Природа ферромагнетизма
Согласно гипотезе Ампера внутри атомов и молекул текут молекул-ные токи имеются магнитные диполи. По сути дела гипотеза Ампера блестяще подтвердилась, когда была понята электронная структура атома. Движение электр-ов вокруг ядер атомов является элемент-ыми токами, создающими магнитные моменты.
Более строгое рассмотрение элемен-ых магнитных моментов свидетел-ет о том, что у атома имеются магнитные моменты ядер, орбитальные магнитные моменты элект-ов и спиновые магнитные моменты электр-ов. Магнитные моменты ядер атомов ничтожно малы по сравнению с магнитными моментами электр-ов, поэтому их влиянием на магнитные св-ва материалов можно пренебречь. Орбитальные магнитные моменты электр-ов также заметно меньше спиновых магнитных моментов. Поэтому магнитные св-ва материалов в основном определ-ся спиновыми магн-ыми момнтами элек-ов.
Согласно правилу Хунда заполнение электр-ых орбиталей производ-ся т-м обр-м, чтобы магнитный и механический моменты электр-ов были макс-ны. У переходных металлов внутренние электронные орбитали (3d или 5f) заполнены не полностью. Поэтому у атомов таких элементом имеется значительный магнитный момент.
В том случае, когда внутренние орбитали атомов заполнены, неполностю происходит обмен элект-ми незаполненных орбиталей соседних атомов. При этом энергия атомов понижается на величину обменной энергии (Uобм). Величина обменной энергии зависит от квантовомеханической функции - обменного интеграла (А) и взаимной ориентации суммарных спиновых моментов соседних атомов:
Uобм = -А (s1s2)
Обменное взаимод-ие может привести к взаимной ориентации магнитных моментов соседних атомов. В зависимости от ориентации магнитных моментов соседних атомов все вещ-ва делят: ферромагнетики, антиферромагнетики и парамагнетики.
Обменный интеграл зависит от расстояния м|у соседними атомами (а) и от радиуса незаполненных орбиталей (r) или в обобщенном виде от отн-ия (а/r).
При отношении расстояния м/у атомами к радиусу незаполненных оболочек большем 3 обменный интеграл положителен и для того чтобы обменная энергия вычиталась из общей энергии системы необходимо параллельная ориентация спиновых магнитных моментов соседних атомов. Такие вещества являются ферромагнетиками. При отношении а/r меньшем 3 обменный интеграл отрицателен и для того чтобы энергия системы была минимальной скалярное произведение магнитных моментов соседних атомов должно быть отрицательным. В этом случае магнитные моменты соседних атомов антипараллельны и такие вещества принято называть антиферромагнетиками. При равенстве отношения а/r 3 обменная энергия нулевая и взаимная ориентация магнитных моментов произвольна. Такие вещества являются парамагнетиками.
Т-м об-м, для того чтобы вещ-во было ферромагнитным необ-мо выполнние 2 условий:
1). В состав материала должны входить атомы переходных металлов, обладающих большими магнитными моментами;
2). Отношение расстояния м/у атомами к радиусу незаполненных электронных оболочек должно превышать 3.
Магнитомягкие материалы для работы в слабых полях
Для материалов, работающих в слабых полях, чрезвычайное значение имеет высокое значение начальной магнитной проницаемости или для таких материалов важна большая подвижность границ доменов в условиях малой напряжен-ти внешнего магнитного поля. такие материалы должны быть однофазными и иметь малую магнитную анизотропию и магнитострикцию. Увеличение межатомных расстояний м/у атомами переходных металлов вследствие легирования, приводит к снижению магнитной анизотропии. Поэтому для достижения макс магнитной проницаемости используют сильно легированные сплавы. Примером могут служить альсифер и пермаллои. Альсифер - сплав системы Fe-Si-Al, содержащий около 9,5% кремния и 5,5% алюминия. При этом составе магнитная анизотропия минимальна и сплав имеет очень высокую магнитную проницаемость. Отклонение от оптимального состава приводит к снижению магнитной проницаемости
Сплав отличается достаточно высоким удельный электрическим сопротивлением (=0,81 мкОмм), что снижает потери на вихревые токи. Вместе с тем, сплав непластичен и тверд. Детали из него изготавливают методом порошковой металлургии, а окончательная обработка деталей возможна только анодно-механическим и электроискровым способами, а также шлифовкой. Трудность обработки стоим-ть изделий, но, поскольку сплав несод-ит дорогост-их комп-ов его широко прим-ют для изгот-ия магн-ых экранов и магнитопроводов.
Пермаллои. Пермаллоями наз-ют сплав железа и никеля. При этом различют низконик-ые пермаллои и высоконикелевые пермаллои. Низконик-ые пермаллои содержат 45-65% Ni, высоконик-ые пермаллои - 78% Ni. Для низконик-ых пермаллоев характерны более высокое удельной электросопр-ие и повышенная индукция насыщения, но, магнитная прониц-ть низконик-ых пермаллоев ниже магнитной проницаем-ти высоконик-ых пермаллоев. Индукция насыщения высокон-ых пермаллоев ниже индукции насыщения низкон-ых пермаллоев.Т.к. магнитный момент иона никеля ниже магнитного момента иона железа.