моментов и вещество теряет магнитные свойства. Точка Кюри для некоторых ферримагнетиков может совпадать с точкой Нееля, а может быть и несколько выше.
При температурах выше точки Кюри для ферромагнетиков и выше точки Нееля для антиферромагнетиков и ферримагнетиков нарушается соответствующий атомный магнитный порядок и они переходят в парамагнитное состояние.
5.2. ПРОЦЕСС НАМАГНИЧИВАНИЯ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
С технической точки зрения в качестве магнитных материалов наибольший интерес представляют ферро-, антиферро- и ферримагнетики. Несмотря на различия в строении и магнитных свойствах при их помещении во внешнее магнитное поле, процессы ориентации магнитных моментов характеризуются одними и теми же закономерностями, т.е. процессы их намагничивания аналогичны. Поэтому нет необходимости рассматривать их раздельно, за исключением особых случаев.
Особенностью всех магнитных материалов, или просто магнетиков, является их доменная структура. Домен - это макроскопическая область с магнитным моментом определенного направления, или же область спонтанного намагничивания до насыщения. Размеры доменов от 10-2 до 10-6 мм3, что составляет ~ 0,1 мм по ширине в двух направлениях и ~ 1...10 мм по длине. Домены отделены друг от друга переходными слоями, называемыми стенками, размер которых 10-3...10-6 мм. В этих переходных слоях ориентация магнитных моментов постепенно меняется от одного направления к другому, соответствующему соседнему домену.
В принципе домен может рассматриваться как магнитный диполь, а доменная структура - как набор диполей, разделенных переходными стенками.
Схематично доменная структура и магнитный порядок магнетиков могут быть представлены в виде рис.5.1.
Рис.5.1. Доменная структура магнетиков: а – ферромагнетики; б – антиферромагнетики; в – ферримагнетики.
75
При отсутствии внешнего магнитного поля отдельные домены со своим собственным направлением магнитного момента расположены хаотически, их моменты взаимно компенсируются и результирующее внутреннее магнитное поле равно нулю. При помещении магнетика во внешнее магнитное поле происходит его намагничивание, что выражается в изменении доменной структуры. По современным представлениям изменение доменной структуры во внешнем магнитном поле может происходить либо за счет вращения магнитных диполей, либо за счет смещения стенок доменов. В реальных магнетиках эти оба процесса часто происходят одновременно.
Процесс намагничивания характеризуется зависимостью магнитной индукции В от напряженности внешнего поля Н (рис.5.2).
При слабых внешних полях (участок I) намагничивание начинается за счет ориентации магнитных моментов доменов, имеющих минимальный угол с направлением внешнего поля. Затем происходит смещение
Рис.5.2. Кривая намагничивания магнетика
границ доменов, у которых направления моментов близки к направлению внешнего поля. При этом их объем увеличивается за счет уменьшения объемов доменов, достаточно сильно отличающихся по направлению магнитного момента от направления поля. Принято считать, что участок I характеризуется смещением доменных границ, а процесс намагничивания - обратимым, т.е. при снятии внешнего поля доменная структура возвращается в исходное состояние.
На участке II происходит вращение магнитных моментов доменов, в результате которого все диполи ориентируются по направлению внешнего поля. На такой поворот диполей тратится вполне определенная энергия, которая пропорциональна углу поворота, изменяющемуся в пределах от 90 до 180°. После снятия магнитного поля домены будут стремиться вернуться в исходное состояние, что и происходит, если отклонение диполей от исходного состояния было небольшим. При достаточно больших отклонениях домены могут не вернуться в исходное состояние. Это новое состояние будет характеризовать остаточную намагниченность вещества.
На участке III процесс намагничивания происходит за счет дополнительной ориентации спиновых моментов отдельных электронов вдоль поля. Для этого участка иногда употребляют понятие перемагничивания с направления легкого намагничивания в направление трудного намагничивания, что соответствует режиму насыщения магнетика, когда все магнитные моменты и доменов, и отдельных атомов
76
сориентированы по полю.
Магнитная индукция В связана с напряженностью внешнего поля Н соотношением В = μ μ0 H , где μ0 - магнитная проницаемость вакуума,
равная 4π·10-7 Гн/м, μ - относительная магнитная проницаемость вещества или просто магнитная проницаемость, характеризующая способность вещества намагничиваться.
Численное значение магнитной проницаемости можно определить по кривой намагничивания. Различают начальную магнитную проницаемость μнач и максимальную μmax которые определяются соотношениями
μнач = tgαнач = lim |
|
|
B |
|
, |
(5.1) |
||
μ0 |
|
H |
||||||
|
H →0 |
|
|
|||||
μmax = |
Bmax |
|
|
|
|
|
(5.2) |
|
μ0 Hmax |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||||
Магнитная проницаемость зависит от напряженности внешнего поля и от температуры.
Из рис.5.3 следует, что с увеличением напряженности внешнего поля увеличивается степень ориентирования магнитных диполей, поэтому растет магнитная проницаемость. Если все магнитные моменты доменов сориентированы по направлению поля, магнитная проницаемость достигает максимального значения, соответствующего состоянию насыщения, когда магнитная индукция максимальна. При дальнейшем увеличении Н магнитная индукция уже не растет, следовательно, магнитная
проницаемость уменьшается, поскольку
μ = |
В |
|
(5.3) |
|
μ0 |
Н |
|
Рис.5.3. Зависимость магнитной проницаемости от напряженности внешнего поля.
При изменении температуры происходит изменение магнитного состояния вещества. Рост температуры усиливает тепловые колебания атомов, которые стремятся разрушить состояние самопроизвольной намагниченности магнетика. Температура, при которой происходит потеря магнитных свойств, называется точкой Кюри. Для железа, кобальта и никеля она равна 769, 1131, 363 °С соответственно.
Как следует из рис.5.4, с ростом температуры магнитная проницаемость увеличивается за счет облегчения ориентации магнитных диполей при температурах ниже точки Кюри. В области температуры Кюри тепловое движение разрушает магнитный порядок, поэтому магнитная проницаемость резко падает и становится равной нулю в точке Кюри Тк.
77
Рис.5.4. Зависимость магнитной |
Рис.5.5. Кривая перемагни- |
индукции от температуры. |
чивания в переменном |
|
магнитном поле. |
Особенностью протекания процесса |
намагничивания магнетиков в |
переменном магнитном поле является его отставание от изменения напряженности внешнего поля. Это явление называется гистерезисом. Поэтому в переменном магнитном поле зависимость магнитной индукции от напряженности внешнего поля представляет собой петлю гистерезиса
(рис.5.5).
При малых значениях напряженности магнитного поля процесс перемагничивания происходит по кривым 1, 2, 3, называемым динамическими петлями гистерезиса. Когда Н соответствует насыщению, перемагничивание происходит по предельной петле гистерезиса 4.
Признаками того, что петля перемагничивания предельная, являются максимальная площадь петли и постоянство индукции В = Вmах с увеличением напряженности внешнего поля Н > Нmах.
Геометрическое место точек вершин динамических петель гистерезиса называется основной кривой намагничивания, которая представляет собой кривую первоначального намагничивания (см. рис.5.2).
По основной кривой намагничивания рассчитываются значения магнитной проницаемости (μнач, μmax, μ).
Предельная петля гистерезиса является очень важной характеристикой магнитного материала, поскольку она имеет ряд характерных точек, позволяющих количественно оценивать свойства магнетика. К ним относятся:
-коэрцитивная сила ±НС - напряженность внешнего поля, которую надо приложить, чтобы индукция внутреннего поля стала равной нулю, т.е. чтобы полностью размагнитить материал;
-остаточная индукция ±Вr - значение индукции внутреннего магнитного поля при напряженности внешнего поля, равной нулю;
-максимальная магнитная индукция ±Вmaх = Вs;
-напряженность магнитного поля при насыщении ±Нmax = Hs.
По площади петли гистерезиса можно судить о магнитных потерях при перемагничивании. Чем больше площадь петли гистерезиса, тем больше
78