Magnetizácia a magnetické materiály

Prítomnosť látky s magnetickými vlastnosťami sa prejavuje zmenou parametrov magnetického poľa oproti poľu v nemagnetickom priestore. Vyskytujúce sa fyzikálne procesy v mikroskopickom zobrazení sú spojené s objavením sa v materiáli pod vplyvom magnetického poľa magnetických momentov mikroprúdov, ktorých objemová hustota sa nazýva magnetizačný vektor.

Vzhľad magnetizácie v látke, keď ju umiestnite dovnútra magnetické pole sa vysvetľuje procesom postupnej preferenčnej orientácie magnetických momentov, ktoré v ňom cirkulujú mikroprúdy v smere poľa. Obrovským prínosom k vytvoreniu mikroprúdov v látke je pohyb elektrónov: rotácia a orbitálny pohyb elektrónov spojených s atómami, spin a voľný pohyb vodivých elektrónov.

Podľa magnetických vlastností sa všetky materiály delia na paramagnety, diamagnety, feromagnety, antiferomagnety a ferity... Príslušnosť materiálu k tej či onej triede je určená povahou reakcie magnetických momentov elektrónov na magnetický materiál. poľa v podmienkach silných interakcií elektrónov medzi sebou v multielektrónových atómoch a kryštálových štruktúrach.

Diamagnety a paramagnety sú slabo magnetické materiály. Oveľa silnejší magnetizačný efekt sa pozoruje u feromagnetík.

Magnetická susceptibilita (pomer absolútnych hodnôt vektorov magnetizácie a intenzity poľa) pre takéto materiály je pozitívna a môže dosiahnuť niekoľko desiatok tisíc. Vo feromagnetikách sa vytvárajú oblasti spontánnej jednosmernej magnetizácie - domény.

Feromagnetizmus pozorované v kryštáloch prechodných kovov: železa, kobaltu, niklu a mnohých zliatin.

Keď sa aplikuje vonkajšie magnetické pole so zvyšujúcou sa silou, vektory spontánnej magnetizácie, spočiatku orientované v rôznych oblastiach rôznymi spôsobmi, sa postupne zoradia rovnakým smerom. Tento proces sa nazýva technická magnetizácia... Charakterizuje ho počiatočná magnetizačná krivka – závislosť indukcie alebo magnetizácie od výsledná intenzita magnetického poľa v materiáli.

Pri relatívne malej intenzite poľa (sekcia I) dochádza k rýchlemu nárastu magnetizácie, najmä v dôsledku zväčšenia veľkosti domén s orientáciou magnetizácie v kladnej hemisfére smerov vektorov intenzity poľa. Súčasne sa úmerne zmenšujú veľkosti domén v negatívnej hemisfére.V menšej miere sa menia rozmery týchto oblastí, ktorých magnetizácia je orientovaná bližšie k rovine kolmej na vektor intenzity.

S ďalším zvyšovaním intenzity prevládajú procesy rotácie vektorov doménovej magnetizácie pozdĺž poľa (sekcia II) až do dosiahnutia technického nasýtenia (bod S). Následnému zvýšeniu výslednej magnetizácie a dosiahnutiu rovnakej orientácie všetkých oblastí v poli bráni tepelný pohyb elektrónov. Oblasť III je svojou povahou podobná paramagnetickým procesom, kde nárast magnetizácie je spôsobený orientáciou niekoľkých spinových magnetických momentov dezorientovaných tepelným pohybom.S rastúcou teplotou sa dezorientačný tepelný pohyb zvyšuje a magnetizácia látky klesá.

Pre daný feromagnetický materiál existuje určitá teplota, pri ktorej mizne feromagnetické usporiadanie doménovej štruktúry a magnetizácia. Materiál sa stáva paramagnetickým. Táto teplota sa nazýva Curieho bod. Pre železo zodpovedá Curieov bod 790 ° C, pre nikel - 340 ° C, pre kobalt - 1150 ° C.

Znížením teploty pod Curieho bod sa opäť obnovia magnetické vlastnosti materiálu: doménová štruktúra s nulovou sieťovou magnetizáciou, ak nie je vonkajšie magnetické pole. Na ich úplnú demagnetizáciu sa preto používajú ohrievacie produkty z feromagnetických materiálov nad Curieovým bodom.

Počiatočná magnetizačná krivka

Procesy magnetizácie feromagnetických materiálov rozdelené na vratné a nevratné v súvislosti so zmenou magnetického poľa.Ak sa po odstránení vonkajších porúch poľa magnetizácia materiálu vráti do pôvodného stavu, potom je tento proces vratný, v opačnom prípade je nevratný.

Reverzibilné zmeny sú pozorované v malom počiatočnom segmente magnetizačnej krivky sekcie I (Rayleighova zóna) pri malých posunoch doménových stien a v oblastiach II, III, keď sa magnetizačné vektory v oblastiach otáčajú. Hlavná časť sekcie I sa zaoberá nevratným procesom obrátenia magnetizácie, ktorý určuje najmä hysterézne vlastnosti feromagnetických materiálov (oneskorenie zmien magnetizácie od zmien magnetického poľa).

Hysterézna slučka nazývaná krivky odrážajúce zmenu magnetizácie feromagnetika pod vplyvom cyklicky sa meniaceho vonkajšieho magnetického poľa.

Pri skúšaní magnetických materiálov sú konštruované hysterézne slučky pre funkcie parametrov magnetického poľa B (H) alebo M (H), ktoré majú význam získaných parametrov vo vnútri materiálu v priemete na pevný smer. Ak bol materiál predtým úplne demagnetizovaný, potom postupné zvyšovanie intenzity magnetického poľa z nuly na Hs dáva veľa bodov z počiatočnej magnetizačnej krivky (časť 0-1).

Bod 1 – bod technickej saturácie (Bs, Hs). Následné zníženie sily H vo vnútri materiálu na nulu (časť 1-2) umožňuje určiť hraničnú (maximálnu) hodnotu zvyškovej magnetizácie Br a ďalej znižovať intenzitu záporného poľa, aby sa dosiahla úplná demagnetizácia B = 0 ( časť 2-3) v bode H = -HcV - maximálna koercitívna sila pri magnetizácii.

Okrem toho je materiál magnetizovaný v zápornom smere k saturácii (časť 3-4) pri H = — Hs. Zmena intenzity poľa v kladnom smere uzatvára obmedzujúcu hysteréznu slučku pozdĺž krivky 4-5-6-1.

Mnohé stavy materiálu v rámci cyklu hysterézneho limitu možno dosiahnuť zmenou intenzity magnetického poľa zodpovedajúcich čiastočným symetrickým a asymetrickým hysteréznym cyklom.

Magnetická hysterézia: 1 — počiatočná magnetizačná krivka; 2 – limitný cyklus hysterézie; 3 — krivka hlavnej magnetizácie; 4 — symetrické čiastkové cykly; 5 — asymetrické čiastočné slučky

Čiastočne symetrické hysterézne cykly spočívajú svojimi vrcholmi na hlavnej magnetizačnej krivke, ktorá je definovaná ako množina vrcholov týchto cyklov, kým sa nezhodujú s limitným cyklom.

Čiastočné asymetrické hysterézne slučky sa vytvárajú, ak východiskový bod nie je na hlavnej magnetizačnej krivke so symetrickou zmenou intenzity poľa, ako aj s asymetrickou zmenou intenzity poľa v pozitívnom alebo negatívnom smere.

V závislosti od hodnôt koercitívnej sily sa feromagnetické materiály delia na magneticky mäkké a magneticky tvrdé.

Mäkké magnetické materiály sa používajú v magnetických systémoch ako magnetické jadrá... Tieto materiály majú nízku koercitívnu silu, vysokú magnetická permeabilita a saturačnej indukcie.

Tvrdé magnetické materiály majú veľkú koercitívnu silu a v predmagnetizovanom stave sa používajú ako permanentné magnety — primárne zdroje magnetického poľa.

Sú materiály, ku ktorým podľa magnetických vlastností patria antiferomagnety... Antiparalelné usporiadanie spinov susedných atómov sa pre ne ukazuje ako energeticky priaznivejšie. Boli vytvorené antiferomagnety, ktoré majú významný vnútorný magnetický moment v dôsledku asymetrie kryštálovej mriežky... Takéto materiály sa nazývajú ferimagnety (ferity)... Na rozdiel od kovových feromagnetických materiálov sú ferity polovodiče a majú výrazne nižšie straty energie. vírivé prúdy v striedavých magnetických poliach.

Magnetizačné krivky rôznych feromagnetických materiálov