Magnetisering och magnetiska material

Närvaron av ett ämne med magnetiska egenskaper manifesteras i en förändring av parametrarna för det magnetiska fältet jämfört med fältet i det icke-magnetiska rymden. De förekommande fysiska processerna i den mikroskopiska representationen är förknippade med utseendet i materialet under påverkan av ett magnetiskt fält av magnetiska moment av mikroströmmar, vars volymdensitet kallas magnetiseringsvektorn.

Uppkomsten av magnetisering i ämnet när du placerar det inuti magnetiskt fält förklaras av processen med gradvis föredragen orientering magnetiska moment som cirkulerar i den mikroströmmar i fältets riktning. Ett enormt bidrag till skapandet av mikroströmmar i ämnet är rörelsen av elektroner: rotation och orbital rörelse av elektroner associerade med atomer, spinn och fri rörelse av ledningselektroner.

Enligt deras magnetiska egenskaper delas alla material in i paramagneter, diamagneter, ferromagneter, antiferromagneter och ferriter... Tillhörigheten av ett material till en eller annan klass bestäms av typen av reaktion mellan elektronernas magnetiska moment och en magnetisk fält under förhållanden med stark interaktion av elektroner med varandra i multielektronatomer och kristallstrukturer.

Diamagneter och paramagneter är svagt magnetiska material. En mycket starkare magnetiseringseffekt observeras i ferromagneter.

Magnetisk känslighet (förhållandet mellan de absoluta värdena för magnetiserings- och fältstyrkevektorerna) för sådana material är positiv och kan nå flera tiotusentals. I ferromagneter bildas områden med spontan enkelriktad magnetisering - domäner -.

Ferromagnetism observeras i kristaller av övergångsmetaller: järn, kobolt, nickel och ett antal legeringar.

När ett externt magnetfält med ökande styrka appliceras, riktas de spontana magnetiseringsvektorerna, initialt orienterade i olika områden på olika sätt, gradvis i samma riktning. Denna process kallas teknisk magnetisering... Den kännetecknas av en initial magnetiseringskurva – induktionens eller magnetiseringens beroende av den resulterande magnetiska fältstyrkan i materialet.

Med en relativt liten fältstyrka (sektion I) sker en snabb ökning av magnetiseringen, främst på grund av en ökning av storleken på domänerna med magnetiseringsorienteringen i den positiva hemisfären av riktningarna för fältstyrkevektorerna. Samtidigt reduceras storleken på domänerna i den negativa hemisfären proportionellt.I mindre utsträckning ändras dimensionerna för dessa regioner, vars magnetisering är orienterad närmare planet som är ortogonalt mot intensitetsvektorn.

Med en ytterligare ökning av intensiteten dominerar rotationsprocesserna för domänmagnetiseringsvektorerna längs fältet (sektion II) tills teknisk mättnad uppnås (punkt S). Den efterföljande ökningen av den resulterande magnetiseringen och uppnåendet av samma orientering av alla regioner i fältet hindras av elektronernas termiska rörelse. Region III liknar till sin natur paramagnetiska processer, där ökningen av magnetiseringen beror på orienteringen av de få magnetiska spinnmomenten som desorienterats av termisk rörelse. Med ökande temperatur ökar den desorienterande termiska rörelsen och magnetiseringen av ämnet minskar.

För ett givet ferromagnetiskt material finns det en viss temperatur vid vilken den ferromagnetiska ordningen av domänstrukturen och magnetiseringen försvinner. Materialet blir paramagnetiskt. Denna temperatur kallas Curie-punkten. För järn motsvarar Curie-punkten 790 ° C, för nickel - 340 ° C, för kobolt - 1150 ° C.

Att sänka temperaturen under Curie-punkten återställer materialets magnetiska egenskaper igen: domänstrukturen med noll nätverksmagnetisering om det inte finns något externt magnetfält. Därför används värmeprodukter gjorda av ferromagnetiska material ovanför Curie-punkten för att helt avmagnetisera dem.

Initial magnetiseringskurva

Processer för magnetisering av ferromagnetiska material uppdelade i reversibla och irreversibla i samband med förändringen i magnetfältet.Om magnetiseringen av materialet återgår till sitt ursprungliga tillstånd efter att ha tagit bort de yttre fältstörningarna, är denna process reversibel, annars är den irreversibel.

Reversibla förändringar observeras i ett litet initialt segment av magnetiseringskurvan för sektion I (Rayleigh-zonen) vid små förskjutningar av domänväggarna och i regionerna II, III när magnetiseringsvektorerna i regionerna roterar. Huvuddelen av avsnitt I behandlar en irreversibel process för magnetiseringsomkastning, som huvudsakligen bestämmer hysteresegenskaperna hos ferromagnetiska material (fördröjning av förändringar i magnetisering från förändringar i magnetfältet).

Hysteresloop som kallas kurvor som återspeglar förändringen i magnetiseringen av en ferromagnet under påverkan av ett cykliskt föränderligt yttre magnetfält.

Vid testning av magnetiska material konstrueras hysteresloopar för funktionerna av magnetfältsparametrarna B (H) eller M (H), vilka har betydelsen av de erhållna parametrarna inuti materialet i en projektion i en fast riktning. Om materialet tidigare var helt avmagnetiserat, ger en gradvis ökning av magnetfältstyrkan från noll till Hs många punkter från den initiala magnetiseringskurvan (avsnitt 0-1).

Punkt 1 — teknisk mättnadspunkt (Bs, Hs). Den efterföljande minskningen av kraften H inuti materialet till noll (avsnitt 1-2) gör det möjligt att bestämma gränsvärdet (maximal) för restmagnetiseringen Br och ytterligare minska den negativa fältstyrkan för att uppnå fullständig avmagnetisering B = 0 ( avsnitt 2-3) vid punkten H = -HcV - den maximala koercitivkraften under magnetisering.

Vidare magnetiseras materialet i negativ riktning till mättnad (avsnitt 3-4) vid H = — Hs. En förändring av fältstyrkan i positiv riktning stänger den begränsande hysteresloopen längs 4-5-6-1-kurvan.

Många materialtillstånd inom hysteresgränscykeln kan uppnås genom att ändra magnetfältstyrkan motsvarande partiella symmetriska och asymmetriska hysterescykler.

Magnetisk hysteres: 1 — initial magnetiseringskurva; 2 — cykel för hysteresgräns; 3 — kurva för huvudmagnetiseringen; 4 — symmetriska delcykler; 5 — asymmetriska partiella slingor

Partiellt symmetriska hysterescykler vilar sina hörn på huvudmagnetiseringskurvan, som definieras som uppsättningen av hörn för dessa cykler tills de sammanfaller med gränscykeln.

Partiella asymmetriska hysteresloopar bildas om utgångspunkten inte ligger på huvudmagnetiseringskurvan med en symmetrisk förändring av fältstyrkan, samt med en asymmetrisk förändring av fältstyrkan i positiv eller negativ riktning.

Beroende på värdena på koercitivkraften delas ferromagnetiska material in i magnetiskt mjuka och magnetiskt hårda.

Mjuka magnetiska material används i magnetiska system som magnetiska kärnor... Dessa material har låg tvångskraft, hög magnetisk permeabilitet och mättnadsinduktion.

Hårda magnetiska material har en stor koercitivkraft och används i förmagnetiserat tillstånd som permanentmagneter — primära källor till magnetfält.

Det finns material som, enligt sina magnetiska egenskaper, antiferromagneter tillhör... Det antiparallella arrangemanget av snurrarna hos angränsande atomer visar sig vara energetiskt gynnsammare för dem. Det har skapats antiferromagneter som har ett betydande inre magnetiskt moment på grund av kristallgitterasymmetri... Sådana material kallas ferrimagneter (ferriter)... Till skillnad från metalliska ferromagnetiska material är ferriter halvledare och har betydligt lägre energiförluster för virvelströmmar i växlande magnetfält.

Magnetiseringskurvor av olika ferromagnetiska material