Magnetizace a magnetické materiály

Přítomnost látky s magnetickými vlastnostmi se projevuje změnou parametrů magnetického pole oproti poli v nemagnetickém prostoru. Probíhající fyzikální procesy v mikroskopickém zobrazení jsou spojeny s výskytem v materiálu pod vlivem magnetického pole magnetických momentů mikroproudů, jejichž objemová hustota se nazývá magnetizační vektor.

Vzhled magnetizace v látce, když ji umístíte dovnitř magnetické pole se vysvětluje procesem postupné preferenční orientace magnetických momentů, které v něm cirkulují mikroproudy ve směru pole. Obrovským přínosem pro vznik mikroproudů v látce je pohyb elektronů: rotace a orbitální pohyb elektronů spojený s atomy, spin a volný pohyb vodivostních elektronů.

Podle magnetických vlastností se všechny materiály dělí na paramagnety, diamagnety, feromagnety, antiferomagnety a ferity... Příslušnost materiálu k té či oné třídě je dána povahou reakce magnetických momentů elektronů na magnetické pole. pole za podmínek silných interakcí elektronů mezi sebou v multielektronových atomech a krystalových strukturách.

Diamagnety a paramagnety jsou slabě magnetické materiály. Mnohem silnější magnetizační efekt je pozorován u feromagnetik.

Magnetická susceptibilita (poměr absolutních hodnot vektorů magnetizace a síly pole) pro takové materiály je pozitivní a může dosáhnout několika desítek tisíc. Ve feromagnetech se tvoří oblasti spontánní jednosměrné magnetizace — domény —.

Feromagnetismus pozorované v krystalech přechodných kovů: železa, kobaltu, niklu a řady slitin.

Když je aplikováno vnější magnetické pole se zvyšující se silou, vektory spontánní magnetizace, zpočátku orientované v různých oblastech různými způsoby, se postupně vyrovnávají stejným směrem. Tento proces se nazývá technická magnetizace… Je charakterizován počáteční magnetizační křivkou – závislostí indukce nebo magnetizace na výsledná síla magnetického pole v materiálu.

Při relativně malé intenzitě pole (Sekce I) dochází k rychlému nárůstu magnetizace, především v důsledku zvětšení velikosti domén s orientací magnetizace v kladné hemisféře směrů vektorů intenzity pole. Současně se úměrně zmenšují velikosti domén v negativní hemisféře.V menší míře se mění rozměry těchto oblastí, jejichž magnetizace je orientována blíže k rovině kolmé k vektoru intenzity.

S dalším zvyšováním intenzity převažují procesy rotace vektorů doménové magnetizace podél pole (sekce II) až do dosažení technického nasycení (bod S). Následnému zvýšení výsledné magnetizace a dosažení stejné orientace všech oblastí v poli brání tepelný pohyb elektronů. Oblast III je svou povahou podobná paramagnetickým procesům, kde je nárůst magnetizace způsoben orientací několika spinových magnetických momentů dezorientovaných tepelným pohybem.S rostoucí teplotou se dezorientační tepelný pohyb zvyšuje a magnetizace látky klesá.

Pro daný feromagnetický materiál existuje určitá teplota, při které mizí feromagnetické uspořádání doménové struktury a magnetizace. Materiál se stává paramagnetickým. Tato teplota se nazývá Curieův bod. Pro železo Curieův bod odpovídá 790 ° C, pro nikl - 340 ° C, pro kobalt - 1150 ° C.

Snížení teploty pod Curieův bod obnoví opět magnetické vlastnosti materiálu: doménovou strukturu s nulovou síťovou magnetizací, pokud není vnější magnetické pole. K jejich úplné demagnetizaci se proto používají topné produkty z feromagnetických materiálů nad Curieovým bodem.

Počáteční magnetizační křivka

Procesy magnetizace feromagnetických materiálů rozdělené na vratné a nevratné v souvislosti se změnou magnetického pole.Pokud se po odstranění vnějších poruch pole vrátí magnetizace materiálu do původního stavu, pak je tento proces vratný, v opačném případě nevratný.

Reverzibilní změny jsou pozorovány v malém počátečním segmentu magnetizační křivky sekce I (Rayleighova zóna) při malých posunech doménových stěn a v oblastech II, III, když se magnetizační vektory v oblastech otáčejí. Hlavní část oddílu I se zabývá nevratným procesem převrácení magnetizace, který určuje především hysterezní vlastnosti feromagnetických materiálů (zpoždění změn magnetizace od změn magnetického pole).

Hysterezní smyčka nazývaná křivky odrážející změnu magnetizace feromagnetika pod vlivem cyklicky se měnícího vnějšího magnetického pole.

Při zkoušení magnetických materiálů se konstruují hysterezní smyčky pro funkce parametrů magnetického pole B (H) nebo M (H), které mají význam získaných parametrů uvnitř materiálu v průmětu do pevného směru. Pokud byl materiál předtím zcela demagnetizován, pak postupné zvyšování intenzity magnetického pole z nuly na Hs dává mnoho bodů z počáteční magnetizační křivky (část 0-1).

Bod 1 – bod technické saturace (Bs, Hs). Následné snížení síly H uvnitř materiálu na nulu (oddíl 1-2) umožňuje stanovit mezní (maximální) hodnotu zbytkové magnetizace Br a dále snížit intenzitu záporného pole pro dosažení úplné demagnetizace B = 0 ( oddíl 2-3) v bodě H = -HcV - maximální koercitivní síla při magnetizaci.

Dále je materiál magnetizován v záporném směru k nasycení (část 3-4) při H = — Hs. Změna intenzity pole v kladném směru uzavírá omezující hysterezní smyčku podél křivky 4-5-6-1.

Mnoho stavů materiálu v rámci limitního cyklu hystereze lze dosáhnout změnou intenzity magnetického pole odpovídající částečným symetrickým a asymetrickým hysterezním cyklům.

Magnetická hystereze: 1 — počáteční magnetizační křivka; 2 — cyklus limitní hystereze; 3 — křivka hlavní magnetizace; 4 — symetrické dílčí cykly; 5 — asymetrické částečné smyčky

Částečně symetrické hysterezní cykly spočívají svými vrcholy na hlavní magnetizační křivce, která je definována jako množina vrcholů těchto cyklů, dokud se neshodují s limitním cyklem.

Částečné asymetrické hysterezní smyčky se tvoří, pokud výchozí bod není na hlavní magnetizační křivce se symetrickou změnou intenzity pole, stejně jako s asymetrickou změnou intenzity pole v kladném nebo záporném směru.

Podle hodnot koercitivní síly se feromagnetické materiály dělí na magneticky měkké a magneticky tvrdé.

Měkké magnetické materiály se používají v magnetických systémech jako magnetická jádra... Tyto materiály mají nízkou koercitivní sílu, vysokou magnetická permeabilita a saturační indukce.

Tvrdé magnetické materiály mají velkou koercitivní sílu a v předmagnetizovaném stavu se používají jako permanentní magnety — primární zdroje magnetického pole.

Jsou materiály, ke kterým podle magnetických vlastností antiferomagnetika patří... Antiparalelní uspořádání spinů sousedních atomů se pro ně ukazuje jako energeticky výhodnější. Byly vytvořeny antiferomagnety, které mají významný vlastní magnetický moment v důsledku asymetrie krystalové mřížky... Takové materiály se nazývají ferimagnety (ferity)... Na rozdíl od kovových feromagnetických materiálů jsou ferity polovodiče a mají výrazně nižší energetické ztráty. vířivé proudy ve střídavých magnetických polích.

Magnetizační křivky různých feromagnetických materiálů