация спи­новых магнитных моментов; при отрица­тельном - антипараллельная. Ве­личина и знак обменной энергии зависят от параметра кристаллической решетки, от­несенной к диаметру незаполненной элек­тронной подоболочки. Согласно кванто­вой теории все основные свойства ферромаг­нетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов.

Домен - это область кристалла размером 10^-4 — 10^-6 м, где магнитные мо­менты атомов ориентированы параллельно

определенному кристаллографическому на­правлению. При отсутствии внешнего маг­нитного поля каждый домен спонтанно (самопроизвольно) намагничен до насыще­ния, но магнитные моменты отдельных до­менов направлены различно и полный маг­нитный момент ферромагнетика равен нулю. Между доменами имеются переходные слои (доменные стенки) шириной 10^-7 — 10^-8 м, внутри которых спиновые магнитные мо­менты постепенно поворачиваются.

В антиферромагнетиках магнитные мо­менты атомов ориентируются антипараллельно, и результирующий момент равен ну­лю. Если же эти магнитные моменты не скомпенсированы, то возникает результирующий магнитный момент, и та­кой материал называют ферримагнетиком.

Магнитная индукция - плотность магнит­ного потока определяется как сумма внешне­го Н и внутреннего М магнитных полей:

В = μ₀ (Н + М),

где магнитная постоянная μ₀ = 4π ∙ 10 ^-7 Гн/м.

Интенсивность роста индукции при увели­чении напряженности намагничивающего по­ля характеризует магнитная проницае­мость μ. Она определяется как тангенс угла наклона к первичной кривой намагни­чивания B = f(H) (рис. 15).

Рис. 15. Петля гистерезиса ферромагнетика

При этом различают начальную магнит­ную проницаемость μ _н при Н ≈ 0 и макси­мальную μ_max.

Процессы намагничивания полностью не­обратимы. Если магнитное поле, доведенное до +H_S, уменьшать до нуля (см. рис. 15), то индукция сохранит определенное значение В_r, называемое остаточной индукцией. На­магничивание поликристалла полем обрат­ного знака уменьшает индукцию В, и при на­пряженности поля Н_с индукция падает до нуля. Напряженность магнитного поля, рав­ная Н_c, называется коэрцитивной силой. При перемагничивании от +H_s до -H_s и обрат­но кривые не совпадают. Площадь, ограни­ченная этими кривыми, определяет потери на гистерезис или перемагничивание.

Кривая намагничивания и форма петли ги­стерезиса -важнейшие характеристики фер­ромагнетика, так как они определяют ос­новные его константы, а следовательно, и области применения.

Намагничивание в полях напряженностью меньше H_s называют техническим намагни­чиванием, а в полях с большей напряжен­ностью - истинным намагничиванием, или парапроцессом. В последнем случае остав­шиеся непараллельные магнитные моменты атомов ориентируются параллельно напра­влению поля.

При намагничивании в полях Н > H_s уве­личивается и объем кристалла. Относитель­ное изменение объема называют коэффи­циентом объемной магнитострикции парапроцесса λ_s. Он обычно мал, но у некоторых сплавов, называемых инварами, достигает значительных величин. Явление магнитострикции используется при кон­струировании ультразвуковых генераторов волн и других магнитострикционных прибо­ров.

Легко намагничиваются (малое значение H_s) химически чистые ферромагнитные ме­таллы и однофазные сплавы на их основе. Количество кристаллических дефектов в них должно быть минимальным, например, гра­ницы кристаллов должны иметь минималь­ную протяженность, что обеспечивается крупнокристаллической структурой.

Если размер кристаллов ферромагнетика приближается к размерам доменов, то при намагничивании и размагничивании возмо­жен только процесс вращения векторов на­магничивания, что сопровождается неболь­шими изменениями намагниченности М и индукции В. Петля гистерезиса принимает прямоугольную форму.

Для намагничивания нежелательны дисло­кации и остаточные напряжения, для устра­нения которых в конце технологического процесса применяют термическую обработ­ку -отжиг. Особенно вредны примеси, обра­зующие в кристаллической решетке основно­го ферромагнетика примесные дефекты или собственные мелкодисперсные фазы. В обоих случаях смещение доменной стенки и враще­ние векторов намагничивания затрудняются.