Magnetisering og magnetiske materialer

Tilstedeværelsen av et stoff med magnetiske egenskaper manifesteres i en endring i parametrene til magnetfeltet sammenlignet med feltet i ikke-magnetisk rom. De forekommende fysiske prosessene i den mikroskopiske representasjonen er assosiert med utseendet i materialet under påvirkning av et magnetisk felt av magnetiske øyeblikk av mikrostrømmer, hvis volumtetthet kalles magnetiseringsvektoren.

Utseendet til magnetisering i stoffet når du plasserer det inne magnetfelt er forklart av prosessen med gradvis preferanseorientering magnetiske momenter som sirkulerer i den mikrostrømmer i retning av feltet. Et stort bidrag til dannelsen av mikrostrømmer i stoffet er bevegelsen av elektroner: rotasjon og orbital bevegelse av elektroner assosiert med atomer, spinn og fri bevegelse av ledningselektroner.

I henhold til deres magnetiske egenskaper er alle materialer delt inn i paramagneter, diamagneter, ferromagneter, antiferromagneter og ferritter... Tilhørigheten av et materiale til en eller annen klasse bestemmes av arten av reaksjonen til de magnetiske momentene til elektroner til en magnetisk felt under forhold med sterk interaksjon av elektroner med hverandre i multielektronatomer og krystallstrukturer.

Diamagneter og paramagneter er svakt magnetiske materialer. En mye sterkere magnetiseringseffekt observeres i ferromagneter.

Magnetisk følsomhet (forholdet mellom de absolutte verdiene til magnetiserings- og feltstyrkevektorene) for slike materialer er positiv og kan nå flere titusenvis. I ferromagneter dannes områder med spontan ensrettet magnetisering - domener -.

Ferromagnetisme observert i krystaller av overgangsmetaller: jern, kobolt, nikkel og en rekke legeringer.

Når et eksternt magnetfelt med økende styrke påføres, justeres de spontane magnetiseringsvektorene, som opprinnelig er orientert i forskjellige områder på forskjellige måter, gradvis i samme retning. Denne prosessen kalles teknisk magnetisering... Den er preget av en innledende magnetiseringskurve – avhengigheten av induksjonen eller magnetiseringen av den resulterende magnetiske feltstyrken i materialet.

Med en relativt liten feltstyrke (seksjon I) er det en rask økning i magnetisering, hovedsakelig på grunn av en økning i størrelsen på domenene med magnetiseringsorienteringen i den positive halvkule av retningene til feltstyrkevektorene. Samtidig reduseres størrelsene på domenene i den negative halvkulen proporsjonalt.I mindre grad endres dimensjonene til disse områdene, hvis magnetisering er orientert nærmere planet ortogonalt til intensitetsvektoren.

Med en ytterligere økning i intensitet, dominerer prosessene med rotasjon av domenemagnetiseringsvektorene langs feltet (seksjon II) inntil teknisk metning er nådd (punkt S). Den påfølgende økningen av den resulterende magnetiseringen og oppnåelsen av samme orientering av alle områder i feltet hindres av den termiske bevegelsen til elektronene. Region III ligner av natur paramagnetiske prosesser, hvor økningen i magnetisering skyldes orienteringen av de få magnetiske spinnmomentene som er desorientert av termisk bevegelse. Med økende temperatur øker den desorienterende termiske bevegelsen og magnetiseringen av stoffet avtar.

For et gitt ferromagnetisk materiale er det en viss temperatur hvor den ferromagnetiske rekkefølgen av domenestrukturen og magnetiseringen forsvinner. Materialet blir paramagnetisk. Denne temperaturen kalles Curie-punktet. For jern tilsvarer Curie-punktet 790 ° C, for nikkel - 340 ° C, for kobolt - 1150 ° C.

Å redusere temperaturen under Curie-punktet gjenoppretter de magnetiske egenskapene til materialet igjen: domenestrukturen med null nettverksmagnetisering hvis det ikke er noe eksternt magnetfelt. Derfor brukes varmeprodukter laget av ferromagnetiske materialer over Curie-punktet for å fullstendig avmagnetisere dem.

Innledende magnetiseringskurve

Prosesser for magnetisering av ferromagnetiske materialer delt inn i reversible og irreversible i forbindelse med endringen i magnetfeltet.Hvis magnetiseringen av materialet går tilbake til sin opprinnelige tilstand etter å ha fjernet de eksterne feltforstyrrelsene, er denne prosessen reversibel, ellers er den irreversibel.

Reversible endringer observeres i et lite startsegment av magnetiseringskurven for seksjon I (Rayleigh-sonen) ved små forskyvninger av domeneveggene og i områdene II, III når magnetiseringsvektorene i områdene roterer. Hoveddelen av seksjon I omhandler en irreversibel prosess med magnetiseringsreversering, som hovedsakelig bestemmer hystereseegenskapene til ferromagnetiske materialer (etterslep av endringer i magnetisering fra endringer i magnetfeltet).

Hystereseløkke kalt kurver som reflekterer endringen i magnetiseringen til en ferromagnet under påvirkning av et syklisk skiftende eksternt magnetfelt.

Ved testing av magnetiske materialer konstrueres hystereseløkker for funksjonene til magnetfeltparametrene B (H) eller M (H), som har betydningen av de oppnådde parameterne inne i materialet i en projeksjon i en fast retning. Hvis materialet tidligere var fullstendig avmagnetisert, gir en gradvis økning i magnetfeltstyrken fra null til Hs mange punkter fra den innledende magnetiseringskurven (avsnitt 0-1).

Punkt 1 — teknisk metningspunkt (Bs, Hs). Den påfølgende reduksjonen av kraften H inne i materialet til null (avsnitt 1-2) gjør det mulig å bestemme grenseverdien (maksimum) for restmagnetiseringen Br og ytterligere redusere den negative feltstyrken for å oppnå fullstendig demagnetisering B = 0 ( seksjon 2-3) ved punktet H = -HcV - den maksimale tvangskraften under magnetisering.

Videre magnetiseres materialet i negativ retning til metning (avsnitt 3-4) ved H = — Hs. En endring i feltstyrke i positiv retning lukker den begrensende hysteresesløyfen langs 4-5-6-1-kurven.

Mange materialtilstander innenfor hysteresegrensesyklusen kan oppnås ved å endre magnetfeltstyrken tilsvarende partielle symmetriske og asymmetriske hysteresesykluser.

Magnetisk hysterese: 1 — initial magnetiseringskurve; 2 — hysterese grense syklus; 3 - kurve for hovedmagnetiseringen; 4 - symmetriske delsykluser; 5 — asymmetriske delløkker

Delvis symmetriske hysteresesykluser hviler sine toppunkter på hovedmagnetiseringskurven, som er definert som settet med toppunkter for disse syklusene til de faller sammen med grensesyklusen.

Partielle asymmetriske hystereseløkker dannes dersom utgangspunktet ikke er på hovedmagnetiseringskurven med en symmetrisk endring i feltstyrke, samt med en asymmetrisk endring i feltstyrke i positiv eller negativ retning.

Avhengig av verdiene til tvangskraften, er ferromagnetiske materialer delt inn i magnetisk myke og magnetisk harde.

Myke magnetiske materialer brukes i magnetiske systemer som magnetiske kjerner... Disse materialene har lav tvangskraft, høy magnetisk permeabilitet og metningsinduksjon.

Harde magnetiske materialer har stor tvangskraft og brukes i formagnetisert tilstand som permanente magneter — primære kilder til magnetfelt.

Det er materialer som, i henhold til deres magnetiske egenskaper, antiferromagneter tilhører ... Det antiparallelle arrangementet av spinnene til naboatomer viser seg å være energimessig mer gunstig for dem. Det er laget antiferromagneter som har et betydelig iboende magnetisk moment på grunn av krystallgitterasymmetri... Slike materialer kalles ferrimagneter (ferritter)... I motsetning til metalliske ferromagnetiske materialer er ferritter halvledere og har betydelig lavere energitap for virvelstrømmer i vekslende magnetiske felt.

Magnetiseringskurver av ulike ferromagnetiske materialer