14.2.2. Магнитная анизотропия

Монокристаллы ферромагнетиков обладают анизотропией маг­нитных свойств. В них существуют кристаллические направления легкого и трудного намагничивания. Для намагничивания монокри­сталла до технического насыщения вдоль кристаллографического на­правления легкого намагничивания затрачивается энергии меньше (насыщение достигается при меньших значениях напряженности магнитного поля Н), чем для такого же намагничивания вдоль направления трудного намагничивания. На рис. 14.5 изображены элег ментарные кристаллографические ячейки трех основных ферромаг­нитных металлов: железа α-Fe, кобальта Со и никеля Ni — и направления их легкого и трудного намагничивания, а также кривые намагничивания в различных направлениях монокристаллов этих ферромагнетиков. (Кривые намагничивания можно также постро­ить, откладывая по оси ординат не намагниченность М образца, а его магнитную индукцию В, изменив для этого масштаб ординаты, так как М пропорциональна В при достаточно больших значениях Н см. формулу (14.2)).

Рис. 14.5.Направления легкого и трудного намагничивания и кривые намагничивания в раз­ных направлениях монокрис­таллов железа (а), никеля (б) и кобальта (в)

Элементарная кристаллографическая ячейка α-железа (рис. 14.5, а) имеет структуру объемноцентрированного куба, и осями легкого намагничивания являются ребра куба [100]. Таких осей в кристалле железа три и,следовательно, в кристалле существуют шесть направ­лений легкого намагничивания. Направлением самого

трудного на­магничивания α-Fe является пространственная диагональ куба [111], направлением среднего намагничивания — направление вдоль диа­гонали грани куба [110]. Никель имеет гранецентрированную куби­ческую структуру, и направлением легкого намагничивания у него будут пространственные диагонали [111], а трудного — ребра куба [100] (рис. 14.5, б). Кобальт обладает гексагональной плотноупакованной структурой с одной осью легкого намагничивания [0001], совпадающей с осью 2Гпризмы; трудное намагничивание происходит вдоль осей [1120], [1010], перпендикулярных направлению легкого намагничивания (оси Z) (рис. 14.5, в). В отсутствие внешнего маг­нитного поля спонтанное намагничивание всегда имеет место вдоль направления легкого намагничивания.

Энергия Wн, которая требуется для намагничивания до техниче­ского насыщения (единицы объема материала), определяется площа­дью между кривой намагничивания и осью ординат:

Ми Wн = ∫μHdM, (14.8)

о

где Ми соответствует состоянию намагниченности технического на­сыщения.

Магнитная анизотропия проявляется в монокристаллических об­разцах; в поликристаллических она не обнаруживается. Затраты энергии намагничивания монокристалла вдоль направления легкого намагничивания намного меньше (у железа в 5—10 раз), чем при на­магничивании поликристаллического образца металла. Поэтому у поликристаллических металлов (например, у электротехнических сталей; см. гл. 15.1.1) методом прокатки создают преимущественную ориентацию отдельных кристаллитов (зерен) в заданном направле­нии. Например, у сталей зерна ориентируют на ребро. В этом случае поликристаллический металл приобретает магнитную текстуру. В результате магнитные характеристики металла в одном направле­нии улучшаются. Магнитное текстурирование широко применяют на практике.

Магнитная индукция В материала является векторной суммой магнитных индукций внешнего (намагничивающего) поля Вo и внут­реннего поля Ввн:

В = Во + Ввн = μоН + μоМ = μо(Н + М), (14.2)

где Вo = μoН — магнитная индукция поля в вакууме;

Ввн = μоМ = = km Вo — магнитная индукция внутреннего поля; μo — магнитная проницаемость вакуума, называемая магнитной постоянной, μo = = 4π •10^─7, Гн/м.

Между намагниченностью материала М и напряженностью маг­нитного поля Н существует зависимость:

M = kmH, (14.3)

где km — магнитная восприимчивость, характеризующая способность материала изменять свой магнитный момент под действием внешне­го магнитного поля. В вакууме km= 0.

Объединив выражения (14.2) и (14.3), получим

В = μo Н(1+km) = μo μ Н, (14.4)

где μ = 1 + km или μ = В/( μo Н).

Важной характеристикой магнитных материалов является маг­нитная проницаемость.

Магнитная проницаемость μ характеризует способность материала намагничиваться; μ показывает, во сколько раз магнитная индукция поля, созданного в данном материале, больше, чем в вакууме.

Кроме относительной магнитной проницаемости μ , в электро­технике пользуются также абсолютной магнитной проницаемостью μа, имеющей размерность Гн/м, а также другими ее видами (см. гл. 14.2.5—14.2.7). Значения ц и ца определяются из соотношения

μа= μo μ =B/H. (14.5)

По магнитным свойствам все материалы разделяются на три ос­новные группы: диамагнитные (диамагнетики), парамагнитные (па­рамагнетики) и ферромагнитные (ферромагнетики). Позже в само­стоятельные группы были выделены еще два вида магнитных материалов: антиферромагнитные (антиферромагнетики) и ферримагнитные (ферримагнетики). Диа-, пара- и антиферромагнетики относят к слабомагнитным , а ферро- и ферримагнетики - к сильно­магнитным материалам.

На практике под магнитными материалами понимают материа­лы, обладающие свойствами ферромагнетика или ферримагнетика.