189
В дальнейшем понятиемагнитные материалы будет использоваться в узком смысле для обозначения ферро- и ферримагнетиков, обладающих практически значимыми магнитными свойствами.
6.3 Характеристики и параметры магнитных материалов
Кривая намагничивания. Петля гистерезиса. Характеристики нелинейных магнетиков неоднозначны и зависят не только от напряженности поля, температуры, и других внешних факторов, но и от предшествующего магнитного состояния. Для получения кривых намагничивания в координатах B(H) или I(H) в качестве исходного принимают размагниченное состояние образца при отсутствии внешнего поля (Н=0), то есть состояние, при котором векторы магнитных моментов доменов распределены равномерно по всем
кристаллографическим |
направлениям легкого |
намагничивания(в среднем, |
|||||||
I=0, B=0). Намагничивание во внешнем поле начинается с переориентации |
|||||||||
элементарных магнитных моментов вблизи доменных границ, где |
их |
||||||||
ориентация |
неустойчива (так |
как |
они |
соседствуют |
с |
моментами |
|||
противоположного |
направления). |
Внешне |
это выглядит |
как |
смещение |
||||
доменных границ. Смещению доменных границ препятствуют дефекты |
|||||||||
кристаллической решетки, механические напряжения (магнитострикция) |
и |
||||||||
другие |
причины. |
В |
слабых |
полях |
|
смещение |
границ |
происходит |
|
незначительно, без преодоления стопорящих дефектов, то есть в пределах упругих сил. Поэтому начальный участок кривой намагничивания(участок обратимого смещения доменных границ) практически линеен и обратим (см. рисунок 6.7). В средних полях (участок необратимого смещения доменных границ) доменные границы преодолевают стопорящие центры, и эффект
намагничивания |
максимален. При |
этом |
движение |
границ |
является |
|
скачкообразным, |
что |
соответствует (при |
детальном |
рассмотрении) |
||
|
|
|
|
28 |
|
|
ступенчатому характеру самой кривой намагничивания. Характеристика, |
||||||
кроме этого, становится |
необратимой, |
¾ при |
снятии поля рабочая |
точка |
||
смещается по кривой, лежащей выше кривой намагничивания, и в материале остается некоторая намагниченность (индукция). Установлению равновесной доменной структуры при снятии внешнего поля препятствуют те же дефекты структуры, которые были преодолены при намагничивании. Участку насыщения В(Н) предшествует полная переориентация моментов доменов, фактически однодоменное состояние в пределах каждого кристаллита. Дальнейшее повышение поля приводит к повороту моментов каждого кристаллита от направления оси легкого намагничивания к направлению вектора Н (участок вращения магнитных моментов), и лишь при некотором достаточно сильном поле наступает насыщение. Если материал является
28 Ступенчатый характер процесса намагничивания называют эффектом Баркгаузена, а ступени намагничивания ¾ скачками Баркгаузена.
190
анизотропным по магнитным свойствам(монокристалл, или текстурированный поликристалл), то кривая В(Н) при намагничивании вдоль ОЛН (кривая 1) относительно резко выходит на насыщение, при намагничивании вдоль ОТН на кривой намагничивания(кривая 2) возникает явно выраженный пологий участок вращения магнитных моментов, и лишь при некотором достаточно сильном поле наступает насыщение. Очевидно, что кривая намагничивания для изотропного(поликристаллического, со случайным расположением кристаллографических осей) материала того же состава имеет промежуточную форму (кривая 3).
В соответствие с физическими законами, энергия, затрачиваемая на намагничивание единицы объема при изменении индукции от В1 до В2, равна
B2 |
|
w1®2 = ò HdB . |
(6.24) |
B1 |
|
В данной формуле напряженность поля рассматривается как функция индукции, поэтому этот интеграл соответствует"площади" криволинейной трапеции, ограниченной графиком В(Н) и вертикальной осью"В" (рисунок 6.7). Отсюда следует, что для полного намагничивания единицы объема материала вдоль ОТН, кроме энергии затрачиваемой на изменение доменной структуры, требуется затратить энергию на поворот вектора намагниченности и ее значение соответствует "площади" фигуры, заключенной между кривыми
1 и 2. Эту энергию принято называтьэнергией магнитной кристаллографической анизотропии.
Нет необходимости анализировать состояние доменной структуры, соответствующей каждому из участков кривой намагничива. Онияо эквивалентно состоянию доменной структуры сегнетоэлектриков для тех же участков кривой поляризации, подробно рассмотренной в пункте 5.1.2.
Необратимость характеристик свойственна многим нелинейным системам, в которых возникают силы сопротивления, приводящие к большим потерям энергии (в данном случае силы сопротивления движению доменных границ). При циклическом намагничивании зависимости В(Н) (или I(H)) обра-
зуют петлю гистерезиса (рисунок 6.8). |
|
|
|
Петлю B(H) (или I(H)), полученную |
при |
условии |
достижения |
насыщения, называют предельной. На рисунке 6.8 эта петля выделена более жирной линией. В справочниках обычно приводят параметры именно предельных петель гистерезиса. Основными параметрами предельной петли гистерезиса являются индукция насыщения Bs (или намагниченность насыщения Is), остаточная индукция Вr (или остаточная намагниченность
Ir), коэрцитивная сила Нc и "площадь" петли, характеризующая удельную энергию потерь на гистерезис за один цикл перемагничивания (см. подраздел
6.4).
191
При изображении петли гистерезиса в координатахI(Н) коэрцитивная сила (по намагниченности) IНс отличается от коэрцитивной силыНс характеристики В(Н) (по магнитной индукции). Для большинства применяе-
мых в технике магнитных материалов разница между этими величинами незначительна, однако для некоторых материалов(магнитотвердых с большими значениями коэрцитивной силы) Нс и IНс могут отличаться очень сильно.
Кроме множества симметричных петель, вершины которых совпадают по положению основной кривой намагничивания, во многих случаях рассматривают так называемые частичные петли гистерезиса, вершины которых не лежат на основной кривой. Их можно получить при одновременном
воздействии |
переменного |
и |
постоянного(подмагничивающего) полей. |
||
Примеры частичных петель показаны на рисунке 6.8 (заштрихованы). |
|||||
Большое |
значение |
для |
материалов, применяемых |
в |
постоянных |
магнитах, имеет размагничивающий участок предельной петли гистерезиса
— ее часть, расположенная во втором квадранте(между направлениями координатных осей +В и -Н).
В |
|
1 |
|
|
|
|
Is |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
3 |
|
|
|
Ir |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-Hc |
|
|
|
H |
|
H |
|
||
В1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-Ir |
|
|
|
|
|
0 |
Н1 Н2 |
|
Н |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
-Is |
|
|
|
|
||||||
1- анизотропный |
ферромагнетик |
при |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ориентации поля по ОЛН; 2- анизотропный |
Рисунок |
6.8 - |
Гистерезис |
при |
||||||||||
ферромагнетик |
при |
ориентации поля по |
|
|
|
|
ферромагнетика |
в |
||||||
ОТН; 3- изотропный ферромагнетик |
перемагничивании |
|||||||||||||
переменном |
магнитном |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
различной |
|
|
|
амплитуды. |
Режим |
с |
||
Рисунок |
6.7 - |
Кривые намагничивания подмагничиванием |
в |
|
постоянно |
|||||||||
ферромагнетика. |
|
|
|
поле обозначен штриховкой. |
|
|||||||||
Магнитная проницаемость. Для нелинейных магнетиков понятие "магнитная проницаемость" теряет смысл коэффициента пропорциональности между В и Н. При формальном определении относительной магнитной проницаемости через выражениеm=В/m0Н, следует считать ее функцией напряженности. Отклик системы (В) на внешнее воздействие(Н) с учетом
192
нелинейности |
и |
необратимости |
характеристикиВ(Н) |
можно |
описать |
|||
несколькими |
|
параметрами, |
также |
называемыми |
|
магнитными |
||
проницаемостями. |
Наиболее часто |
используют понятия |
начальнойmН, |
|||||
максимальной mМ, |
дифференциальной mД, реверсивной mР |
и импульснойmИ |
||||||
магнитной проницаемости. |
|
|
|
|
|
|
||
Располагая кривыми намагничивания, магнитную проницаемость можно интерпретировать геометрически. Так, для текущей рабочей точки a (рисунок
6.9) нормальная (эффективная) магнитная проницаемость пропорциональна
тангенсу угла наклона прямой, опущенной из начала координат |
в точкуa |
(прямая 1) и определяется как |
|
m=(1/m0)×B /H (в точке а). |
(6.25) |
Начальная и максимальная проницаемости представляют собой частные случаи нормальной проницаемости:
mН =(1/m0)×(B /H) (при Н®0) |
m М=(1/m0)×(B/H)МАКС |
(6.26) |
то есть наклон касательной на начальном участке кривойВ(Н) характеризует начальную проницаемость (прямая 2), а наклон прямой, проведенной из начала координат в точку верхнего перегиба , кривойсоответствует максимальной проницаемости (прямая 3).
Зависимость m(Н) может быть построена на основе кривойВ(Н). Эта зависимость качественно показана на рисунке 6.10.
В |
4 3 |
b |
5 |
m |
|
||||
|
1 |
|
|
mМ |
Ва |
a 2 |
|
|
mН |
0 На |
Н¾ |
Н |
0 |
Н |
Рисунок 6.9 - К объяснению различных Рисунок 6.10 - Зависимость магнитпонятий магнитной проницаемости ной проницаемости от
напряженности магнитного поля