5.2. Основные свойства и параметры магнитных материалов

Кривая намагничивания – зависимость магнитной индукции B (или намагниченности М) от напряженности магнитного поля Н – приведена на рис.5.8. Основная кривая намагничивания – геометрическое место вершины симметричных петель – перемагничивания – отвечает требованиям хорошей воспроизводимости и широко используется для определения параметров магнитных материалов. По основной кривой намагничивания определяется магнитная проницаемость, например, для точки А: .

Основная кривая намагничивания и зависимость μ от Н могут быть разделены на четыре области в соответствии с возможным различием процессов намагничивания при увеличении напряженности намагничивающего поля [8].

Первая область (см. рис.5.8) – область слабых полей – характеризуется обратимым смещением границ доменов. Магнитная проницаемость в этой области называется начальной и имеет постоянное значение, практически определяется приH≈0,1А/м. При этом происходит рост доменов, вектор намагниченности которых составляет с направлением поля наименьший угол (рис.5.9, б).

Вторая область – область необратимого смещения границ доменов. Магнитная проницаемость в этом случае проходит через максимум (рис.5.9, в).

Третья область – область вращения вектора намагниченности. Магнитная проницаемость уменьшается, приближаясь к единице (рис.5.9, г).

Четвертая область – область насыщения (парапроцессы).

Магнитный гистерезис, свойственный ферромагнетикам, – отставание намагниченности ферромагнитного материала от внешнего магнитного поля (см. рис.5.4), вследствие этого неоднозначна зависимость В от Н. Магнитный гистерезис обусловлен необратимыми изменениями магнитных свойств ферромагнетика под влиянием тех магнитных процессов, которым он ранее подвергался. Необратимость связана: 1) с задержками в смещении границ доменов, вызываемыми различного рода искажениями кристаллической решетки; 2) с процессами зарождения обратных доменов (зародышами перемагничивания). Эти зародыши образуются около границ между кристаллитами или у наружной поверхности вещества.

Для материалов, состоящих из однодоменных частиц, перемагничивание идет за счет вращения вектора намагничивания и причиной гистерезиса является магнитная анизотропия.

Форма петли гистерезиса зависит от исходного состояния материала, скорости перемагничивания и максимальных значений напряженности магнитного поля. Для слабых полей петля гистерезиса имеет вид эллипса. С увеличением Н возрастает ширина петли и изменяется ее форма. Петля гистерезиса, полученная при условии насыщения, называется предельной. Петля, полученная при медленном изменении поля, называется статической.

Рис.5.9. Схема процессов, протекающих при намагничивании: а - исходное состояние при Н=0, когда монокристалл или четыре домена с различно направленными векторами спонтанной намагниченности доменов (указаны стрелками); б - смещение границ доменов при воздействии внешнего магнитного поля (рост объема домена 1); в - образование однодоменной структуры; г - вращение вектора намагниченности

По петле магнитного гистерезиса определяются следующие основные параметры магнитных материалов: индукция насыщения B_S, остаточная индукция B_r, коэрцитивная сила H_C. Удельные магнитные потери на гистерезис за один цикл перемагничивания определяются на площади петли гистерезиса:

(Дж/м3)

(5.3)

Удельные магнитные потери зависят от ряда факторов: состава и примесей, технологии изготовления материала, температуры и механических напряжений. Участок петли гистерезиса, лежащий во втором квадрате, называется кривой размагничивания. Размагничивать можно, пропуская через катушку ток встречного направления.

Удельная магнитная энергия . ПриB=B_r H=0, поэтому W=0. Это состояние соответствует замкнутой магнитной цепи, т.е. отсутствию воздушного зазора. ПриН=Н_D W=0, W_D=W_MAX, где – коэффициент выпуклости кривой размагничивания, 0,25<γ<1 (см. рис.5.10). С ростом частоты циклического изменения поля вид петли гистерезиса, основной кривой намагничивания и зависимость μ(H) изменяются. Петля гистерезиса, соответствующая высокой частоте перемагничивания, называется динамической. Динамическая кривая шире статической. Площадь динамической петли пропорциональна мощности полных магнитных потерь, которые определяются равенством:

(5.4)

где P_r – потери на гистерезис; P_B – потери на вихревые токи; P_D – потери на последействие.

Потери на гистерезис:

(5.5)

где η – коэффициент, зависящий от материала; f – частота поля; B_m – максимальная индукция; n – показатель степени в пределах 1,6…3,5; V – объем материала.

Потери на вихревые токи определяются из равенства:

(5.6)

где ξ – коэффициент, зависящий от материала.

Дополнительные потери P_D, связанные с магнитной вязкостью:

(5.7)

Зависимость μ от f называется дисперсией магнитной проницаемости. Она имеет релаксационный или резонансный характер. Магнитная релаксация происходит в два этапа: а) быстрая релаксация – за счет сравнительно сильных обменных взаимодействий устанавливается абсолютное значение магнитной проницаемости; б) медленная релаксация спин-орбитального взаимодействия устанавливает магнитные моменты вдоль оси легкого намагничивания. Процесс магнитной релаксации необратим и связан с потерей энергии.

Резонансные явления связаны с избирательным поглощением энергии электромагнитного поля при частотах, совпадающих с собственными частотами колебаний границ доменов или частотами прецессии магнитных моментов электронной системы.

Магнитная анизотропия – неодинаковость магнитных свойств материала по различным направлениям. Энергия магнитной анизотропии складывается из энергии кристаллографической магнитной анизотропии и энергии магнитострикционной деформации (рис.5.11).

Энергия, которая требуется для намагничивания единицы объема материала, определяется площадьюS. Наибольшей энергией обладает кристалл, намагниченный вдоль оси трудного намагничивания, а наименьшей – кристалл, намагниченный по оси легкого намагничивания. Разность этих энергий соответствует энергии магнитной кристаллографической анизотропии. С ростом температуры энергия уменьшается.

При намагничивании имеют место изменения формы и размеров тела. Это явление называется магнитострикцией. Параметр, характеризующий магнитострикцию, обозначается λ_S: – относительное удлинение в направлении поля.λ_S =10^-5…10^-3

Ход кривой зависимости магнитострикции отН и намагниченности зависит от структурных особенностей образца (рис.5.12), связанных с наличием примесей, и режимов термической обработки.

На рис.5.13 приведены кривые магнитострикционной деформации монокристалла никеля для различных направлений и напряженности (кА/м).

Магнитоупругая энергия – это энергия, возникающая под действием внешних механических напряжений. Магнитостатическая энергия – это энергия, связанная с размагничивающим полем свободных полюсов. Магнитная энергия – это энергия, обусловленная взаимодействием намагниченности материала с внешним полем. Полная энергия – сумма всех энергий. Форма доменов и их расположение соответствуют минимуму результирующей энергии.