10. Магнитные материалы.

В

Рис.10.1. Схема расположения магнитных диполей в материале при отсутствии внешнего магнитного поля (1) и при его наличии (2).

любом веществе постоянно перемещаются различные заряженные частицы: электроны, протоны, ионы и др. Первопричиной магнитных свойств вещества являются элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими токами являются электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах. Это создает в материале множество магнитных моментов, имеющих самое разнообразное направление (рис.9.1). При этом суммарный магнитный момент М, являющийся векторной суммой элементарных магнитных моментов, равен нулю. Любое вещество, будучи помещенным в магнитное поле, приобретает некоторый магнитный момент за счет преимущественной ориентации элементарных моментов в направлении поля. Таким образом, материал намагничивается и в нем возникает внутреннее магнитное поле. Способность материала намагничиваться определяется величиной намагниченностиJ_m=M/V[А/м], где Ммагнитный момент единицы объемаV. Намагниченность, как и магнитный момент, является векторной величиной. В изотропных материалах направления векторов намагниченности (J_m) и напряженности внешнего магнитного поля (Н) либо совпадают (как это показано на рис.10.1), либо противоположны. Они связаны между собой прямой пропорциональностью J_m=k_mH, гдеk_m- безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью. Еслиk_m 0, то направлениеJ_m иHсовпадают, еслиk_m 0-противоположны.

Возникающее (индуцированное) в материале внутреннее магнитное поле количественно характеризуется величиной магнитной индукции (В_m), которая в сумме с внешней (В_о) дает общую магнитную индукцию (В):

В= В_о+ В_m=_oH+ _o J_m=_o (H+ J_m)= _oH (1+ k_m)= _o  H [Тл],

где =1+k_m– относительная магнитная проницаемость,_o= 410^-7[Гн/м] – магнитная постоянная

Классификация веществ по магнитным свойствам. По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий и т. д.) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещество в сверхпроводящем состоянии. Диамагнетики имеют низкие и отрицательные значения магнитной восприимчивости (k_m -10^-5), т.е. они очень слабо намагничиваются и при этом их магнитный момент направлен против намагничивающего поля. Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля. У большинства диамагнетиковk_mне зависит от Н и температуры.

Ряд материалов имеют отрицательные и большие значения k_m.Таким свойством обладают сверхпроводники. Эти материалы очень сильно выталкиваются из неоднородного магнитного поля. Они представляют большой интерес, так как с их помощью можно создавать так называемые магнитные подушки, удерживающие массивные объекты в подвешенном состоянии.

К парамагнетикам относят вещества с невысокой положительной магнитной восприимчивостью (k_m=10^-5-10^-4) , не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. В парамагнетиках атомы обладают элементарным магнитным моментом даже в отсутствие внешнего поля, однако из-за теплового движения эти магнитные моменты распределены хаотично так, что намагниченность вещества в целом равна нулю. Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении. Тепловая энергия противодействует созданию магнитной упорядоченности. Поэтому парамагнитная восприимчивость сильно зависит от температуры по закону Кюри:k_m=С/Т, где С - постоянная Кюри, Т - абсолютная температура. К числу парамагнетиков относятся кислород, окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. Парамагнитный эффект по физической природе во многом аналогичен диполь-релаксационной поляризации диэлектриков.

К ферромагнетикам относят вещества с очень большой (до сотен тысяч) положительной магнитной восприимчивостью, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Так, у железа k_m=1000, у никеляk_m=240, у кобальтаk_m=150. При этомk_m=С/(Т-Т_к), где С - постоянная Кюри, Т - абсолютная температура, Т_к-температура Кюри (температура, при которой ферромагнетик превращается в парамагнетик. Т_к^Fe=770⁰C, Т_к^Co=1130⁰C, Т_к^Ni=356⁰C). Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании отдельных областей с параллельно ориентированными моментами атомов - магнитных доменов. Экспериментально показано, что особые свойства ферромагнетиков обусловлены их доменным строением. Домены представляют собой макроскопические области, намагниченные практически до насыщения даже в отсутствие внешнего поля. Спонтанная намагниченность доменов обусловлена параллельной ориентацией магнитных моментов атомов. Как правило,отличным от нуля магнитным моментом обладают те атомы и ионы , которые в своих электронных оболочках имеют нескомпенсированные спины. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях.

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков характерна небольшая положительная магнитная восприимчивость, которая сильно зависит от температуры. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Температура такого перехода, при которой исчезает магнитная упорядоченность, получила название точки Нееля. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Ce , Nd, Sm, Tm и др.). Типичными антиферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонов и т. п. Всего известно около тысячи соединений со свойствами антиферромагнетиков.

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Наряду с этим ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов. Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом, различные оксидные соединения, среди которых наибольший интерес представляют ферриты - МеОFe₂O₃.

Диа- ,пара- , и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют собой сильномагнитные материалы и их называют магнетиками.

К

Рис.10.2 Зависимость В и  от напряженности магнитного поля Н.

ривая намагничивания.Зависимость магнитной индукции макрообъема ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля В(Н) называют кривой намагничивания. Для получения кривых намагничивания в качестве исходного принимают размагниченное состояние образца, при котором в отсутствие внешнего поля индукция равна нулю, поскольку магнитные моменты доменов статистически равновероятно распределяются по всем возможным направлениям . На практике размагничивание ферромагнетика чаще всего осуществляют путем воздействия на него переменным магнитным полем , амплитуду напряженности которого постепенно уменьшают до нуля.

Т

Рис.10.3. Схема ориентации спинов в доменах при намагничивании ферромагнетика

1-поля нет, 2-слабое поле, 3-сильное поле, 4-насыщение.

ипичная кривая намагничивания ферромагнетика приведена на рисунке 10.2. Возрастание В под действием внешнего поля обусловлено двумя основными процессами: смещением доменных границ и поворотом магнитных моментов доменов. Начальному участку кривой (область 1) соответствует обратимое (упругое) смещение доменных границ (после снятия слабого поля доменные границы возвращаются в исходное положение). В области более сильных полей смещение доменных границ носит необратимый, скачкообразный, характер. На этом участке (область 2) кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну. По мере дальнейшего увеличения поля начинает преобладать механизм вращения магнитных моментов в направлении поля (область 3). Когда все магнитные моменты ориентируются вдоль поля наступает техническое насыщение (область 4). Основные стадии намагничивания схематично показаны на рис. 10.3.

Из кривой намагничивания легко построить зависимость магнитной проницаемости от напряженности поля. Магнитную проницаемость, определяемую по формуле  =В/(_o H)называют статической магнитной проницаемостью. Она пропорциональна тангенсу угла наклона секущей, проведенной из начала координат через соответствующую точку на кривой намагничивания. Значениепри Н, стремящейся к нулю, называют начальной магнитной проницаемостью (_н). Максимальное значение магнитной проницаемости обозначается_max.

М

Рис.10.4. Петля гистерезиса

агнитный гистерезис. Если ферромагнетик намагнитить до насыщенияB_s, а затем отключить внешнее поле , то индукция в нуль не обратится, а примет некоторое значениеB_r, называемое остаточной индукцией . Чтобы убрать остаточную индукцию , необходимо приложить магнитное поле противоположного направления . Напряженность размагничивающего поля-Н_с, при которой индукция превращается в нуль, называется коэрцитивной силой. Дальнейшее увеличение напряженности поля вызывает перемагничивание ферромагнетика вплоть до обратного насыщения. Таким образом, изменение магнитного состояния ферромагнетика при его циклическом перемагничивании характеризуется явлением гистерезиса, т.е. отставанием индукции от напряженности поля (рис.10.4). Магнитный гистерезис обусловлен необратимыми процессами намагничивания. Для различных амплитудных значений напряженности внешнего поля можно получить семейство петель гистерезиса. Петлю гистерезиса, полученную при индукции насыщения, называют предельной. При дальнейшем возрастании поля площадь гистерезисной петли остается неизменной.

Гистерезис магнитный, электрический, механический - это общее явление материалов, характеризующихся многоуровневой структурой, при которой свойства определяются не только межатомными связями, но и связями между надатомными и надмолекулярными образованиями. В случае ферромагнетиков надатомным образованием является магнитный домен.

Площадь, очерчиваемая гистерезисной кривой, определяет потери энергии за один цикл перемагничивания . Потери на гистерезис обусловлены необратимыми процессами перемагничивания.

Поведение ферромагнетиков при нагревании. При нагревании ферромагнетика ослабляется роль обменного взаимодействия, что приводит к постепенной тепловой дезориентации спиновых магнитных моментов и уменьшению спонтанной намагниченности. Выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры , т. е. спонтанная намагниченность исчезает и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние . Температуру такого фазового перехода называют магнитной точкой Кюри. Вблизи точки Кюри наблюдается ряд особенностей и в изменении немагнитных свойств ферромагнетиков (удельного сопротивления, удельной теплоемкости, температурного коэффициента линейного расширения и др.)

Магнитострикция. Изменение магнитного состояния ферромагнитного образца сопровождается изменением его линейных размеров и формы; это явление называют магнитострикцией. Различают линейную и спонтанную магнитострикцию. Спонтанная магнитострикция возникает при переходе вещества из парамагнитного в ферромагнитное состояние в процессе охлаждения до температуры ниже точки Кюри.

Линейная (индуцированная) магнитострикция связана с искажениями кристаллической решетки под действием внешнего поля. Ее оценивают значением относительной деформации образца в направлении магнитного поля: =l/l. Численное значениезависит от типа структуры, кристаллографического направления, Н и Т. При этом линейная магнитострикция может быть как положительной, так и отрицательной, т.е. размеры образца в направлении поля при намагничивании могут, как увеличиваться, так и уменьшаться. Магнитострикцию, возникающую при магнитном насыщении, называют константой магнитострикции_s.

Строение ферримагнетиков. Ферримагнетики получили свое название от ферритов, под которыми понимают химические соединения окисла железа с окислами других металлов. В настоящее время широкое применение нашли ферриты со структурой природного минерала шпинели. Химический состав ферритов-шпинелей соответствует формуле:MeFe₂O₄, где подMeпонимают какой-либо двухвалентный атом металла. В зависимости от состава возможны следующие строения ферритов (стрелками условно показано направление магнитных моментов катионов):

Нормальная шпинель	Обращенная шпинель	Амфотерная шпинель
 (Me^2+)[Fe^3+ Fe^3+]O4	  (Fe^3+)[ Me^2+Fe^3+]O4	  (Me^2+1-x Fe^3+x)[ Me^2+xFe^3+2-x]O4
Ферриты такой структуры немагнитны, например, ферриты цинка и кадмия:(ZnFe2O4), (CdFe2O4)	Магнитные свойства высокие. Это ферриты никеля, кобальта, меди и др.: (NiFe2O4), (CoFe2O4), (Cu Fe2O4)	Магнитные свойства высокие. Параметр x характеризует степень обращенности шпинели. Такую структуру имеет большинство ферритов.

Ферриты получают в виде керамики и монокристаллов. При изготовлении ферритовой керамики в качестве исходного сырья наиболее часто используют окислы соответствующих металлов. Эти окислы подвергают тщательному измельчению и перемешиванию в шаровых или вибрационных мельницах тонкого помола, а затем после гранулирования массы осуществляют предварительный обжиг с целью ферритизации продукта, т.е. образования феррита из окислов. Его вновь измельчают и полученный таким образом ферритовый порошок идет на формовку изделий. Предварительно его пластифицируют парафином или водным раствором поливинилового спирта (ПВС). Формование изделий наиболее часто проводят методом прессования в стальных формах. Отформованные изделия подвергают спеканию при температуре 1100-1400^оС в контролируемой газовой среде. При этом формируется определенная зернистая структура, существенно влияющая на магнитные свойства керамики.

Достоинством ферритов является их дешевизна, наличие широкой и доступной сырьевой базы, устойчивость к радиации, высокая эффективность работы на высоких и сверхвысоких частотах. Из недостатков, кроме хрупкости, следует указать на низкую термостабильность, низкую Т_ки невысокую воспроизводимость свойств при изготовлении. Кроме того, некоторые ферриты быстро стареют (т.е.может изменяться до 5% в год). Для уменьшения отрицательных последствий старения ферриты подвергают искусственному старению, т.е. несколько раз нагревают до температуры, близкой к температуре Кюри, и медленно охлаждают.

Применяемые в промышленности магнитные материалы подразделяются на 2 основные группы: магнитомягкие и магнитотвердые. К магнитомягким относят материалы с малой коэрцитивной силой (Н_с800А/м) и высокой. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничиваниеW. Их используют в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных устройств и др. К магнитотвердым относят материалы с большой Н_с(Н_с4 кА/м),BrиW. Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат в основном для изготовления постоянных магнитов.

Магнитомягкие материалы.

В качестве магнитомягких материалов широко используются магнитомягкие ферриты. Это никелевые, кадмиевые, медные и другие ферриты.

Магнитно-мягкие стали (электротехнические) применяют для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока. Эти стали должны обладать высокой магнитной проницаемостью, низкой коэрцитивной силой, а детали магнитопроводов, работающие в переменных магнитных полях - малыми потерями при перемагничивании и потерями на вихревые токи. Для этих сталей применяют низкоуглеродистые железокремнистые сплавы (0,05-0,005% С; 0,8-4,8% Si). Si образует с -Fe твердый раствор. Эту сталь изготовляют в виде рулонов, листов, резанной ленты и маркируют цифрами по ГОСТ 21427-75 (1212, 1514, 2011, 2412, 3411, 3416).

В последние годы все большее число приборов и устройств работает с использованием магнитного реологического эффекта. Суть его в следующем. Суспензия мелких ферромагнитных частиц (10-20мкм) представляет собой вязкую жидкость, и вязкость ее зависит от концентрации частиц. При действии сдвиговых напряжений эта жидкость свободно течет и ее можно перекачивать по трубам и плоско-щелевым каналам. Но если включить внешнее магнитное поле, то вязкость суспензии резко возрастает, из-за активного взаимодействия частиц с полем и друг с другом (суспензия перестает течь). Это упрочнение суспензии обратимо: при отключении поля она опять способна течь.

В промышленности используют не только суспензии, но и просто порошки. Порошок ферромагнетика легко пересыпается под нагрузкой, а в магнитном поле он твердеет, приобретая значительную прочность. При отключении поля это - опять рыхлый порошок.

Магнитореологические эффекты используются в муфтах сцепления, запорных устройствах, переключателях направления потоков, гидравлических системах, в датчиках скорости и т.д.

Частицы ферромагнетика для магнитных жидкостей делают из магнитомягких материалов с возможно низким Н_си высоким. Одним из лучших материалов для этой цели является карбонильное железо. Распылением расплава карбонильного железа в аргоне или озоне получают высокодисперсные порошки (1-100 мкм) со сферической формой частиц. Жидкой фазой служат различные диэлектрики, органические жидкости или вода.

Магнитотвердые материалы

Эти материалы применяют при изготовлении постоянных магнитов и носителей магнитной записи. Поэтому основными требованиями к ним являются следующие: они должны обладать максимально высокими значениями Н_си В_r. На рисунке 10.5 показана область гистерезисной петли, которая характеризует состояние постоянного магнита. Внешнее магнитное поле отсутствует и намагниченный материал (постоянный магнит) представляет собой разомкнутую магнитную цепь. Магнитные полюса создают размагничивающее поле. В результате этого В_rопределяет лишь потенциальные возможности магнита, а действительной характеристикой индуктивности является В_а - кажущаяся остаточная индукция. Магнитная энергия постоянного магнита:W_a=В_а Н_а[кДж/м³].

В

Рис.10.5. Область гистерезисной кривой.

ажными эксплуатационными характеристиками постоянных магнитов также являются: высокие механические свойства, стабильность свойств от температуры и времени, простая технология. Коэрцитивная сила ферромагнетика возрастает, если затрудняется смещение доменных границ. Поэтому развитию в материале магнитотвердости способствуют следующие факторы: увеличение числа дислокаций и других кристаллографических несовершенств, образование внутренних напряжений, появление примесей, образование мелкозернистой структуры и др.

В качестве магнитотвердых материалов используют некоторые ферриты (например, BaO6Fe₂O₃-ферроксдюр), литые сплавы системFe-Ni-AlиFe-Ni-Co-Al, модифицированные различными добавками, сплавы на основе редкоземельных элементов (например,RСo₅, гдеR–редкоземельный элемент) и др.

Магнитотвердые стали применяют для изготовления постоянных магнитов. К этим сталям относятся следующие высокоуглеродистые (1%С) легированные стали: ЕХ3, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2 (ГОСТ 6862-71). Эти стали обрабатываются давлением и резанием, но обладают малой магнитной энергией. Высокой магнитной энергией обладают широко применяющиеся в технике сплавы типа алнико (ЮНДК15, ЮН14ДК25А, ЮНДК31Т3БА, ЮНДК40Т8АА). Буква “А” или “БА” означают, что сплавы имеют столбчатую структуру, а “АА” - монокристаллическую. Сплавы тверды, хрупки, и не поддаются деформации. Магниты из них изготовляют литьем с последующим шлифованием.

Магнитные материалы с ППГ. Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ.) находят широкое применение в устройствах автоматики, вычислительной техники, в аппаратуре телеграфной связи. Они имеют два устойчивых магнитных состояния, соответствующих различным направлениям В_r, Благодаря этому материалы с ППГ можно использовать для элементов хранения и переработки двоичной информации. Основной характеристикой таких элементов является коэффициент прямоугольности: К=Br/Bs. Его значение для используемых в технике материалов лежит в пределах К=0,85-0,99. В качестве магнитных материалов с ППГ используют ферриты (например, магний-марганцевые или литиевые ферриты), металлические сплавы (например, пермаллои) и др.