2.3 Намагничивание и перемагничивание. Магнитные свойства материалов
2.3.1 Кривые намагничивания
В ферромагнетике под действием магнитного поля Н создается такая намагниченность J, которая в десятки и сотни раз превышает намагничивающее поле Н. Эта способность сохраняется у ферромагнетиков до определенной температуры, называемой температурой Кюри (Θ). У разных ферромагнетиков Θ различна, например, кобальт имеет Θ = 1120 °С, железо – 768 °С, никель – 358 °С, гадолиний – 17 °С.
С увеличением намагничивающего поля намагниченность возрастает все медленнее. Если в малых полях J >> Н, то в больших величина Н становится сравнима с М, во всяком случае при исследовании процессов в ферромагнетике величиной J нельзя пренебрегать, поэтому в рассмотрение вводят сумму Н + J, которую называют индукцией:
В = μ0(H + J).
Намагниченность J, стало быть, и индукция В зависят от Н нелинейно. Кривые типа J = f(Н) и В = f(Н) называют кривыми намагничивания. Их вид может быть различен в зависимости от способа получения (измерения) и исходного состояния ферромагнетика. В качестве исходного состояния ферромагнетика следует принять размагниченное.
Рассмотрим некоторые виды кривых намагничивания (рис. 2.8).
B
H
3
1
Рис. 2.8 Начальная (1),
основная (2) и идеальная (3)
кривые намагничивания
1. Начальную (первоначальную) кривую получают измерением В при постепенном медленном увеличении Н из состояния В = 0, Н = 0. Однако часто невозможно размагнитить образец так, чтобы в нем было действительно хаотическое расположение векторов магнитных моментов доменов (кроме случая нагревания выше температуры Кюри, когда это допустимо). В связи с этим получить нужную кривую сложно, поэтому кривая первоначального намагничивания не является технической характеристикой материала.
2. Основная (коммутационная) кривая – это кривая, представляющая собой геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса, которые получаются при последовательно возрастающих максимальных значениях напряженности магнитного поля, т. е. каждая точка основной кривой намагничивания создается после многократного коммутирования намагничивающего тока для получения установившегося цикла.
Основная (коммутационная) кривая намагничивания является исходной для получения таких характеристик ферромагнитных материалов, как μа, μd, μmax и др.
3. Безгистерезисная (идеальная) кривая получается в результате наложения на небольшие постоянные намагничивающие поля переменного магнитного поля с убывающей до нуля амплитудой. Намагничивание по безгистерезисной кривой может происходить и в результате механического встряхивания с помощью частых ударов ферромагнитного образца, находящегося в слабом магнитном поле. На практике это часто приводит к тому, что отдельные объекты приобретают значительную остаточную намагниченность, что приводит к трудностям при их эксплуатации. Известно, например, что в поле Земли ферромагнитные объекты намагничиваются, однако если при этом на них воздействуют ударные нагрузки, то остаточная намагниченность может достигать большой величины, т. к. намагничивание происходит по безгистерезисной кривой. Приведём некоторые примеры.
Первый пример. Высокую остаточную намагниченность в слабом поле Земли приобретают, например, длинные стальные трубы для строительства магистральных нефте- и газопроводов, которые в процессе транспортировки подвергаются ударным нагрузкам и тряске. Вследствие этого при их сварке возникают трудности, связанные с так называемым «магнитным дутьем». «Магнитное дутье» обусловлено взаимодействием сварочной дуги с магнитным полем. Оно вызывает неустойчивость горения, блуждание и даже гашение сварочной дуги. Существуют специальные приемы, повышающие стабильность горения дуги. Однако кардинальный путь – размагничивание труб перед сваркой.
Второй пример. Сильное намагничивание судов в поле Земли. Под действием ударов морских волн в слабом магнитном поле Земли стальной корпус судна намагничивается по безгистерезисной кривой.
По характеру процессов намагничивания кривую намагничивания условно можно разбить на пять участков (рис. 2.9):
I участок – область начального (обратимого) намагничивания. Этот участок характеризуется постоянной восприимчивостью (проницаемостью), т. е.
χ = J/Н = const(μн = В/μ0 Н = const).
Намагничивание ферромагнетика на этом участке кривой намагничивания осуществляется за счет обратимого (упругого) смещения доменных границ;
Н
Рис. 2.9 Основные области кривой намагничивания
II участок – область Рэлея. Намагничивание на этом участке осуществляется в основном за счет смещения доменных границ. Для этой области кривой намагничивания справедлив закон Релея, который выполняется практически для всех ферромагнетиков, за исключением тех, у которых эта область может отсутствовать. Намагниченность в области Релея определяется как
J = χнН + bН2,
где b – коэффициент Релея;
;
III участок – область наибольших значений магнитной проницаемости. В этой области намагниченность меняется большими скачками Баркгаузена, вызванными необратимым смещением доменных границ. Для многоосных магнитотвердых материалов, кроме процессов смещения, в этом диапазоне полей, характерно скачкообразное вращение векторов намагниченности;
IV участок – область приближения к насыщению. Восприимчивость постепенно уменьшается. Процесс намагничивания на этом участке осуществляется в основном за счёт вращения векторов спонтанной намагниченности по направлению внешнего магнитного поля. Работа по повороту векторов спонтанной намагниченности на направление действующего поля затрачивается на преодоление кристаллографической анизотропии, которая стремится удержать векторы спонтанной намагниченности в направлении лёгкого намагничивания. Процессы вращения – преимущественно обратимые;
V участок – область парапроцесса. Процессы смещения и вращения закончены. На этом участке в сильных магнитных полях незначительное увеличение намагниченности связано с дополнительной ориентацией спиновых магнитных моментов в направлении приложенного поля.