3.4. Магнитные свойства материалов.

Все вещества и материалы взаимодействуют с внешним магнитным полем, то есть обладают определёнными магнитными свойствами. Это связано с тем, что любое вещество и материал содержат множество различных электрически заряженных частиц, находящихся в беспрерывном движении: электронов, протонов, ионов и т.д. Магнетизм веществ обусловлен наличием внутренних электрических токов, связанных преимущественно с движением (вращающимся по орбитам) электронов в атомах и ионах. Магнетизм, вызванный движением других заряженных частиц, ничтожно мал по сравнению с магнетизмом, вызванным движением электронов. Таким образом, магнитные свойства вещества определяются двумя факторами: а) магнитным состоянием электронов и б) взаимодействием магнитных моментов электронов соседних атомов. Для того чтобы судить о магнитных свойствах материала, необходимо знать его атомарный состав, необходимо рассмотреть электронное строение атомов, составляющих данный материал.

Любое вещество, помещённое в магнитное поле, приобретает магнитный момент М.(Уточнить, р_М А* м²) Магнитный момент единицы объёма V называется намагниченностью J_m = M /V [A*м²/м³ = А/м].

В каждой точке J_m может быть разной и направленной по-разному, то есть J_m является векторной величиной: J_m = dM /dV.

Намагниченность прямо пропорциональна напряжённости магнитного поля H:

J_m = k_mH, (3.19)

где k_m – безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью, Н – размерность А/м.

Электромагнитная теория Максвелла, кроме напряжённости магнитного поля H, содержит параметр B – магнитную индукцию, являющуюся суммой внешнего и собственного магнитного поля. Эти магнитные величины связаны друг с другом соотношением: (размерности, сравни 3.20 и В с/м²)

B = _абсH, (3.20)

где В - имеет размерность В * с/м² = Тесла (Т), Н – размерность А/м; _абс - абсолютная магнитная проницаемость, равная _абс = _о; _о = 410^-7 Гн/м - магнитная постоянная (или магнитная проницаемость вакуума). Чаще всего используют относительную магнитную проницаемость , которая является характеристикой материала, в котором возникает магнитное поле, эта величина безразмерная. В зависимости от магнитных свойств вещества и материалы делятся на пять типов: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Диамагнетики имеют низкие отрицательные значения k_m ~ -10^-5 – они очень слабо намагничиваются, при этом их магнитный момент направлен против направления намагничивающего поля, они выталкиваются из неоднородного магнитного поля.  меньше 1 и в большинстве случаев не зависит от напряжённости магнитного поля и температуры. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, вода, нефть и другие органические вещества, алмаз, NaCl, SiO₂, стекло, а также некоторые металлы – Be, Cu, Zn, Ga, Ge, Sr, Ag, Au, Bi, Si, Pb, и др.

Наиболее сильные диамагнетики – сверхпроводники. Выталкивающая сила в них настолько велика, что практически используется для создания так называемых магнитных подушек, удерживающих массивные детали, для создания «подшипников» без трения. А ротор со сверхпроводящей обмоткой диаметром 3 метра, вращающийся с большой скоростью, является хорошим накопителем электроэнергии атомных электростанций для покрытия пиковых нагрузок и заменяет гидроэлектростанцию средней мощности.

Парамагнетики – вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряжённости магнитного поля. Величина k_m для парамагнетиков равна 10^-3 – 10^-5. Парамагнетики втягиваются в неоднородное магнитное поле. В парамагнетиках магнитные моменты есть всегда, но в разупорядоченном состоянии, как диполи в полярных диэлектриках. В магнитном поле электронные орбитали ориентируются в направлении поля и результирующий магнитный момент атомов ориентирован в направлении поля. Фиксации ориентированного состояния материалов мешает тепловое движение. Чем ниже температура, тем чётче фиксируется намагниченность парамагнетика. Зависимость k_m от температуры выражается законом Кюри: k_m = С/Т, где С – постоянная Кюри, зависящая от природы материала, а Т – абсолютная температура.

К парамагнитным материалам относятся все переходные металлы с нескомпенсированными моментами свободных электронов (Ti, Cr, Mn, Pd, Pt и др.), щелочные металлы, Аl, W, Sn, соли Fe, Co, Ni и редкоземельных металлов, О₂, N₂, эбонит др.

Ферромагнетики – вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью k_m – до 10⁶. В ферромагнетиках k_m сильно зависит от температуры, напряжённости магнитного поля, им присуща внутренняя магнитная упорядоченность в пределах так называемых «доменов» – макроскопических областей с одинаково направленными (ориентированными) магнитными моментами. Границы доменов фиксированы и, по существу, являются границами фаз. Главная особенность ферромагнетиков заключается в способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях. Намагничивание ферромагнетиков происходит неравномерно в зависимости от напряжённости магнитного поля и состоит в смещении доменных границ (перестройке размеров доменов) и в самой ориентации магнитных моментов внутри доменов, причём первый процесс идёт более легко, а второй – более трудно.

В слабых полях имеет место обратимое намагничивание, состоящее в упругом смещении доменных границ (увеличение объёма доменов). На второй стадии смещение доменных границ (стенок) носит необратимый, скачкообразный характер. Если в этом диапазоне напряжённостей подсоединить наушники к ферромагнетику, то будут слышны характерные щелчки (так называемый эффект Барнгаузена). На этой стадии кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну.

На третье стадии происходит вращение магнитных диполей – ориентация магнитных моментов доменов. Этот процесс протекает более трудно, рост магнитной проницаемости  = В/Н начинает замедляться – проходит через максимум.

На четвёртой стадии все магнитные моменты доменов ориентируются вдоль поля, наступает техническое насыщение магнитной индукции В_s.

С уменьшением напряжённости магнитного поля Н вплоть до нуля кривая намагниченности снижается, но не до нуля, а до величины В_r. При дальнейшем увеличении поля Н обратной полярности только при напряжённости Н_с происходит изменение знака намагниченности. Это напряжённость поля, при которой В = 0, называется коэрцитивной силой. Фигура, получающаяся в координатах В – Н при циклических изменениях Н называется петлёй гистерезиса. На рис. 3.15 представлена кривая намагничивания и петля гистерезиса ферромагнетика.

Рис.3.10. Кривая намагничивания и петля гистерезиса ферромагнетика.

По величине Н_с материалы подразделяются на магнитно-мягкие (с Н_с  800 А/м) и магнитно-твёрдые. Магнитно-мягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса и малые потери на перемагничивание. Магнитно-твёрдые материалы, с большой Н_с, обычно больше 4000 А/м, имеют широкую петлю гистерезиса и большие потери на перемагничивание. Некоторые материалы имеют прямоугольную петлю гистерезиса (ППГ) – их выделяют в отдельную группу.

На рис. 3.16 приведены зависимости В(Н) и μ(Н) для разных типов магнитных материалов, а на рис. 3.17 – зависимость μ от температуры.

Рис. 3.11. Рис. 3.12

Рис. 3.11. Кривые зависимости магнитной индукции В (кривые намагничивания) (рис. а) и магнитной проницаемости  (рис. б) от напряжённости внешнего магнитного поля Н.

1 – железо особо чистое; 2 – железо чистое (99,98 % Fе); 3 - железо технически чистое (99,92 % Fе); 4 – пермалой (78 % Ni); 5 – никель; 6 – сплав железо – никель (26 % Ni).

Рис. 3.12. Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры.

На рис.3.11 (а) приведена зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля для первичной намагничиваемости ферромагнетика. Значение  = В/₀Н при Н стремящемся к нулю, называется начальной магнитной проницаемостью. Это значение  определяют в слабых полях, менее 0,1 А/м. Наибольшее значение  называется максимальной _мах (определяется по максимальному углу наклона прямой, проведённой от нуля до касания с кривой намагничивания).

Температурные зависимости магнитной проницаемости (рис. 3.12) имеют экстремальный характер и при температуре, называемой температурой Кюри Т_к, обращается в нуль. Увеличение намагниченности с ростом температуры связано с облегчением смещения доменных стенок и облегчением ориентации доменов. Спад намагниченности связан с резким уменьшением спонтанной намагниченности доменов – разрушением доменной структуры. При температурах выше Т_к ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние.

При намагничивании происходит изменение геометрических размеров ферромагнетика. Это явление называется магнитострикцией, она ослабляет намагниченность и снижает эффективное значение . Разные материалы могут иметь разные знаки магнитострикции, их размеры могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Так, железо и никель имеют разные знаки магнитострикции. Это позволяет изготавливать материалы с большой магнитной проницаемостью  - сплавы группы «пермалой».

К ферромагнетикам относятся -Fe, Co, Ni, Gd и некоторые другие редкоземельные металлы, некоторые сплавы на основе железа.

Антиферромагнетики – это вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решётки. Например, в кристаллах оксида марганца МnO чередующиеся атомы Мn имеют противоположное направление магнитных моментов. В этих веществах магнитная восприимчивость k_m = 10^-3 – 10^-5, причём k_m сильно зависит от температуры. При нагревании атомы ферромагнетика переходят в парамагнитное состояние (при точке Нееля, аналогичной точке Кюри). К антиферромагнетикам относятся Cr, Mn, редкоземельные металлы церий Ce, неодим Nd , самарий Sm, а также галогениды, сульфиды, карбонаты, всего более 1000 соединений.

Ферримагнетики – вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Как у ферромагнетиков, у них высокая магнитная восприимчивость k_m, зависящая от напряжённости магнитного поля и температуры. К этим веществам относятся многие упорядоченные металлические сплавы и оксиды, особенно ферриты.

Таким образом, по магнитным свойствам вещества делятся на слабомагнитные – диа-, пара- и антиферромагнетики и сильномагнитные – ферро- и ферримагнетики.

Вопросы для самопроверки

1. Как классифицируются вещества по магнитным свойствам?

2. Чем отличаются диамагнетики от парамагнетиков?

3. Чем отличаются ферримагнетики от антиферромагнетиков?

4. Что такое точка Кюри и точка Нееля?

5. По каким параметрам разделяют сильномагнитные материалы на магнитно-мягкие и магнитно-твёрдые?