Magnetizacija in magnetni materiali

Prisotnost snovi z magnetnimi lastnostmi se kaže v spremembi parametrov magnetnega polja v primerjavi s poljem v nemagnetnem prostoru. Fizični procesi, ki se pojavljajo v mikroskopski predstavitvi, so povezani s pojavom v materialu pod vplivom magnetnega polja magnetnih momentov mikrotokov, katerih prostorninska gostota se imenuje vektor magnetizacije.

Pojav magnetizacije v snovi, ko jo postavite v notranjost magnetno polje je razloženo s postopnim postopnim prednostnim usmerjanjem magnetnih momentov, ki v njem krožijo mikrotokovi v smeri polja. Velik prispevek k ustvarjanju mikrotokov v snovi je gibanje elektronov: rotacija in orbitalno gibanje elektronov, povezanih z atomi, vrtenje in prosto gibanje prevodnih elektronov.

Po svojih magnetnih lastnostih delimo vse materiale na paramagnete, diamagnete, feromagnete, antiferomagnete in ferite... Pripadnost materiala enemu ali drugemu razredu določa narava reakcije magnetnih momentov elektronov na magnetno polje v pogojih močnih interakcij med elektroni med seboj v večelektronskih atomih in kristalnih strukturah.

Diamagneti in paramagneti so šibko magnetni materiali. Veliko močnejši učinek magnetizacije opazimo pri feromagnetih.

Magnetna občutljivost (razmerje absolutnih vrednosti vektorjev magnetizacije in poljske jakosti) za takšne materiale je pozitivna in lahko doseže več deset tisoč. V feromagnetih nastanejo območja spontane enosmerne magnetizacije - domene.

Feromagnetizem opazimo v kristalih prehodnih kovin: železo, kobalt, nikelj in številne zlitine.

Ko se uporabi zunanje magnetno polje z naraščajočo močjo, se vektorji spontane magnetizacije, ki so sprva usmerjeni v različnih področjih na različne načine, postopoma poravnajo v isto smer. Ta proces se imenuje tehnična magnetizacija ... Zanj je značilna začetna krivulja magnetizacije – odvisnost indukcije ali magnetizacije od nastalo jakost magnetnega polja v materialu.

Pri relativno majhni poljski jakosti (oddelek I) pride do hitrega povečanja magnetizacije, predvsem zaradi povečanja velikosti domen z orientacijo magnetizacije v pozitivni polobli smeri vektorjev poljske jakosti. Hkrati se sorazmerno zmanjšajo velikosti domen v negativni polobli.V manjši meri se spremenijo dimenzije teh regij, katerih magnetizacija je usmerjena bližje ravnini, pravokotni na vektor intenzitete.

Z nadaljnjim povečevanjem intenzitete prevladujejo procesi rotacije vektorjev magnetizacije domene vzdolž polja (odsek II), dokler ni dosežena tehnična nasičenost (točka S). Kasnejše povečanje posledične magnetizacije in doseganje enake orientacije vseh regij v polju ovira toplotno gibanje elektronov. Regija III je po naravi podobna paramagnetnim procesom, kjer je povečanje magnetizacije posledica orientacije nekaj spinskih magnetnih momentov, dezorientiranih zaradi toplotnega gibanja. Z naraščajočo temperaturo se dezorientirajoče toplotno gibanje poveča, magnetizacija snovi pa zmanjša.

Za določen feromagnetni material obstaja določena temperatura, pri kateri feromagnetna urejenost domenske strukture in magnetizacija izgineta. Material postane paramagneten. Ta temperatura se imenuje Curiejeva točka. Za železo Curiejeva točka ustreza 790 ° C, za nikelj - 340 ° C, za kobalt - 1150 ° C.

Z znižanjem temperature pod Curiejevo točko se ponovno vzpostavijo magnetne lastnosti materiala: domenska struktura z ničelno mrežno magnetizacijo, če ni zunanjega magnetnega polja. Zato se za njihovo popolno razmagnetenje uporabljajo izdelki za ogrevanje iz feromagnetnih materialov nad Curiejevo točko.

Začetna krivulja magnetizacije

Procesi magnetizacije feromagnetnih materialov so glede na spremembo magnetnega polja razdeljeni na reverzibilne in nepovratne.Če se po odstranitvi motenj zunanjega polja magnetizacija materiala vrne v prvotno stanje, je ta proces reverzibilen, sicer pa je ireverzibilen.

Reverzibilne spremembe opazimo v majhnem začetnem segmentu krivulje magnetizacije odseka I (Rayleighovo območje) pri majhnih premikih domenskih sten in v regijah II, III, ko se vektorji magnetizacije v regijah vrtijo. Glavni del I. razdelka se ukvarja z ireverzibilnim procesom obrata magnetizacije, ki določa predvsem histerezne lastnosti feromagnetnih materialov (zamik sprememb magnetizacije od sprememb magnetnega polja).

Histerezna zanka, imenovana krivulja, ki odraža spremembo magnetizacije feromagneta pod vplivom ciklično spreminjajočega se zunanjega magnetnega polja.

Pri testiranju magnetnih materialov se konstruirajo histerezne zanke za funkcije parametrov magnetnega polja B (H) ali M (H), ki imajo pomen dobljenih parametrov znotraj materiala v projekciji na fiksno smer. Če je bil material predhodno popolnoma razmagneten, potem postopno povečanje jakosti magnetnega polja od nič do Hs daje veliko točk od začetne krivulje magnetizacije (razdelek 0-1).

Točka 1 — točka tehničnega nasičenja (Bs, Hs). Naknadno zmanjšanje sile H znotraj materiala na nič (oddelek 1-2) omogoča določitev mejne (največje) vrednosti preostale magnetizacije Br in nadaljnje zmanjšanje negativne poljske jakosti, da se doseže popolna demagnetizacija B = 0 ( oddelek 2-3) v točki H = -HcV - največja prisilna sila med magnetizacijo.

Poleg tega je material magnetiziran v negativni smeri do nasičenosti (oddelek 3-4) pri H = — Hs. Sprememba jakosti polja v pozitivno smer zapre omejevalno zanko histereze vzdolž krivulje 4-5-6-1.

Številna stanja materiala znotraj histereznega mejnega cikla je mogoče doseči s spreminjanjem jakosti magnetnega polja, ki ustreza delnim simetričnim in asimetričnim histereznim ciklom.

Magnetna histereza: 1 — začetna krivulja magnetizacije; 2 — mejni cikel histereze; 3 - krivulja glavne magnetizacije; 4 - simetrični delni cikli; 5 — asimetrične delne zanke

Delno simetrični histerezni cikli počivajo s svojimi oglišči na glavni krivulji magnetizacije, ki je definirana kot niz oglišč teh ciklov, dokler ne sovpadajo z mejnim ciklom.

Delne asimetrične histerezne zanke nastanejo, če izhodišče ni na glavni krivulji magnetizacije s simetrično spremembo poljske jakosti, pa tudi z asimetrično spremembo poljske jakosti v pozitivni ali negativni smeri.

Glede na vrednosti koercitivne sile feromagnetne materiale delimo na magnetno mehke in magnetno trde.

Mehki magnetni materiali se uporabljajo v magnetnih sistemih kot magnetna jedra ... Ti materiali imajo nizko koercitivno silo, visoko magnetna prepustnost in indukcija nasičenosti.

Trdomagnetni materiali imajo veliko prisilno silo in se v predmagnetiziranem stanju uporabljajo kot trajni magneti — primarni viri magnetnega polja.

Obstajajo materiali, ki jim po svojih magnetnih lastnostih pripadajo antiferomagnetiki... Antiparalelna razporeditev spinov sosednjih atomov se zanje izkaže kot energijsko ugodnejša. Ustvarjeni so bili antiferomagneti, ki imajo pomemben intrinzični magnetni moment zaradi asimetrije kristalne mreže ... Takšni materiali se imenujejo ferimagneti (feriti) ... Za razliko od kovinskih feromagnetnih materialov so feritni polprevodniki in imajo bistveno manjše izgube energije za vrtinčni tokovi v izmeničnih magnetnih poljih.

Magnetizacijske krivulje različnih feromagnetnih materialov