книги из ГПНТБ / Брагинский, Г. И. Технология магнитных лент

полю, последнее ослабляется. Однако намагниченность диамагне­

не скомпенсированы, поэтому результирующий магнитный момент атомов и молекул этих веществ не равен нулю. В отсутствие внеш­ него магнитного поля за счет равновероятной по всем направлениям ориентации магнитных моментов отдельных атомов и молекул про­ исходит их взаимная компенсация. Таким образом, парамагнетики не обладают магнитным моментом, т. е. не являются намагничен­ ными. При воздействии же на парамагнетик внешнего магнитного поля происходят одновременно два явления: прецессия спиновых осей и некоторая ориентация магнитных моментов атомов и молекул

внаправлении внешнего поля.

Содной стороны, беспорядочное тепловое движение частиц не­ прерывно изменяет направление их магнитных моментов, но, с дру­ гой стороны, внешнее магнитное поле оказывает ориентирующее действие, в результате устанавливается некоторое равновесное рас­ пределение магнитных моментов атомов и молекул. Результирующий момент при этом распределении не равен нулю, и тело оказывается намагниченным в направлении внешнего поля. Чем больше напря­ женность внешнего магнитного поля, тем большее число магнитных моментов атомов ориентируется в направлении поля и тем больше намагниченность тела.

Коэффициент пропорциональности между намагниченностью и напряженностью внешнего магнитного поля называют магнитной восприимчивостью. Для диамагнетиков магнитная восприимчивость — величина отрицательная (намагниченность имеет направление про­ тивоположное полю), а для парамагнетиков — положительная. Ве­ личина восприимчивости для парамагнетиков, так же как и для диа­ магнетиков, очень мала (ІО-4—ІО“3), поэтому возникающая в них даже. в сильных полях намагниченность практического значения не имеет.

Имеется сравнительно небольшая группа веществ, которые очень сильно намагничиваются даже в слабых магнитных полях. Эти вещества называют ф е р р о м а г н е т и к а м и , они находят широкое применение в технике и, в частности, в магнитной записи. К ферромагнетикам относятся: железо, никель, кобальт, гадолиний, диспрозий, некоторые их сплавы и сплавы марганца и хрома, а также окислы (например, ферриты).

Магнитные свойства ферромагнетиков обусловлены спецификой их строения. В атомах ферромагнитных веществ имеются незаполнен­ ные внутренние электронные оболочки. В заполненных оболочках как орбитальные, так и спиновые магнитные моменты оказываются взаимно скомпенсированными, т. е. число спинов, ориентирован­ ных в одном направлении, равно числу спинов, ориентирован­ ных в противоположном направлении. Наличие внутренних неза­ полненных оболочек в атомах является необходимым, но еще не

21

достаточным условием возникновения ферромагнитных свойств. Не­ заполненные оболочки имеются также в атомах некоторых неферро­ магнитных веществ, например хрома, ванадия, марганца. Более того, отдельные атомы ферромагнитных веществ, находящиеся на значи­ тельном расстоянии друг от друга, не проявляют ферромагнитных свойств и могут быть отнесены к парамагнетикам.

Ферромагнитные свойства возникают только у веществ в кристал­ лическом состоянии. При очень малом расстоянии между атомами в кристаллической решетке возникает электростатическое взаимодей­ ствие между электронами незаполненных оболочек соседних атомов, которое называют обменным взаимодействием. Обменное взаимодей­ ствие приводит к параллельной ориентации нескомпенсированных спинов и возникновению самопроизвольной (спонтанной) намагни­ ченности. При дальнейшем уменьшении расстояния между атомами силы обменного взаимодействия могут приводить к антипараллель­ ной (т. е. встречной) ориентации спиновых моментов. Различают два случая: когда спиновые моменты полностью компенсируют друг друга — антиферромагнетизм — и когда компенсация неполная — нескомпенсированный антиферромагнетизм, или ферримагнетизм. Ферримагнитные тела ведут себя во многих отношениях подобно ферромагнетикам. В зависимости от степени декомпенсации полу­ чаются вещества со свойствами от очень сильного до очень слабого ферромагнетизма. К числу сильномагнитных веществ этой группы относятся широко применяющиеся в технике ферриты (соединения типа Fe20 3-CoO, Fe20 3-Ni0, Fe20 3-Mn0 и т. д.).

Казалось бы, что обменное взаимодействие должно вызвать параллельную ориентацию всех нескомпенсированных спинов отдель­ ного монокристалла ферромагнетика, а следовательно, его на­ магничивание й возбуждение магнитного поля вблизи него. Однако известно, что ориентация спинов, а следовательно, и самопроизволь­ ная намагниченность возникают только в пределах малых областей, имеющих размеры порядка 10~2—ІО“3 см и называемых доменами. Монокристалл оказывается разделенным на малые области с различ­ ным направлением векторов намагниченности.

В кристаллах имеет место магнитная анизотропия и существуют направления легкого намагничивания и направления трудного намагничивания. Например, в кристаллах железа, имеющих куби­ ческую объемно-центрированную решетку, направления легкого намагничивания совпадают с направлением ребер куба, а моно­ кристалл кобальта имеет одно направление легкого намагничи­ вания, совпадающее с направлением гексагональной оси его решетки.

Направление самопроизвольной намагниченности доменов сов­ падает с одним из направлений легкого намагничивания, а распола­ гаются домены при кристаллизации так, что образуют замкнутые магнитные системы. Поясним понятие о замкнутой магнитной системе на таком примере: две магнитные стрелки, которые легко вращаются вокруг осей, в отсутствие внешнего магнитного поля расположатся параллельно так, что будут обращены друг к другу разноименными

22

2.1.1. Намагничивание ферромагнетиков

При воздействии на ферромагнетик внешнего магнитного поля доменная структура изменяется таким образом, что ферромаг­ нитное тело приобретает магнитный момент, т. е. намагничивается и само создает магнитное поле. Чем больше напряженность внешнего магнитного поля, тем большие изменения претерпевает доменная структура и тем больше намагниченность, т. е. больше векторная сумма магнитных моментов спинов в единице объема тела.

Увеличение намагниченности ферромагнетика с ростом напря­ женности внешнего магнитного поля определяется следующими тремя процессами изменения доменной структуры: увеличением объема доменов, направление вектора намагниченности которых ближе к на­ правлению вектора напряженности внешнего магнитного поля (процесс сме­ щения границ); поворотом векторов намагниченности доменов в направле­ нии внешнего поля (процесс враще­ ния); увеличением вектора намагни­

ченности (парапроцесс).

Одной из основных характеристик ферромагнетика является зависимость между намагниченностью J и напряжен­ ностью внешнего магнитного поля Н. За единицу напряженности магнитного

поля принята напряженность поля, создаваемого прямым током в 1 А в точке, находящейся на расстоянии 1/2я м от оси проводника. На­

периментально, и ее графическое изображение называют кривой на­ магничивания.

Намагниченность ферромагнетика зависит не только от напряжен­ ности внешнего магнитного поля, но и от его предшествовавшего магнитного состояния. Поэтому определяют кривую первоначаль­ ного намагничивания, для чего предварительно ферромагнетик размагничивают, нагревая его выше температуры Кюри или под­ вергая воздействию постепенно убывающего до нуля переменного магнитного поля.

На рис. 2 показана кривая первоначального намагничивания ферромагнетика, а также схематически изображена доменная струк­ тура монокристалла в размагниченном состоянии. Приведенная

доменных границ, однако в этой области смещения границ доменов

24

становятся полностью необратимыми и при уменьшении напряжен­ ности поля от какого-то значения Н до нуля ферромагнетик сохра­ няет некоторую намагниченность. В области наибольшей крутизны кривой (область III) намагниченность ферромагнетика возрастает тйкже за счет необратимого смещения границ доменов, причем в этом случае домен, направление намагниченности которого было близким к направлению намагничивающего поля, разрастается до объема всего монокристалла. В области IV, близкой к насыщению, проис­ ходит постепенный поворот вектора намагниченности до полного совпадения с направлением напряженности внешнего поля. Этот поворот в основном является обратимым. При возрастании напря­ женности поля до величины Н s наступает состояние, называемое

Рис. 3. Петли гистерезиса ферромагнетика.

техническим насыщением. При возрастании напряженности намагни­ чивающего поля выше Н s намагниченность ферромагнетика возра­ стает очень медленно. Этот участок кривой намагничивания (область V) соответствует так называемому парапроцессу, при котором воз­ растает самопроизвольная намагниченность доменов. Другими сло­ вами, под действием поля напряженностью Н ^>HS ориентируются те спиновые моменты, которые оставались неориентированными.

Гистерезис. Характерной особенностью процесса намагничива­ ния ферромагнетиков является гистерезис, заключающийся в том, что намагниченность J при одной и той же напряженности намагни­ чивающего поля имеет различные значения в зависимости от пред­ шествовавшего магнитного состояния ферромагнетика. Так, если после намагничивания до насыщения напряженность поля будет уменьшаться от + H s до нуля, то намагниченность будет изменяться по кривой AB (рис. 3, а), а не по кривой начального намагничивания ОА. При дальнейшем изменении намагничивающего поля до напря­ женности —H s намагниченность изменяется по кривой В СА', а за­

намагниченность при циклическом неремагничивании полем,- изме­ няющимся в пределах от -fH s до —H s , называют предельной петлей гистерезиса.

25

Явление гистерезиса обусловлено необратимыми процессами на­ магничивания. Если максимальные значения напряженности поля при циклическом перемагничивании превышают значение напряжен­ ности поля насыщения (Н ), то форма и размеры петли гистере­ зиса не изменяются, а лишь увеличиваются ее безгистерезисные участки AD и A'D'. При циклическом перемагничивании, когда максимальные значения напряженности поля меньше Н s , начальное

иконечное значения намагниченности ( / хи / 2) не совпадают (рис. 3, б)

ипетля остается не замкнутой. Только после многократных перемаг-

ничиваний намагниченность будет изменяться по симметричной и замкнутой петле гистерезиса, которую в отличие от предельной называют частным циклом. Установившиеся кривые петель гистере­ зиса, построенные при постоянно уменьшающейся максимальной напряженности намагничивающего поля, образуют семейство част­ ных циклов, вершины которых лежат на кривой первоначального намагничивания (рис. 3, в).

Магнитное состояние ферромагнетика можно характеризовать не только намагниченностью / , но и магнитной индукцией В. Маг­ нитная индукция В определяется как плотность магнитного потока

Из формулы видно, что если намагниченность определяет магнит­ ный поток, создаваемый самим намагниченным телом, то магнитная индукция является мерой общего магнитного потока, создаваемого как телом, так и внешним источником.

=ЦоJrsi что следует также из приведенного выше соотношения. Основные свойства ферромагнетиков определяются по предельным

петлям гистерезиса и кривым первоначального намагничивания. Значения намагниченности или индукции на предельных петлях гистерезиса при Н = 0 называют соответственно остаточной намагни­ ченностью насыщения J rs (см. рис. 3 и 4) или остаточной индукцией насыщения Brs. Значения напряженности магнитного поля, при ко­ торых намагниченность или индукция равны нулю, называют соот-

* Иногда это соотношение записывают несколько иначе!

B^J-\- Po#

В этом случае намагниченность J измеряется, так же как и магнитная индук­ ция, в теслах.

26

ветствешш коэрцитивной силой по намагниченности H cj или' коэр­ цитивной силой по индукции Н сВ (см. рис. 4). Крутизна кривой пер­ воначального намагничивания J — f (.Н) (при намагничивании раз­ магниченного ферромагнетика) определяет магнитную вссприимчивость X-

Из рис. 2 видно, что магнитная восприимчивость зависит от вели­ чины напряженности намагничивающего поля. Различают начальную магнитную восприимчивость, которая определяется по начальному участку кривой намагничивания, и максимальную восприимчивость, которая определяется как тангенс угла наклона прямолинейного

териалы разделяют на две группы. Первую группу составляют так называемые магнитномягкие ферромагнетики. Они обладают малой коэрцитивной силой, большой магнитной восприимчивостью и боль­ шой магнитной проницаемостью. Ко второй группе относят магнит­ нотвердые ферромагнетики, характеризующиеся большой коэрци­ тивной силой и малой магнитной проницаемостью.

Магнитномягкие ферромагнетики применяют для изготовления магнитных головок, т. е. приборов, с помощью которых создаются записывающий, воспроизводящий или стирающий элементы, исполь­ зуемые при магнитной записи. Лучшие материалы этой группы имеют коэрцитивную силу 3—4 А/м и максимальную относительную магнитную проницаемость до ІО5.

Для изготовления рабочих слоев магнитных лент применяют магнитнотвердые ферромагнетики, имеющие широкую петлю

27

гистерезиса, т. е. коэрцитивную силу порядка 20 000—40 000 А/м и относительную магнитную проницаемость 2—4. Важными характе­ ристиками магнитнотвердых материалов являются также коэффи­ циент прямоугольное™ петли гистерезиса К п и коэффициент выпук­ лости у:

Рис. 5. Ферромагнитные сердечники различной формы.

Значение J'H' равно произведению координат точки М, соответ­ ствующей пересечению предельной петли гистерезиса с диагональю прямоугольника, построенного на сторонах J rs и H cj (см. рис. 3, а). Величины коэффициентов К п и у зависят от формы петли гистерезиса. Чем они больше, тем больше крутизна боковых ветвей предельной

петли гистерезиса. Саморазмагничивание.

Приведенные выше соотноше­ ния справедливы только в том случае, когда намагничива­ емое тело имеет форму замкну­ того кольца (тороида) или бес­ конечно длинного стержня, намагничиваемого вдоль его

Рис. 6. Схема, поясняющая явление само­ длинной оси. При намагничи­

размагничивания.

вании же тел произвольной формы намагниченность за­ висит от их формы и размеров. Так, если сердечники разной формы,

изготовленные из одного ферромагнитного материала, намагничивать в полях, которые создаются током, проходящим по катушкам, и об­ ладают одинаковой напряженностью, то их остаточная намагничен­ ность будет различной. Она максимальна в сердечнике а, несколько меньше в сердечнике б и еще меньше в сердечнике в (рис. 5). Это объясняется эффектом саморазмагничивания, который можно объ­ яснить так: когда образец из ферромагнитного материала под дей­ ствием внешнего поля с напряженностью Н намагничивается, на его концах возникают магнитные полюса, которые создают магнитное поле, частично замыкающееся вне образца, а частично внутри него (рис. 6). Внутри образца это поле имеет направление противополож­ ное внешнему полю, вследствие чего его называют размагничивающим. Оно ослабляет напряженность действующего на домены ферромагне­ тика внешнего поля, уменьшая намагниченность образца. При на-

28

магішчиваіши образца, имеющего форму тороида, магнитных полю­ сов, а следовательно, и размагничивающего поля не возникает. Поэтому при той же напряженности внешнего магнитного поля в этом случае намагниченность будет больше, чем в образце с выраженными полюсами.

Если намагничивается бесконечно длинное тело, то поле-размаг- ничивания будет слабым и приобретаемая таким образцом намагни­ ченность будет больше, чем в образце с малым расстоянием между полюсами при одной и той же напряженности внешнего намагничи­ вающего поля. Величина размагничивающего поля Н р определяется выражением:

Нр= —NJ

гдe N — коэффициент раз­ магничивания.

Поэтому истинная на­ пряженность поля Ht, на­ магничивающего образец, расположенный во внеш­ нем поле с напряжен­ ностью Н, будет:

Ні = Н —NJ

ния. Он остается постоянным только при условии равномерного намагничивания, которое может быть обеспечено воздействием рав­ номерного магнитного поля на ферромагнетик, имеющий форму эллипсоида вращения.

Тела любой другой формы в однородном внешнем поле намагни­ чиваются неравномерно за счет возникновения поля размагничива­ ния. В этом случае коэффициент размагничивания N является функ­ цией намагниченности и может быть найден лишь экспериментально. Однако всегда наблюдается указанная зависимость N от сечения тела и его длины.

Степень уменьшения остаточной намагниченности за счет саморазмагничивания, кроме формы и размеров намагничиваемого тела, зависит также от характеристик ферромагнетика. На рис. 7 пока­ заны участки предельных петель гистерезиса для ферромагнетиков, имеющих различные коэрцитивные силы и разные коэффициенты выпуклости. В тороидальном сердечнике под действием внешнего магнитного поля с Н ^ H s возникает остаточная намагниченность J rs, а в телах с коэффициентом размагничивания N остаточная на­ магниченность будет меньше; она определяется точкой пересечения прямой, проведенной под углом а (tg а = N) к оси / , с петлей ги­ стерезиса. Остаточная намагниченность при данном значении N

29

(зависящем от формы и размеров тела) будет больше для ферромагне­ тика с большей коэрцитивной силой и с большим значением коэффи­ циента выпуклости петли гистерезиса (см. рис. 7).

В ферромагнетиках, состоящих из отдельных частиц, распреде­ ленных в немагнитном веществе, характерно явление внутреннего саморазмагничивания. Поле размагничивания создается каждой частицей и уменьшает ее намагниченность. Типичный пример ука­ занной системы — рабочий слой магнитной ленты, состоящий из мелких частиц ферромагнитного материала, равномерно распреде­ ленных в полимере. Явление внутреннего саморазмагничивания, зависящее от формы и размеров частиц, от их объемного содержания

врабочем слое и равномерности распределения в нем, заметно влияет на характеристики магнитных лент.

2.1.2.Намагничивание порошковых ферромагнетиков

Вкачестве ферромагнитного материала для изготовления рабочих слоев магнитных лент широко применяют так называемые порошковые ферромагнетики, или магнитодиэлектрики. Процесс намагничивания таких материалов и их магнитные свойства зависят от формы и размеров частиц ферромагнитного порошка. Если ча­ стицы порошка достаточно велики, то в каждой из них самопроиз­ вольно возникает несколько доменов и магнитный поток замыкается внутри частицы. Намагничивание такой частицы под действием внеш­ него магнитного поля подобно процессу намагничивания многодо­ менного ферромагнетика. Этот процесс включает стадии смещения доменных стенок и последующий поворот вектора намагниченности

внаправлении внешнего поля. Если же размеры частиц порошка меньше некоторого критического значения, то их разделение на до­ мены оказывается энергетически невыгодным и каждая отдельная частица намагничивается однородно. Критические размеры частиц, при которых их внутренняя энергия оказывается минимальной при однодоменной структуре, различны в зависимости от формы частиц.

Например, для порошка гамма-окиси железа, наиболее распростра­ ненного в технологии магнитных лент, критические размеры частиц

dKp = 30 ч- 70 (dKр — длина большей оси частицы).

Направление спонтанной намагниченности каждой однодоменной частицы совпадает с направлением одной из ее осей легкого намагни­ чивания [11], что является одним из условий минимальной внутрен­ ней энергии. Для частиц кубической и сферической формы оси легкого намагничивания определяются кристаллографической анизо­ тропией. Для частиц же с выраженной анизотропией формы, напри­ мер игольчатых, которые в основном применяют в современной тех­ нологии магнитных лент, ось легкого намагничивания совпадает с длинной осью частицы. Это соответствует минимальной энергии поля размагничивания.

Изменение намагниченности однодоменной частицы при воздей­ ствии внешнего магнитного поля может происходить только за счет

30