Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основные физические процессы в проводниках, полупроводниках и диэлектриках. Учебное пособие
.pdf
121
Температура, при которой магнитная проницаемость резко снижается, почти
.
1dtd
ТК
t
.
1
0
.
dH
dB
диф
до нуля, носит название температуры Кюри (ΘК). При температурах выше Θ
К
процесс намагничивания расстраивается из-за интенсивного теплового движения
атомов и молекул материала, в результате чего он перестает быть ферромагнитным
материалом и переходит в парамагнитное состояние. Так, ΘК для чистого железа
768°С, для никеля 358°С, для кобальта 1131°С.
Температурный коэффициент магнитной проницаемости ТКμ позволяет
оценить характер изменения магнитной проницаемости в зависимости от
температуры. При линейном изменении магнитной проницаемости ТКμ вычисляют
по формуле.
(5.7)
5.3.3 Кривая намагничивания. На графике, представляющем собой кривую
начального намагничивания (рисунок 5.4), видно, что с увеличением напряженности
магнитного поля индукция растет вначале быстро, затем медленно, а начиная с
величины Вs почти не изменяется. Индукция Вs, характерная для всех магнитных
материалов, называется индукцией насыщения. Чем больше величина Вs, тем лучше
данный магнитный материал.
Магнитную проницаемость, определяемую производной от магнитной
индукции по напряженности магнитного поля в данной точке основной кривой
намагничивания, деленной на магнитную постоянную, называют дифференциальной
магнитной проницаемостью.
(5.8)
5.3.4 Ферромагнитный гистерезис. Если образец магнитного материала
намагничивать, медленно повышая напряженность магнитного поля Н, то магнитная
индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой начального
намагничивания. Эта кривая начинается в начале координат и заканчивается в точке,
122
соответствующей максимальной индукции В
Рисунок 5.4 – Начальная кривая намагничивания (1), петля гистерезиса (2, 3)
BS Bm
B
Br
-B
S
Hc
Hm H -Hc
-Hm
. При уменьшении напряженности Н
М
магнитная индукция будет также уменьшаться, но начиная с величины Вм значения
индукции не будут совпадать со значениями этой характеристики на начальной
кривой намагничивания (рисунок 5.4).
Остаточная магнитная индукция Вr наблюдается в магнитном материале при
его размагничивании, когда напряженность магнитного поля равна нулю. Для
размагничивания образца материала надо, чтобы напряженность магнитного поля
изменила свое направление на обратное. Напряженность поля НC, при которой
индукция равна нулю, называется коэрцитивной силой (удерживающей).
Если после этого образец магнитного материала намагничивать в
противоположном направлении, то в материале снова будет наблюдаться индукция
насыщения (– В s). При дальнейшем уменьшении напряженности магнитного поля
до величины Н = 0 и новом намагничивании в первоначальном направлении
индукция будет непрерывно увеличиваться до величины индукции насыщения Вs. В
результате образуется замкнутая петля, которую называют предельной или
статической петлей гистерезиса (гистерезис – запаздывание).
Предельной петлей гистерезиса называют петлю, снятую при медленном
123
изменении постоянного магнитного поля от Н до – Н, когда величина магнитной
.
М
r
П
B
В
k
В В В
Н Н Н
а
б
Рисунок 5.5 – Петли гистерезиса для магнитомягких (а) и магнитотвердого
(б) материалов
индукции становится равной индукции насыщения Вs.
Материалы с малой коэрцитивной силой НС. и большой магнитной
проницаемостью называют магнитномягкими; материалы с большой коэрцитивной
силой Н
и меньшей проницаемостью – магнитнотвердыми.
С
На рисунке 5.5 приведены типичные петли гистерезиса для магнитомягких и
магнитотвердого материалов.
Для оценки формы гистерезисной петли применяют характеристику –
коэффициент гистерезисной петли кП, вычисляемую по предельной петле
гистерезиса.
Чем больше величина к
, тем прямоугольнее петля гистерезиса.
П
(5.9)
5.3.5 Потери в ферромагнетиках. В магнетиках при перемагничивании их в
переменных магнитных полях возникают потери энергии, приводящие к их нагреву.
Эти потери обусловлены потерями на гистерезис, на вихревые токи и магнитное
последействие.
124
Удельные потери энергии на гистерезис Рr — это потери, затрачиваемые на
,
SС
Г
BН
Р
.
22
VfАВРМВ
перемагничивание единицы массы материала за один цикл. Удельные потери можно
вычислить по приближенной формуле
(5.10)
где Hс – коэрцитивная сила, Э;
Вs – индукция насыщения, Гс;
ρ – плотность материала, г/см3.
Потери энергии на вихревые токи Рв зависят от удельного электрического
сопротивления магнитного материала. Чем оно больше, тем меньше потери на
вихревые токи. Потери на вихревые токи зависят также от свойств магнитного
материала А и его объема v. Они также пропорциональны квадратам магнитной
индукции Вм и частоты f переменного магнитного поля, т. е.
(5.11)
Потери, связанные с магнитным последействием, которые определяются
магнитной вязкостью материала, необходимо учитывать при использовании
магнетиков в импульсном режиме.
При воздействии на материал переменного магнитного поля снимают
динамическую петлю гистерезиса. Так как при воздействии переменного
магнитного поля в материале кроме потерь на гистерезис возникают динамические
потери на вихревые токи и магнитное последействие, она имеет большую площадь,
чем статическая петля.
Отношение максимального значения индукции В
магнитного поля Н
на динамической кривой гистерезиса представляет собой
ампл
динамическую магнитную проницаемость:
к максимальной величине
ампл
125
.
0
.
ампл
ампл
дин
Н
В
С увеличением частоты поля динамическая проницаемость уменьшается из-за
I
U
L
U
a
I
L
r
UL = IωL
Ua = Ir
φ δ
м
U
Рисунок 5.7 – Эквивалентная схема и векторная диаграмма индуктивной катушки с
сердечником
Рисунок 5.6 – Зависимость магнитной проницаемости от
частоты
инерционности магнитных процессов (рисунок 5.6).
(5.12)
Магнитные потери оценивают тангенсом угла магнитных потерь.
Индуктивную катушку с кольцевым сердечником из магнитного материала,
собственной емкостью и сопротивлением обмотки которой можно пренебречь,
представим в виде схемы, состоящей из последовательно соединенных
индуктивности L и сопротивления r, эквивалентного всем видам потерь мощности в
магнетике (рисунок 5.7).
126
Для этого случая из векторной диаграммы получим
.
L
r
LI
Ir
U
U
tg
L
a
м
(5.13)
Активная мощность потерь рассчитывается по формуле:
Pa = I2 L tg
. (5.14)
5.4 Особенности ферримагнетиков
Ферримагнетиками называют кристаллические вещества, у которых
минимуму потенциальной энергии системы отвечает антипараллельное
расположение спинов с некоторым преобладанием одного направления над другим.
Эти вещества обладают доменной структурой при температурах ниже точки Кюри.
Ферримагнетиками являются сложные оксидные материалы, получившие в
практике название ферритов.
Ферримагнетики отличаются от ферромагнетиков меньшей величиной
индукции насыщения, имеют более сложную температурную зависимость индукции
и повышенное, а для некоторых материалов и очень высокое значение удельного
сопротивления. Первые два отличия упрощенно могут быть объяснены наличием в
структуре сложного материала двух подрешеток, создающих встречные
нескомпенсированные магнитные потоки, третье – тем, что эти материалы относятся
к неметаллам.
На рисунке 5.8 схематически изображены направления спиновых магнитных
моментов в ферромагнетике (а) и в ферримагнетике (б).
127
+В
+В
-В
-В
+В
s1
+В
s1
-В
s2
-В
s2
0
0
t
t
t
Кюри
t
Кюри
а б
Рисунок 5.9 – Температурная зависимость индукции ферримагнетика с
точкой компенсации (а) и без нее (б)
tком
Вs
Bs
+В
+В
-В
-В
+В
s1
+В
s1
-В
s2
-В
s2
0
0
t
t
t
Кюри
t
Кюри
а б
Рисунок 5.9 – Температурная зависимость индукции ферримагнетика с
точкой компенсации (а) и без нее (б)
а б
Рисунок 5.8 – Схематическое изображение направления спиновых моментов в
ферромагнетике (а) и ферримагнетике (б)
Рисунок 5.9 поясняет пониженную абсолютную величину индукции
насыщения ферримагнетиков и возможные виды ее температурной зависимости,
получаемые путем сложения температурных зависимостей первой [Bs1 = F(t)] и
второй [Bs2 = - φ(t)] подрешеток.
Допустим, что соотношения между ординатами кривых Bs1 и Bs2 при
различных температурах для какого-то феррита такие, как показано на рисунке 5.9.
Тогда при некоторой температуре ниже точки Кюри получится компенсация и
результирующая индукция насыщения Bs образца станет равной нулю. Эту точку
128
называют точкой компенсации рисунок 5.9, а. После достижения точки
a
h
b
а б в
Рисунок 5.10 – Доменные структуры в тонких образцах магнетиков
компенсации у индукции образца меняется знак. В точке Кюри ферримагентик
переходит в парамагнитное состояние. У различных ферритов точка компенсации
может быть, а может и отсутствовать (рисунок 5.9, б).
5.5 Особенности магнетиков в виде тонких пленок
5.5.1 Плоские домены. Пленки магнитных материалов. Особенностью тонких
пленок является то, что при малой толщине их (h « а, b) направление легкого
намагничивания оказывается расположенным в плоскости пленки. Образуются
плоские домены, показанные на рисунке 5.10, а. Для очень тонких пленок
характерна однодоменная структура, для пленок толщиной свыше 10
-3
– 10-2 мм –
многодоменная, состоящая из длинных узких доменов (шириной от долей
микрометров до нескольких микрометров), намагниченных в противоположных
направлениях. Под воздействием внешнего поля вся система полос может
перемещаться и поворачиваться и ее используют как управляемую дифракционную
решетку для света и ближайшего диапазона волн электромагнитного спектра.
5.5.2 Цилиндрические домены. В пластинках некоторых ферритов толщиной
порядка 50 мкм, вырезанных в направлении, перпендикулярном к оси легкого
намагничивания, наблюдается так называемая лабиринтная структура доменов (при
H ≈ 0) с противоположными направлениями намагниченности, нормальными к
129
плоскости рисунок 5.10,б (светлые и темные места). Если пластину поместить во
Легкое
[100]
Среднее
[110]
Трудное
[111]
Легкое
[111]
Среднее
[110]
Трудное
[100]
Трудное
[1120]
[1010]
Легкое
[0001]
а б в
Рисунок 5.11 – Направления легкого, среднего и трудного намагничивания
в монокристаллах: а — железа; б — никеля; в — кобальта
внешнее неизменное по направлению магнитное поле, перпендикулярное к ее
поверхности, и увеличивать напряженность поля, то лабиринтная структура
разрывается и образуются цилиндрические домены (рисунок 5.10, в), диаметр
которых при дальнейшем усилении поля уменьшается, пока не будет достигнуто
однородное однодоменное намагничивание всей пластинки. Цилиндрические
домены, существующие при определенных значениях напряженности магнитного
поля, управляемые полем (возможно смещение по двум координатам),
представляют большой интерес при создании устройств вычислительной техники.
Их можно использовать для создания как запоминающих, так и логических
элементов. В двоичной системе знаку «1» может соответствовать наличие домена в
определенной точке устройства, а значению «0» – его отсутствие. Цилиндрические
магнитные домены наблюдаются и в редкоземельных ферритах со структурой
граната, гексаферритах и металлических пленках.
5.6 Магнитная анизотропия и магнитострикция
5.6.1 Магнитная анизотропия. Магнитная анизотропия монокристаллов
ферромагнитных веществ выражается в различной интенсивности намагничивания
вдоль разных осей. Выделяют оси легкого, среднего и трудного намагничивания. На
рисунке 5.11 эти оси показаны для монокристаллов трех основных ферромагнитных
элементов: железа, никеля и кобальта.
130
Из рисунка 5.11 видно, что направлением легкого намагничивания для ячейки
монокристалла железа является ребро куба, а трудного – диагональ через объем; для
ячейки никеля направление вдоль ребра куба соответствует, наоборот, направлению
трудного намагничивания.
Анизотропия свойственна и поликристаллам. В тех случаях, когда
анизотропия в поликристаллических ферромагнетиках выражена достаточно резко,
принято говорить, что ферромагнетик обладает магнитной текстурой, или текстурой
магнитных доменов. Возможность получения заданной магнитной текстуры имеет
большое значение и используется для создания повышенных магнитных
характеристик материала в определенном направлении.
5.6.2 Магнитострикция. При намагничивании ферромагнитных
монокристаллов наблюдается изменение их линейных размеров; это явление
называют магнитострикцией. Величина магнитострикции монокристалла железа
различна в разных направлениях. Так, монокристалл железа, намагничиваемый в
направлении ребра куба, удлиняется в направлении диагонали, т. е. сжимается в
направлении намагничивания. Магнитострикция проявляется и в
поликристаллических материалах.
Знак магнитострикционной деформации у различных материалов может быть
как положительным, так и отрицательным; изменение этого знака может
наблюдаться также у одного и того же материала (например, железа) при изменении
величины напряженности магнитного поля.
Магнитные свойства ферромагнетиков зависят от упругих изменений их
размеров. При наличии отрицательной магнитострикции в материале
растягивающее напряжение приводит к понижению магнитной проницаемости. Так,
под действием растягивающего напряжения магнитную проницаемость никеля
можно довести до очень низкого значения. При положительной магнитострикции
магнитная проницаемость под действием растягивающих напряжений возрастает.
Из трех основных ферромагнитных элементов (Fe, Ni, Co) наибольшей
магнитострикцией обладает никель. На рисунке 5.12 приведены зависимости
относительного изменения линейных размеров монокристалла никеля по различным
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]