Исследование свойств металлических ферромагнитных материалов.

Основные понятия и определения

К ферромагнитным относят материалы с большой положительной магнитной восприимчивостью, которая сильно зависит от напряжённости магнитного поля и температуры. Особые свойства ферромагнетиков обусловлены наличием у них в определённом интервале температур спонтанной (самопроизвольной) намагниченности и доменной структуры. Для осуществления спонтанной намагниченности необходимо выполнение, по крайней мере, двух условий: в состав металла должны входить атомы или ионы металлов, имеющих недозаполненные внутренние, например 3d, электронные оболочки (к таким металлам относятся Fe, Co, Ni и др.); кристаллическая структура должна быть такой, чтобы силы обменного взаимодействия между этими атомами приводили к их взаимному упорядочению, т.е. к параллельной ориентации их спиновых моментов. В отсутствии внешнего магнитного поля состояние, при котором вектор спонтанной намагниченности имел бы во всём образце одно направление, энергетически не выгодно, т.к. оно приводило бы к большому рассеянию магнитного потока в окружающее пространство. Поэтому образец самопроизвольно разбивается на отдельные области (домены), имеющие размеры порядка единиц микрометров. Внутри каждого домена вектор намагниченности имеет одинаковое направление, а суммарный магнитный поток замкнут внутри образца. Соседние домены с разными направлениями момента разделены доменными границами, в которых направление спиновых моментов изменяется плавно. При воздействии внешнего магнитного поля происходит перестройка доменной структуры, что приводит к намагничиванию образца.

Важнейшим свойством ферромагнетиков является нелинейная зависимость магнитной индукции В от напряжённости магнитного поля Н. Эту зависимость называют кривой намагничивания. На начальном участке кривой намагничивания, где наблюдается монотонное возрастание индукции, преобладают процессы обратимого смещения доменных границ. При этом происходит увеличение объёма тех доменов, магнитные моменты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля. В области более сильных полей смещение доменных границ приобретает необратимый характер. Здесь кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну. По мере дальнейшего увеличения Н возрастает роль второго механизма намагничивания – механизма вращения, при котором магнитные моменты доменов постепенно поворачиваются в направлении поля. На этом участке рост магнитной индукции замедляется. Когда все магнитные моменты доменов ориентируются вдоль поля, наступает техническое насыщение.

По кривой намагничивания ферромагнетика легко построить зависимость магнитной проницаемости от напряжённости магнитного поля. Статическую магнитную проницаемость  определяют из формулы В=₀Н (1), где ₀ = 4­10^-7 Гн/м – магнитная постоянная. При увеличении напряжённости поля магнитная проницаемость сначала растёт, что связанно со сверхлинейной зависимостью смещения доменных границ от Н и с возрастанием вклада процессов вращения. Далее она достигает своего максимального значения _max и затем уменьшается из-за насыщения магнитной индукции.

Если после намагничивания образца до насыщения внешнее поле медленно уменьшить до нуля, то индукция в нуль не обратится, а примет значение В_r, называемое остаточной индукцией. Чтобы убрать остаточную индукцию необходимо приложить поле противоположного направления напряжённостью Н_с, называемое коэрцитивной силой. В зависимости от величины этого значения ферромагнетики делят на магнитомягкие и магнитотвёрдые. В_r и H_c являются параметрами статической предельной петли гистерезиса т.е. петли гистерезиса полученной при медленном циклическом перемагничивании намагниченного до насыщения образца. Площадь статической петли гистерезиса характеризует потери энергии на гистерезисе Э_г, обусловленные необратимыми процессами смещения и вращения на один цикл перемагничивания. При достаточно быстром изменении Н по величине и знаку зависимость В(Н) описывает динамическую петлю гистерезиса. при намагничивании до одинакового предельного значения индукции площадь динамической петли гистерезиса у металлических ферромагнетиков больше площади статической петли гистерезиса на величину, характеризующую потери энергии на вихревые токи Э_вт. Величина Э_г постоянна в достаточно широком диапазоне частот, а величина Э_вт возрастает пропорционально частоте.

Мощность потерь на гистерезис и вихревые токи описывается соответственно формулами:

P_r=Э_гf=B_mⁿf ; P_вт=Э_вт f=B_m² f². (2) где  – коэффициент, зависящий от свойства материала, В_m – максимальная индукция, достигаемая в цикле; n – показатель степени от 1,6 до 2 для различных материалов;  – коэффициент ­­зависящий от удельной проводимости ферромагнетика и формы образца; f – частота изменения магнитного поля.

Для металлических ферромагнетиков характерно уменьшение измеряемой величины магнитной проницаемости от частоты, наблюдаемое на достаточно низких частотах, когда инерционность процессов намагничивания ещё не проявляется. Это объясняется размагничивающим действием вихревых токов. Вихревые токи, индуцируемые в ферромагнитном сердечнике, создают, в соответствии с законом Ленца, собственный поток магнитной индукции, находящийся в противофазе с основным потоком. Плотность тока, создаваемого вихревыми токами максимальна в центре сердечника и равна нулю на его поверхности. Поэтому результирующая магнитная индукция убывает от поверхности вглубь сердечника, мы определяем некоторое эффективное значение индукции при данной частоте и соответствующее ему эффективное значение магнитной проницаемости _эф.

В настоящей работе проводится исследование основных магнитных свойств железно-никелевого сплава типа пермаллой.