- •1. Магнитные материалы
- •1.1. Магнитные характеристики
- •1.2. Классификация веществ по магнитным свойствам
- •1.3. Природа ферромагнетизма
- •1.4. Доменная структура
- •1.5. Намагничивание магнитных материалов. Кривая намагничивания
- •1.6. Магнитный гистерезис
- •1.11. Электрические свойства магнитных материалов
- •1.12. Классификация магнитных материалов
- •2. Магнитомягкие материалы
- •2.1. Технически чистое железо
- •2.2. Электротехнические стали
- •2.3. Пермаллои
- •2.4. Альсиферы
- •2.5. Магнитомягкие ферриты
- •2.6. Специальные магнитные материалы
- •2.7. Аморфные магнитные материалы (амм)
- •3. Магнитотвердые материалы
- •3.1. Магнитотвердые материалы
- •3.2. Сплавы на основе железа-никеля-алюминия
- •3.3. Металлокерамические магниты
- •3.4. Магнитотвердые ферриты
- •3.5. Сплавы на основе редкоземельных металлов (рзм)
1.3. Природа ферромагнетизма
Возникновение магнитных свойств у ферромагнетиков связывается с их строением. Домены - это области самопроизвольной намагниченности, возникающие даже в отсутствии внешнего магнитного поля, в которых магнитные моменты атомов ориентированы параллельно.
Атомы или ионы приобретают магнитный момент, как правило, если они имеют нескомпенсированные спины электронов. Например, в атомах железа на внутренней 3d-электронной оболочке имеется четыре нескомпенсированных спина. Так как самопроизвольная намагниченность относится к внутриатомным явлениям, то ее природа может быть установлена только на основе квантово-механических понятий.
Согласно Я. И. Френкелю и В. Гейзенбергу, главную роль в возникновении ферромагнитного состояния играют силы обменного взаимодействия между атомами, имеющие квантовый характер и по происхождению являющиеся электростатическими.
Энергия, возникающая в результате обмена электронами тождественных атомов, называют обменной энергией или интегралом обменной энергии. При положительном интеграле обменной энергии А (рис. 1.1 б), что соответствует минимуму электростатической энергии, возникает параллельная ориентация спинов. При отрицательном знаке энергетически выгоднее антипараллельное расположение спинов. Численное значение и знак интеграла А зависит от степени перекрытия электронных оболочек, т. е. зависит от расстояния между атомами. На рис. 1.1 б показано изменение интеграла обменной энергии в функции от отношения межатомного расстояния "а" к диаметру незаполненной электронной оболочки. При а/d > 1,5 происходит переход от антиферромагнитного состояния к ферромагнитному. Эта зависимость позволила обнаружить ферромагнетизм у сплавов марганца с неферромагнитными висмутом, сурьмой, серой и др.
Хотя механизм обменного взаимодействия в металлах носит более сложный характер, чем это следует из теории Френкеля-Гейзенберга, данная теория позволяет качественно объяснить причину самопроизвольной намагниченности, т.е. критерием ферромагнетизма в этом случае являются: 1) существование незаполненных внутренних электронных оболочек; 2) радиус этих оболочек должен быть мал по сравнению с расстоянием между ядрами в решетке.
|
рис. 1.1 б |
1.4. Доменная структура
Каждый реальный магнитный материал разделен по всему объему на множество замкнутых областей-доменов, в каждом из которых самопроизвольная намагниченность Js однородна и направлена по одной из осей легкой намагниченности.
Такое состояние энергетически выгодно и кристалл в целом немагнитен, так как магнитные моменты доменов ориентированы в пространстве равновероятно. Между соседними доменами возникают граничные слои (стенки Блоха). Внутри доменных стенок вектор намагниченности плавно поворачивается (рис. 1.2 а).
|
рис. 1.2 а |
Объем доменов может колебаться в широких пределах (10-1-10-6 см3). Ширина границы между антипараллельными доменами для железа 13 • 10-8 м, т. е. около 500 элементарных ячеек. Толщина границы зависит, главным образом, от соотношения энергий: обменной, магнитной анизотропии и магнитоупругой. Размеры самих доменов зависят от неметаллических включений, границ зерен, скоплений дислокаций и др. неоднородностей. Обычно домены имеют правильную форму. На рис. 1.2 б показана идеализированная доменная структура кристаллического ферромагнетика, а на рис. 1.3 доменная структура поликристалла.
|
|
рис. 1.2 б |
рис. 1.3 |
В магнитных материалах, предназначенных для устройств записи и хранения информации, создаются изолированные цилиндрические магнитные домены (ЦМД).