Намагнічення і магнітні матеріали

Наявність у речовини магнітних властивостей проявляється в зміні характеристик магнітного поля в порівнянні з полем в немагнітному просторі. Відбуваються фізичні процеси в мікроскопічному поданні пов`язують з появою в матеріалі під впливом
магнітного поля магнітних моментів мікрострумів, об`ємна щільність яких іменується
вектором намагніченості.

Поява намагніченості в речовині при приміщенні його в магнітне поле пояснюється процесом поступової переважної орієнтації
магнітних моментів циркулюючих в ньому мікрострумів в напрямку поля. Переважний внесок у створення мікрострумів в речовині заносить
рух електронів: спіновий і орбітальний рух пов`язаних з атомами електронів, спінові і вільний рух електронів провідності.

За магнітними властивостями всі матеріали поділяються на парамагнетики,
Діамагнетик, ферромагнетики, антиферомагнетики і ферити. Належність матеріалу до того або іншого класу визначається характером відгуку магнітних моментів електронів на
магнітне поле в умовах сильних взаємодій електронів між собою в багатоелектронних атомах і кристалічних структурах.

Діамагнетик і парамагнетики відносяться до матеріалів зі слабкими магнітними властивостями. Істотно сильніший ефект намагнічування спостерігається у феромагнетиків.

Магнітна сприйнятливість (відношення абсолютних значень векторів намагніченості і напруженості поля) у таких матеріалів позитивна і може досягати декількох 10-ов тисяч. У феромагнетиків утворюються області мимовільної спонтанної односпрямованої намагніченості - домени.

Феромагнетизм спостерігається у кристалів перехідних металів: заліза, кобальту, нікелю і у ряду сплавів.

При накладенні зовнішнього магнітного поля зі зростаючою напруженістю вектори спонтанної намагніченості, спочатку спрямовані в різних доменах по-різному, рівномірно розподіляються на одному напрямку. Цей процес називається
технічним намагнічуванням. Він характеризується кривою вихідного намагнічування - залежністю індукції або намагніченості від напруженості результуючого магнітного поля в матеріалі.

При відносно невеликій напруженості поля (ділянка I) відбувається швидке зростання намагніченості в більшій мірі через зростання розмірів доменів, що мають орієнтацію намагніченості в позитивній півсфері напрямків векторів напруженості поля. Відразу пропорційно скорочуються розміри доменів в негативній півсфері. Найменшою мірою змінюються розміри тих доменів, намагніченість яких націлена ближче до площини, ортогональної вектору напруженості.

При подальшому збільшенні напруженості переважають процеси повороту векторів намагніченості доменів по полю (ділянка II) до досягнення технічного насичення (точка S). Наступному зростанню результуючої намагніченості і досягненню схожою орієнтації всіх доменів по полю перешкоджає термічне рух електронів. Область III близька до вподоби процесів до парамагнетикам, де підвищення намагніченості відбувається через орієнтацію небагатьох спінових магнітних моментів, дезорієнтованих термічним рухом. З підвищенням температури дезорієнтуюча термічне рух посилюється і намагніченість речовини зменшується.

Для певного феромагнітного матеріалу існує певна температура, при якій феромагнітна впорядкування доменної структури і намагніченості зникають. Матеріал стає парамагнітним. Ця температура називається точки Кюрі. Для заліза точка Кюрі відповідає 790 ° С для нікелю - 340 ° С, для кобальту - 1150 ° С.

Зниження температури нижче точки Кюрі знову повертає матеріалу магнітні характеристики: доменну структуру з нульовою результуючої намагниченностью, якщо при цьому не було зовнішнє магнітне поле. Тому розігрів виробів з феромагнітних матеріалів вище точки Кюрі вживають для їх повного розмагнічування.

Крива вихідного намагнічування

Процеси намагнічування феромагнітних матеріалів поділяються на оборотні та
незворотні по відношенню до зміни магнітного поля. Якщо після зняття обурення зовнішнього поля намагніченість матеріалу повертається в початковий стан, то такий процес оборотний, в іншому випадку - незворотний.

Оборотні зміни спостерігаються на малому вихідному відрізку ділянки I кривої намагнічування (зона Релея) при малих зсувах доменних стін і на ділянках II, III при повороті векторів намагніченості в доменах. Основна частина ділянки I відноситься до незворотного процесу перемагнічування, який в головному визначає гістерезисна характеристики феромагнітних матеріалів (відставання конфігурацій намагніченості від конфігурацій магнітного поля).

Петлею гистерезиса називають криві, що відображають зміну намагніченості феромагнетика під впливом циклічно змінюється зовнішнього магнітного поля.

При випробуваннях магнітних матеріалів петлі гистерезиса будуються для функцій характеристик магнітного поля В (Н) або М (Н), які мають сенс результуючих характеристик всередині матеріалу в проекції на зафіксоване напрямок.
Якщо матеріал за раніше був стовідсотково розмагнічений, то поступове підвищення напруженості магнітного поля від нуля до Hs дає величезну кількість точок вихідної кривої намагнічування (ділянка 0-1).

Точка 1 - точка технічного насичення (ВS, Hs). Наступне зниження напруженості Н всередині матеріалу до нуля (ділянка 1-2) дозволяє знайти граничне (максимальне) значення залишкової намагніченості Br і майбутнім зменшенням негативної напруженості поля досягти повного розмагнічування B = 0 (ділянка 2-3) у точці Н = -НсВ - найбільшої коерцитивної сили по намагніченості.

Далі матеріал перемагнічується в негативному напрямку до насичення (ділянка 3-4) при Н = - Hs. Зміна напруженості поля в позитивну сторону замикає граничний гістерезисний цикл по кривій 4-5-6-1.

Величезна кількість станів матеріалу всередині граничного гістерезисного циклу може бути досягнуте при зміні
напруженості магнітного поля, відповідному особистим симетричним і несиметричним гістерезисних циклам.

Магнітний гістерезис: 1 - крива вихідного намагнічіванія- 2 - граничний гістерезисний цикл- 3 - крива основного намагнічіванія- 4 - симетричні особисті цікли- 5 - несиметричні особисті цикли

Особисті симетричні гістерезисна цикли спираються верхівками на криву основного намагнічування, яка і визначається як величезна кількість точок вершин цих циклів до збігу з граничним циклом.

Особисті несиметричні гістерезисна цикли утворюються, якщо вихідна точка не перебуває на кривій основного намагнічування при симетричному зміні напруженості поля, також при несиметричному зміні напруженості поля в позитивному або негативному напрямі.

Залежно від значень коерцитивної сили феромагнітні матеріали ділять на
магнитомягкие і магнітотверді.

Магнитомягкие матеріали вживаються в магнітних системах як магнітопроводи. Ці матеріали мають малу коерцитивної силу, вищу магнітну проникність і індукцію насичення.

Магнітотверді матеріали мають величезну коерцитивної силу і в попередньо намагніченому стані вживаються як
незмінні магніти - первинні джерела магнітного поля.

Є матеріали, які за магнітними властивостями відносяться до антиферомагнетики. У їх виявляється енергетично більш прибутковим антипаралельними розміщення спинив примикають атомів. Зроблені антиферомагнетики, які володіють значним своїм магнітним моментом через
асиметрії кристалічної решітки. Такі матеріали називаються феримагнетика (ферритами). На відміну від залізних феромагнітних матеріалів, ферити - напівпровідники і в їх суттєво менші втрати енергії на вихрові струми в змінних магнітних полях.