1.3 Процессы намагничивания ферромагнетика
Кроме обменных взаимодействий, имеющих электростатический характер, в кристаллической решетке существует так называемое взаимное взаимодействие атомов. Природа его сложна. Рассмотрим упрощенно.
Это взаимодействие приводит к тому, что в отсутствии внешнего магнитного поля объем ферромагнетика самопроизвольно разбивается на большое число областей самопроизвольной намагниченности, называемых доменами.
Обменное взаимодействие обеспечивает параллельность магнитных моментов атомов только в пределах этих областей (V= 10-1…10-6см3). Каждый домен намагничен до предельного значения, а направление намагниченности соседних доменов не совпадают.
Поэтому ферромагнетик в отсутствии внешнего магнитного поля размагничен, несмотря на ориентирующее действие обменных сил.
Процесс образования доменов (формирование их размеров) устанавливается тогда, когда полная энергия системы доменов будет равна минимальному значению.
При этом типичной картиной расположения векторов намагниченности будет их замкнутый вид в группе соседних доменов (рисунок 8, силовые линии магнитного поля замкнуты).
Рисунок 8
Ферромагнетики имеют поликристаллическую структуру, т.е. структуру, в которой единичная кристаллическая решетка повторяется во всех направлениях. Они имеют в основном три типа решеток: кубическую гранецентрированную, кубическую объемноцентрированную и гексагональную и состоят из зерен – кристаллов неправильной формы (кристаллитов).
Рассмотрим единичную кристаллическую решетку железа. Всего девять атомов, восемь вершин, один в центре. Энергия магнитного взаимодействия атомов различна по величине в разных направлениях кристалла (ребро, диагональ грани, диагональ куба), поэтому расположение магнитных моментов областей с самопроизвольной намагниченностью в одних направлениях будет более энергетически выгоднее, чем в других. Для железа направления вдоль ребер – это направление легкого намагничивания (рисунок 9).
Рисунок 9
Неоднородность магнитных свойств по различным кристаллографическим направлениям называется магнитной анизотропией.
При статически неупорядоченном расположении осей отдельных кристаллов (кристаллитов) их магнитная анизотропия взаимно компенсируется и материал в целом оказывается практически изотропным в магнитном отношении.
Для улучшения магнитных свойств некоторые магнитные материалы подвергают специальной обработке, в результате которой оси всех кристаллов получают преимущественную ориентацию в каком-либо направлении внутри образца. Этот процесс называется текстурированием, а наличие такой ориентации –текстурой.
Способов создания текстуры несколько. В основном это прокатка в холодном состоянии и термическая обработка в магнитном поле.
Очень эффективной является холодная прокатка, т.к. обработка листа в одном и том же направлении вдоль его длины обеспечивает требуемую степень однородности кристаллической структуры.
Термическая обработка и отжиг после изготовления помогает уменьшить напряжение внутри материала и получить требуемую ориентацию зерен.
Отжиг в атмосфере водорода устраняет некоторые неметаллические примеси (С, О2,N), присутствие которых в сплаве мешает получению желаемой кристаллической структуры.
Термическая обработка в магнитном поле очень действенный и обычно последний этап процесса подготовки. Сплав нагревают до области температур, близких к точке Кюри, а затем медленно охлаждают в магнитном поле с напряженностью в несколько Эрстед. По мере охлаждения материала магнитное поле вызывает в нем высокую степень ориентации зерен и дает хорошие магнитные свойства.
Как указывалось ранее, ферромагнетик состоит из доменов, которые даже в отсутствии внешнего магнитного поля намагничены до насыщения. Но общая намагниченность образца равна 0.
Если размагниченный ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле, то происходит перераспределение магнитных моментов доменов в направлении приложенного поля.
Образуется новая доменная структура, которая соответствует минимальному значению полной свободной энергии ферромагнетика при данном внешнем поле.
Основной характеристикой магнитного материала, используемой при расчетах электромагнитных элементов, является кривая намагничивания, под которой понимают зависимость магнитной индукции В от напряженности внешнего поля Н – В =f(Н).
Рисунок 10
Рассмотрим различные участки кривой начального намагничивания (намагничивание полностью размагниченного материала) и соответствующее распределение векторов намагниченности доменов в кристалле.
Кривую В = f(Н) (рисунок 10) можно условно разбить на четыре области.
В отсутствии внешнего магнитного поля (рисунок 11, а) магнитные моменты доменов ориентированы по направлениям легкого намагничивания так, что их магнитный поток замыкается внутри кристалла и не выходит за его пределы.
Рисунок 11
При малых значениях напряженности внешнего магнитного поля (участок I) происходит рост доменов, направление намагниченности которых близко к направлению поля, за счет уменьшения других доменов, здесь изменения границ доменов происходятплавнои являются обратимыми, т.е. исчезают с исчезновением поля.
Область наибольших проницаемостей – IIхарактеризуется быстрым возрастанием намагниченности, связанным снеобратимым смещениемдоменных границ. Намагничивание здесь происходитскачками(скачки Баркгаузена) (рисунок 11, б).
Векторы намагниченности скачком поворачиваются на 90 или 180 градусов, в зависимости от направления их начальной ориентации в сторону оси легкого намагничивания, наиболее близкой к направлению внешнего поля. Домены, скачком изменившие направление намагниченности, сохраняют новое направление после прекращения действия поля. Этим объясняется явление остаточного магнетизма.
По окончании смещения границ каждый кристаллит становится одним доменом, магнитный момент которого направлен по оси легкого намагничивания, составляющей наименьший угол с напряженностью приложенного поля (рисунок 11, в).
Область IIIхарактеризуется поворотом магнитных моментов в направлении напряженности поля, называемымградусом вращения(рисунок 11, г). Этот поворот моментов становится все более затруднительным по мере приближения к направлению внешнего поля. При достижении этого направления (рисунок 11, д) имеет место быть так называемоетехническое насыщениеферромагнетика. Напряженность Нs , при которой происходит насыщение, называютнапряженностью поля насыщения.
В области парапроцесса IV– происходит незначительное повышение намагниченности за счет дополнительной ориентации вдоль внешнего поля спиновых моментов отдельных электронов против действия их теплового движения. Процессы в этой области обратимы (рисунок 11, е).
Как отмечалось, процессы намагничивания могут быть обратимымиинеобратимыми. При необратимых процессах намагничивания часть энергии рассеивается в виде тепла и для восстановления исходного магнитного состояния необходимо затрачивать дополнительную энергию.
Как уже говорилось, во многих случаях для получения кривых намагничивания в качестве исходного принимают размагниченное состояние образца, при котором в отсутствие внешнего поля индукция равна 0 и нет преимущественного направления намагничивания доменов, т.е. их магнитные моменты расположены статистически равновероятно.
Наилучшее размагничивание возможно при нагреве материала выше точки Кюри и последующего охлаждения при отсутствии внешнего поля. Однако в технике этот способ применяют редко в связи с неудобствами его практического осуществления. Чаще всего образец размагничивают, воздействуя на него переменным полем с убывающей до нуля амплитудой, используя для этой цели специальные устройства или измерительную схему.
Максимальная напряженность размагничивающего поля, необходимая для полного размагничивания, различна у разных групп материалов и должна в несколько раз превышать значение коэрцитивной силы. Требуется также, чтобы частота поля не была большой, иначе размагничиванию будет препятствовать экранирующее действие вихревых токов.
Для размагничивания металлических материалов лучше всего применять поле с частотой 5…10 Гц и скоростью убывания не больше 1…2% при каждом цикле. Практически часто используют поле с частотой 50 Гц или непрерывно коммутируют и уменьшают постоянное поле. При намагничивании предварительно размагниченного образца различают следующие типы зависимостей:
начальную (нулевую) кривую намагничивания, которую получают при монотонном увеличении Н;
безгистерезисную (идеальную) кривую намагничивания, получаемую при одновременном действии постоянного поля и переменного поля с убывающей до нуля амплитудой (рисунок 12, а).
основную (коммутационную) кривую намагничивания, представляющую собой геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса, получающихся при циклическом перемагничивании (рисунок 12, б).
Рисунок 12
Начальная кривая обычно мало отличается от основной.
Начальная кривая намагничиваниязависит от случайных причин, например, от механических сотрясений, колебаний температуры, характера изменения намагничивающего поля и др. Для этой кривой особенно сильно проявляется эффект Баркгаузена - нерегулярный, ступенчатый характер намагничивания. Следовательно, нулевая кривая не отвечает требованию хорошей воспроизводимости и не может быть использована для сравнительной оценки свойств различных материалов. Однако в последнее время выявлена возможность использования скачкообразных изменений намагниченности в магнитоизмерительной технике и для исследования физико-химических свойств магнитных материалов.
Безгистерезисная кривая намагничиванияхарактеризуется быстрым ростом индукции дл значения насыщения в слабых постоянных полях независимо от вида магнитного материала. Намагничивание согласно этой кривой имеет место только в некоторых случаях.
Основная кривая намагничиванияявляется важнейшей характеристикой магнитных материалов, отвечает требованиям хорошей воспроизводимости и широко используется для характеристики намагничивания материалов в постоянных полях.
На основной кривой намагничивания принято различать три участка:
начальный, соответствующий нижнему колену кривой;
участок быстрого возрастания индукции (намагниченности);
участок насыщения (выше верхнего колена кривой).
При циклическом перемагничивании кривая намагничивания образует петлю гистерезиса (рисунок 13).
Рисунок 13
Процесс технического намагничивания, за исключением начальной и конечной областей является необратимым. Поэтому, если при намагничивании после достижения некоторой величины индукции начать уменьшать напряженность магнитного поля, то индукция будет изменяться по кривой, отличной от начальной кривой намагничивания.
Пусть напряженность внешнего магнитного поля после достижения насыщения ферромагнетика начнет уменьшаться. В результате этого намагниченность также уменьшается в результате процесса вращения магнитного момента каждого домена в направлении ближайшей оси легкого намагничивания.
При Н = 0 в ферромагнетике сохраняется остаточная намагниченность Jr и, соответственноостаточная магнитная индукция Вr. Итак,остаточной индукцией Вrназывают индукцию, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внешнего магнитного поля. При этом магнитные моменты доменов направлены по осям легкого намагничивания.
Если после этого увеличить напряженность поля в отрицательном направлении, то дальнейшее уменьшение индукции происходит главным образом за счет необратимого процесса смещения границ доменов, сопровождающегося скачкообразным поворотом векторов намагниченности.
При напряженности внешнего поля Н = Нс , называемойкоэрцитивной силой, магнитная индукция В равна нулю.
Итак, коэрцитивной силой Нсназывают величину размагничивающего поля, которое должно быть приложено к предварительно намагниченному образцу, для того чтобы индукция в нем стала равной нулю.
Остаточная магнитная индукция Вr,коэрцитивная сила Нсявляются основными характеристиками петли гистерезиса.
Процесс смещения границ продолжается и при дальнейшем росте по модулю отрицательной напряженности. Начиная с В ≤ - Вrизменение намагниченности в отрицательном направлении опять связано с процессом вращения.
Если после достижения Н = -Нsснова увеличивать Н до + Нs, то изменение магнитного состояния будет отображаться нижней ветвью С, -Вr, Нс,D.
Явление отставания намагниченности вещества от напряженности магнитного поля, обусловленное наличием необратимых процессов намагничивания, называют гистерезисом, а замкнутую кривую, графически изображающую это отставание за полный цикл изменения напряженности,петлей гистерезиса.
Площадь петли гистерезиса, характеризующаяпотери на гистерезис Ргза один цикл перемагничивания, является также одной из основных характеристик петли гистерезиса.
Если к ферромагнетику прикладывать медленно и меняющееся внешнее магнитное поле обеих полярностей одинаковой амплитуды, то в зависимости от его амплитуды будем получать симметричные петли гистерезиса (рисунок 14,а).
Рисунок 14
Начиная с некоторого достаточно большого значения напряженности поля Нмакс, при котором вещество близко к состоянию насыщения, увеличение Н не вызывает увеличение площади петли гистерезиса, а только увеличиваются ее безгистерезисные части (усы).
Эту наибольшую петлю называют предельной, а все остальные петли гистерезиса –частными.
Итак, петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения, называют предельной. В справочниках обычно приводятся симметричные петли гистерезиса.
Кривая, проходящая через вершины частных симметричных циклов, называется основной кривой намагничивания(ОКН). Она не совпадает сначальной.
При неравенстве амплитуд напряженностей разной полярности получают несимметричные петли гистерезиса (рисунок 14,б). Это происходит при отличной от нуля постоянной составляющей напряженности магнитного поля Н=≠ 0. Особенностью предельного несимметричного цикла (рисунок 14,б) является полное совпадение кривой размагничивания, по которой идет уменьшении е индукции В, с соответствующим участком предельного симметричного цикла, причем минимальное значение индукции может быть как больше (Вmin1), так и меньше (Вmin2) величины остаточной индукции Вr.
Магнитное состояние вещества во внешних полях характеризуется точкой с координатами В, Н, которая лежит внутри предельной петли гистерезиса.
Форма петли гистерезиса для данного материала зависит от значения поля Нмакс. Для слабых полей она имеет вид эллипсов, с увеличением поля у нее начинают вытягиваться «носики».
Для ряда магнитных материалов удается создать текстуру, при которой направления легкого намагничивания всех кристаллитов практически совпадают.
Если внешнее магнитное поле действует в направлении легкого намагничивания, то намагниченность материала будет изменяться лишь за счет смещения границ доменов, процесса вращения практически не будет.
Магнитный материал с такой конструкцией имеет в направлении легкого намагничивания прямоугольную петлю гистерезиса (ППГ). ППГ (рисунок 15) характеризуется тем, что остаточная магнитная индукция Вrмало отличается по величине от индукции насыщения Вsи материал практически полностью перемагничивается при напряженности поля, близкой к кэрцитивной силе Нс.
Качество таких материалов оценивают коэффициентом прямоугольности:
Кп= Вr / Вs=(0,8…0,95).
Чем чище материал, т.е. чем меньше примесей он содержит, тем больше Кп.
Рисунок 15