Magnetizacija i magnetski materijali

Prisutnost tvari s magnetskim svojstvima očituje se u promjeni parametara magnetskog polja u usporedbi s poljem u nemagnetskom prostoru. Fizički procesi koji se odvijaju u mikroskopskom prikazu povezani su s pojavom u materijalu pod utjecajem magnetskog polja magnetskih momenata mikrostruja, čija se volumenska gustoća naziva vektorom magnetizacije.

Pojava magnetizacije u tvari kada je stavite unutra magnetsko polje se objašnjava procesom postupnog preferencijalnog usmjeravanja magnetskih momenata koji u njemu kolaju mikrostruje u smjeru polja. Ogroman doprinos stvaranju mikrostruja u tvari je kretanje elektrona: rotacija i orbitalno kretanje elektrona povezanih s atomima, spin i slobodno kretanje elektrona vodljivosti.

Svi se materijali prema svojim magnetskim svojstvima dijele na paramagnete, dijamagnete, feromagnete, antiferomagnete i ferite... Pripadnost materijala jednoj ili drugoj klasi određena je prirodom reakcije magnetskih momenata elektrona na magnetsku polje u uvjetima jakih međusobnih interakcija elektrona u višeelektronskim atomima i kristalnim strukturama.

Dijamagneti i paramagneti su slabo magnetski materijali. Mnogo jači učinak magnetiziranja uočen je u feromagnetima.

Magnetska osjetljivost (omjer apsolutnih vrijednosti vektora magnetizacije i jakosti polja) za takve je materijale pozitivna i može doseći nekoliko desetaka tisuća. U feromagnetima nastaju područja spontane jednosmjerne magnetizacije — domene.

Feromagnetizam uočeno u kristalima prijelaznih metala: željeza, kobalta, nikla i niza legura.

Kada se primijeni vanjsko magnetsko polje sve veće jakosti, vektori spontane magnetizacije, u početku orijentirani u različitim područjima na različite načine, postupno se usmjeravaju u istom smjeru. Taj se proces naziva tehnička magnetizacija... Karakterizira ga početna krivulja magnetizacije—ovisnost indukcije ili magnetizacije o rezultujuća jakost magnetskog polja u materijalu.

S relativno malom jakošću polja (odjeljak I) dolazi do brzog povećanja magnetizacije, uglavnom zbog povećanja veličine domena s orijentacijom magnetizacije u pozitivnoj hemisferi smjerova vektora jakosti polja. Istovremeno se proporcionalno smanjuju veličine domena u negativnoj hemisferi.U manjoj mjeri se mijenjaju dimenzije ovih područja, čija je magnetizacija usmjerena bliže ravnini ortogonalnoj na vektor intenziteta.

Daljnjim povećanjem intenziteta prevladavaju procesi rotacije vektora magnetizacije domene duž polja (presjek II) do tehničkog zasićenja (točka S). Naknadno povećanje rezultirajuće magnetizacije i postizanje iste orijentacije svih područja u polju ometa toplinsko gibanje elektrona. Regija III po prirodi je slična paramagnetskim procesima, gdje je povećanje magnetizacije posljedica orijentacije nekoliko spinskih magnetskih momenata dezorijentiranih toplinskim gibanjem. S povećanjem temperature, dezorijentirajuće toplinsko gibanje se povećava, a magnetizacija tvari opada.

Za određeni feromagnetski materijal postoji određena temperatura pri kojoj nestaju feromagnetska uređenost strukture domene i magnetizacija. Materijal postaje paramagnetičan. Ta se temperatura naziva Curiejeva točka. Za željezo Curiejeva točka odgovara 790 ° C, za nikal - 340 ° C, za kobalt - 1150 ° C.

Smanjenje temperature ispod Curiejeve točke ponovno vraća magnetska svojstva materijala: strukturu domene s nultom mrežnom magnetizacijom ako nema vanjskog magnetskog polja. Stoga se za njihovu potpunu demagnetizaciju koriste proizvodi za zagrijavanje od feromagnetskih materijala iznad Curiejeve točke.

Početna krivulja magnetiziranja

Procesi magnetiziranja feromagnetskih materijala dijele se na reverzibilne i nepovratne u vezi s promjenom magnetskog polja.Ako se nakon uklanjanja smetnji vanjskog polja magnetiziranje materijala vrati u prvobitno stanje, tada je taj proces reverzibilan, au protivnom je ireverzibilan.

Reverzibilne promjene opažaju se u malom početnom segmentu krivulje magnetizacije presjeka I (Rayleighova zona) pri malim pomacima stijenki domene i u regijama II, III kada vektori magnetizacije u regijama rotiraju. Glavni dio I. poglavlja bavi se ireverzibilnim procesom preokreta magnetizacije, koji uglavnom određuje svojstva histereze feromagnetskih materijala (kašnjenje promjena magnetizacije od promjena magnetskog polja).

Histerezna petlja naziva se krivulja koja odražava promjenu magnetizacije feromagneta pod utjecajem ciklički promjenjivog vanjskog magnetskog polja.

Pri ispitivanju magnetskih materijala konstruiraju se petlje histereze za funkcije parametara magnetskog polja B (H) ili M (H), koji imaju značenje dobivenih parametara unutar materijala u projekciji na fiksni smjer. Ako je materijal prethodno bio potpuno demagnetiziran, tada postupno povećanje jakosti magnetskog polja od nule do Hs daje mnogo točaka s početne krivulje magnetizacije (odjeljak 0-1).

Točka 1 — točka tehničkog zasićenja (Bs, Hs). Naknadno smanjenje sile H unutar materijala na nulu (odjeljak 1-2) omogućuje određivanje granične (maksimalne) vrijednosti preostale magnetizacije Br i daljnje smanjenje jakosti negativnog polja kako bi se postigla potpuna demagnetizacija B = 0 (odjeljak 2-3) u točki H = -HcV - najveća koercitivna sila pri magnetiziranju.

Nadalje, materijal je magnetiziran u negativnom smjeru do zasićenja (odjeljak 3-4) pri H = — Hs. Promjena jakosti polja u pozitivnom smjeru zatvara ograničavajuću petlju histereze duž krivulje 4-5-6-1.

Mnoga materijalna stanja unutar graničnog ciklusa histereze mogu se postići promjenom jakosti magnetskog polja koja odgovara parcijalnim simetričnim i asimetričnim ciklusima histereze.

Magnetska histereza: 1 — početna krivulja magnetiziranja; 2 — granični ciklus histereze; 3 — krivulja glavne magnetizacije; 4 — simetrični parcijalni ciklusi; 5 — asimetrične djelomične petlje

Djelomično simetrični ciklusi histereze oslanjaju se svojim vrhovima na glavnu krivulju magnetizacije, koja je definirana kao skup vrhova ovih ciklusa dok se ne poklope s graničnim ciklusom.

Djelomične asimetrične histerezne petlje nastaju ako početna točka nije na glavnoj krivulji magnetiziranja sa simetričnom promjenom jakosti polja, kao i s asimetričnom promjenom jakosti polja u pozitivnom ili negativnom smjeru.

Ovisno o vrijednostima koercitivne sile, feromagnetske materijale dijelimo na magnetski meke i magnetski tvrde.

Meki magnetski materijali koriste se u magnetskim sustavima kao magnetske jezgre... Ovi materijali imaju nisku koercitivnu silu, visoku magnetska permeabilnost i indukcija zasićenja.

Tvrdi magnetski materijali imaju veliku koercitivnu silu i u predmagnetiziranom stanju se koriste kao stalni magneti — primarni izvori magnetskog polja.

Postoje materijali u koje po svojim magnetskim svojstvima spadaju antiferomagneti... Za njih se energetski povoljnijim pokazuje antiparalelni raspored spinova susjednih atoma. Stvoreni su antiferomagneti koji zbog asimetrije kristalne rešetke imaju značajan intrinzični magnetski moment... Takvi materijali se nazivaju ferimagneti (feriti)... Za razliku od metalnih feromagnetskih materijala, feriti su poluvodiči i imaju znatno manje gubitke energije za vrtložne struje u izmjeničnim magnetskim poljima.

Krivulje magnetiziranja raznih feromagnetskih materijala