Namagnesowanie i materiały magnetyczne

Obecność substancji o właściwościach magnetycznych objawia się zmianą parametrów pola magnetycznego w stosunku do pola w przestrzeni niemagnetycznej. Zachodzące w obrazie mikroskopowym procesy fizyczne związane są z pojawianiem się w materiale pod wpływem pola magnetycznego momentów magnetycznych mikroprądów, których gęstość objętościowa nazywana jest wektorem namagnesowania.

Pojawienie się namagnesowania w substancji po umieszczeniu jej w środku pole magnetyczne tłumaczy się procesem stopniowej preferencyjnej orientacji momentów magnetycznych krążących w nim mikroprądów w kierunku pola. Ogromny wkład w powstawanie mikroprądów w substancji ma ruch elektronów: ruch obrotowy i orbitalny elektronów związanych z atomami, spin i ruch swobodny elektronów przewodzących.

Zgodnie z ich właściwościami magnetycznymi wszystkie materiały dzielą się na paramagnesy, diamagnetyki, ferromagnesy, antyferromagnesy i ferryty... Przynależność materiału do jednej lub drugiej klasy jest określona przez charakter reakcji momentów magnetycznych elektronów na pole magnetyczne pola w warunkach silnych oddziaływań elektronów ze sobą w atomach wieloelektronowych i strukturach krystalicznych.

Diamagnesy i paramagnetyki to materiały słabo magnetyczne. Znacznie silniejszy efekt magnetyzacji obserwuje się w przypadku ferromagnesów.

Podatność magnetyczna (stosunek bezwzględnych wartości wektorów namagnesowania i natężenia pola) dla takich materiałów jest dodatnia i może sięgać kilkudziesięciu tysięcy. W ferromagnesach powstają obszary spontanicznego jednokierunkowego namagnesowania — domeny —.

Ferromagnetyzm obserwuje się w kryształach metali przejściowych: żelaza, kobaltu, niklu i szeregu stopów.

Po przyłożeniu zewnętrznego pola magnetycznego o wzrastającej sile wektory spontanicznego namagnesowania, początkowo zorientowane w różnych obszarach na różne sposoby, stopniowo ustawiają się w tym samym kierunku. Proces ten nazywa się magnetyzacją techniczną… Charakteryzuje się krzywą magnetyzacji początkowej – zależnością indukcji lub namagnesowania od wynikowe natężenie pola magnetycznego w materiale.

Przy stosunkowo małym natężeniu pola (sekcja I) następuje szybki wzrost namagnesowania, głównie za sprawą wzrostu rozmiarów domen o orientacji namagnesowania w dodatniej półkuli kierunków wektorów natężenia pola. Jednocześnie proporcjonalnie zmniejszają się rozmiary domen w półkuli ujemnej.W mniejszym stopniu zmieniają się wymiary tych obszarów, których namagnesowanie jest zorientowane bliżej płaszczyzny prostopadłej do wektora natężenia.

Przy dalszym wzroście natężenia dominują procesy rotacji domenowych wektorów magnetyzacji wzdłuż pola (sekcja II) aż do osiągnięcia nasycenia technicznego (punkt S). Późniejszy wzrost wynikowego namagnesowania i osiągnięcie tej samej orientacji wszystkich obszarów w polu jest utrudniony przez termiczny ruch elektronów. Region III ma charakter podobny do procesów paramagnetycznych, w których wzrost namagnesowania wynika z orientacji kilku spinowych momentów magnetycznych zdezorientowanych przez ruch termiczny.Wraz ze wzrostem temperatury dezorientujący ruch termiczny wzrasta, a namagnesowanie substancji maleje.

Dla danego materiału ferromagnetycznego istnieje pewna temperatura, w której ferromagnetyczne uporządkowanie struktury domenowej i namagnesowanie zanikają. Materiał staje się paramagnetyczny. Ta temperatura nazywa się punktem Curie. Dla żelaza punkt Curie odpowiada 790°C, dla niklu - 340°C, dla kobaltu - 1150°C.

Obniżenie temperatury poniżej punktu Curie przywraca ponownie właściwości magnetyczne materiału: strukturę domenową z zerowym namagnesowaniem sieci, jeśli nie ma zewnętrznego pola magnetycznego. Dlatego produkty grzewcze wykonane z materiałów ferromagnetycznych powyżej punktu Curie służą do ich całkowitego rozmagnesowania.

Początkowa krzywa namagnesowania

Procesy magnesowania materiałów ferromagnetycznych z podziałem na odwracalne i nieodwracalne w związku ze zmianą pola magnetycznego.Jeżeli po usunięciu zakłóceń pola zewnętrznego namagnesowanie materiału powróci do stanu pierwotnego, to proces ten jest odwracalny, w przeciwnym razie jest nieodwracalny.

Odwracalne zmiany obserwuje się w małym początkowym odcinku krzywej namagnesowania sekcji I (strefa Rayleigha) przy niewielkich przemieszczeniach ścian domen oraz w obszarach II, III, gdy wektory namagnesowania w regionach obracają się. Główna część rozdziału I poświęcona jest nieodwracalnemu procesowi odwracania się magnesowania, który w głównej mierze determinuje właściwości histerezy materiałów ferromagnetycznych (opóźnienie zmian namagnesowania od zmian pola magnetycznego).

Pętla histerezy zwana krzywymi odzwierciedlającymi zmianę namagnesowania ferromagnesu pod wpływem cyklicznie zmieniającego się zewnętrznego pola magnetycznego.

Podczas badania materiałów magnetycznych konstruowane są pętle histerezy dla funkcji parametrów pola magnetycznego B (H) lub M (H), które mają znaczenie uzyskanych parametrów wewnątrz materiału w rzucie na ustalony kierunek. Jeśli materiał został wcześniej całkowicie rozmagnesowany, to stopniowy wzrost natężenia pola magnetycznego od zera do Hs daje wiele punktów z początkowej krzywej namagnesowania (Rozdział 0-1).

Punkt 1 — techniczny punkt nasycenia (Bs, Hs). Późniejsza redukcja siły H wewnątrz materiału do zera (rozdz. 1-2) umożliwia określenie granicznej (maksymalnej) wartości namagnesowania szczątkowego Br i dalsze zmniejszenie natężenia pola ujemnego do całkowitego rozmagnesowania B = 0 ( rozdz. 2-3) w punkcie H = -HcV - maksymalna siła koercji podczas magnesowania.

Ponadto materiał jest namagnesowany w kierunku ujemnym do nasycenia (sekcja 3-4) przy H = — Hs. Zmiana natężenia pola w kierunku dodatnim zamyka pętlę histerezy granicznej wzdłuż krzywej 4-5-6-1.

Wiele stanów materiałowych w granicach cyklu histerezy można uzyskać zmieniając natężenie pola magnetycznego odpowiadające częściowo symetrycznym i asymetrycznym cyklom histerezy.

Histereza magnetyczna: 1 — krzywa magnetyzacji początkowej; 2 — cykl graniczny histerezy; 3 — krzywa namagnesowania głównego; 4 — symetryczne cykle częściowe; 5 — asymetryczne pętle częściowe

Częściowo symetryczne cykle histerezy opierają swoje wierzchołki na głównej krzywej namagnesowania, która jest zdefiniowana jako zbiór wierzchołków tych cykli, dopóki nie zbiegną się one z cyklem granicznym.

Częściowe asymetryczne pętle histerezy powstają, gdy punkt początkowy nie znajduje się na głównej krzywej namagnesowania przy symetrycznej zmianie natężenia pola, a także przy asymetrycznej zmianie natężenia pola w kierunku dodatnim lub ujemnym.

W zależności od wartości siły koercji materiały ferromagnetyczne dzielą się na magnetycznie miękkie i magnetycznie twarde.

Miękkie materiały magnetyczne są stosowane w układach magnetycznych jako rdzenie magnetyczne... Materiały te mają niską siłę koercji, wysoką przenikalność magnetyczna i indukcja nasycenia.

Twarde materiały magnetyczne mają dużą siłę koercji iw stanie wstępnie namagnesowanym są używane jako magnesy trwałe — pierwotne źródła pola magnetycznego.

Istnieją materiały, do których zgodnie z właściwościami magnetycznymi należą antyferromagnesy... Antyrównoległy układ spinów sąsiednich atomów okazuje się dla nich korzystniejszy energetycznie. Stworzono antyferromagnesy, które mają znaczny wewnętrzny moment magnetyczny ze względu na asymetrię sieci krystalicznej… Takie materiały nazywane są ferrimagnetykami (ferrytami)… W przeciwieństwie do metalicznych materiałów ferromagnetycznych, ferryty są półprzewodnikami i mają znacznie mniejsze straty energii dla prądy wirowe w zmiennym polu magnetycznym.

Krzywe magnetyzacji różnych materiałów ferromagnetycznych