Лабораторная работа № 10.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КЮРИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: ознакомление с методикой измерения магнитной проницаемости высокочастотных магнитномягких материалов – ферритов; исследование температурной зависимости начальной магнитной проницаемости μ (Т); расчет температурного коэффициента магнитной проницаемости αμ ; определение магнитной точки Кюри θ ферритов.

1. Методологические указания по подготовке к работе

Между двумя характеристиками магнитного поля – индукцией В и напряженностью Н – существует пропорциональная зависимость

В = μа·Н ; μа = В/Н ; (1)

где μа – абсолютная магнитная проницаемость; μа – коэффициент проницаемости, зависящий от среды и от системы единиц.

Размерность абсолютной магнитной проницаемости

[μа] = 1 Тл/А /м = 1 (Тл· м )/А = 1(Тл· м² )/(А· м) = 1 Вб/(А· м) = 1 Гн/м (2)

Абсолютную магнитную проницаемость можно предоставить в виде произведения двух множителей

μа = μо·μ , (3)

где μ – относительная магнитная проницаемость, или магнитная проницаемость, зависящая только от среды, в которой распространяется магнитное поле; μo – магнитная постоянная; величина, зависящая только от выбора единиц.

Подставив (3) в (1), получим

В = μо·μ· Н или μ = В/(μо·Н) . (4)

Относительная магнитная проницаемость μ показывает, во сколько раз магнитная индукция В поля в данной среде больше, чем магнитная индукция Вв в вакууме

μ = В/Вв . (5)

Из этой формулы следует, что относительная магнитная проницаемость μ есть величина безразмерная, а μо = μа/μ имеет ту же размерность, что и абсолютная магнитная проницаемость [μо] = 1Гн/м.

Магнитная постоянная μо относится к числу фундаментальных физических констант и имеет значение μо = 4π·10 Гн/м.

В зависимости от величины магнитной проницаемости μ и характера её изменения от напряженности магнитного поля, и температуры различают следующие виды материалов:

- диамагнетики, вещества с относительной магнитной проницаемостью μ<1, для диамагнетиков μ практически не зависит от Н и Т. Диамагнетиками являются, например инертные газы Cu, Au, Ag, Zn;

- парамагнетики, вещества с μ > 1, для парамагнетиков характерно, что их относительная магнитная проницаемость μ также практически не зависит от Н и Т. Примером парамагнетиков являются соли железа, щелочные металлы, Аl, Pt, а также все магнитные материалы при температурах выше точки Кюри;

- ферро- и ферримагнетики, для них μ >>1; это вещества, атомы которых имеют собственный магнитный момент mат>0 и магнитные моменты атомов расположены упорядоченно в пределах некоторых микрообъемов, называемых доменами. Упорядоченность расположения магнитных моментов в доменах создается значительными внутримолекулярными полями. Энергия этих полей оценивается одним из методов квантовой механики, предполагающим «обмен» электронами между соседними атомами, поэтому эта энергия получила название энергии обменного взаимодействия Wоб.вз :

Wоб.вз = - АS1 · S2 cosφ , (6)

где А – интеграл энергии обменного взаимодействия, величина , имеющая размерность энергии; S1 и S2 – спиновые магнитные моменты соседних атомов; φ – угол между магнитными моментами S1 и S2 .

Легко показать, что для устойчивого состояния системы (Wоб.вз → min) при положительном значении интеграла обменной энергии спиновые магнитные моменты атомов-соседей должны быть параллельны, т.е. cosφ →1, а следовательно φ → 0. Такие вещества называют ферромагнетиками . Однако система также будет устойчива, если интеграл обменной энергии отрицателен. а магнитные моменты атомов расположены антипараллельно, т. е. cosφ →-1, а φ →180°. Такие вещества называются антиферромагнетиками. Различают скомпенсированные ( ↑↓↑↓↑↓↑↓ ) и нескомпенсированные (↑↓↑↓↑↓↑↓ ) антиферромагнетики - ферримагнетики. Скомпенсированные антиферромагнетики при внешнем магнитном поле Н = 0 имеют суммарный магнитный момент единицы объема равный нулю и не являются магнитными материалами. Нескомпенсированные ферромагнетики имеют суммарный магнитный момент больше нуля, но ниже чем у ферромагнетиков.

Итак, к магнитным материалам относят ферро- и ферримагнетики. Для магнитных материалов характерно большое положительное значение магнитной проницаемости μ ; сильная и нелинейная зависимость μ от напряженности внешнего магнитного поля Н и температуры; точка Кюри θ – температура, выше которой упорядоченность расположения магнитных моментов атомов нарушается тепловой энергией, материал теряет свои магнитные свойства.

На рис.1 и 2 представлены типовые зависимости μ(Н) и μ(Т) для магнитных материалов.

Зависимость μ(Н) изучается и поясняется в лабораторной работе №9, ход кривой μ(Т) рассмотрим ниже, вспомнив аналитическую зависимость μ = В/(μо·Н) и графические зависимости Bs(Т) и Hс(Т) для магнитных материалов (рис. 3,4).

В области низких температур энергия обменного взаимодействия Wоб.вз удерживает магнитные моменты атомов упорядоченно, и действие тепловой энергии Wт = 3/2k Т (k – константа Больцмана) сказывается незначительно. С увеличением Т параллельная или антипараллельная ориентация спиновых магнитных моментов нарушается, намагниченность Ys и индукция Bs падают, при приближении Т = θ энергия хаотического теплового движения достигает величины обменной энергии, самопроизвольная намагниченность исчезает, индукция становится равной нулю.

Зависимость коэрцитивной силы Нс от температуры изображена на рис.4.

Влияние Т на Нс материала связано с изменением констант магнитострикции λs и магнитной анизотропии Ка при нагреве этого материала, так как обе эти константы входят в аналитическое выражение для оценки величины Нс :

Нс ≈ ( ²/3 λs· ∆і + Ка ) / ( μо· Ys ) · p . (7)

Для большинства магнитных материалов с повышением Т магнитострикция насыщения и константа анизотропии равномерно уменьшаются и в точке Кюри становятся равными нулю. Кроме того, при нагревании снижается уровень внутренних напряжений ∆і в материале.

Поэтому Нс с повышением температуры падает, а магнитная проницаемость μ = В/(μо·Н) растет в той области Т , где упорядоченность магнитных моментов атомов сохраняется полностью или частично, и очень резко падает вследствие дезориентирующего влияния в области Т близких к θ.

Температура среды, окружающей магнитную деталь узла или прибора, может возрастать. Кроме того, к повышению температуры магнитной детали приводят потери на гистерезис и особенно потери на вихревые токи. Поэтому важно бывает знать, как меняются магнитные свойства материалов с изменением температуры для определения, например предельной температуры его применения или для правильного выбора температурного режима при термомагнитной обработке.

В качестве примера ферромагнитных материалов приведем железо Fe, никель Ni, кобальт Co, их соединения и сплавы; при относительно низких температурах ферромагниты некоторые редкоземельные элементы (гадолиний Gd, тербий Tb, диспозий Dy, гольмий Ho, эрбий Eb, тулий Tm ) .

К ферримагнетикам относят в первую очередь ферриты, получившие большое и все увеличивающееся применение в технике.

Под ферритами понимают соединения оксида трехвалентного железа Fe2O3 с оксидами других металлов - MeO·Fe2O3 , где Me²⁺ - двух валентный металл (железо, никель, марганец, цинк, кобальт, кадмий, магний и др.). Ферриты были изучены ещё в XIX веке, патент на их изготовление был получен в начале XX века, однако в то время они не получили практического применения, так как, в постоянных и низкочастотных полях их магнитные свойства ниже свойств металлических магнитных материалов, а высокочастотная техника, где преимущества ферритов неоспоримы, была развита слабо. Преимущественное употребление ферритов в высокочастотном диапазоне объясняется тем, что их удельное электрическое сопротивление как оксидов в миллиарды раз превышает сопротивление металлических магнитных материалов. Это очень заметно снижает возникновение в ферритах вихревых токов при воздействии на них переменных магнитных полей, что позволяет применять ферриты в качестве магнитного материала в диапазоне частот до сотен мегагерц (металлические магнитные материалы применяют в диапазоне частот до нескольких десятков килогерц).

В настоящее время используют сотни различных марок ферритов, отличающихся по химическому составу, кристаллической структуре, магнитным и другим свойствам. Наиболее широко применяют 5 групп ферритов: магнитномягкие и магнитнотвердые ферриты для устройств СВЧ, ферриты с большой константой магнитострикции.

В этой работе исследуются магнитные свойства никельцинкового феррита 1000HH, относящегося к группе магнитомягких высокопроницаемых ферритов. Никельцинковые ферриты представляют собой твердый раствор оксидов Ni²⁺ и Zn²⁺ в Fe2O3. Химический состав феррита 1000HH и его основные магнитные свойства приведены в табл.1.

Таблица 1

Хим.состав, % вес

μнач

μmax

θ

p

Нс

Вr

αμ

Fe2O3

ZnO

NiO

—

—

ºC

Ом·см

А·мˉ¹

Тл

Градˉ¹

60

23,3

10,7

800 - 1200

2000-3000

100

2·10³

24

0.12

5000·10ˉ6