Magnetisering og magnetiske materialer
Tilstedeværelsen af et stof med magnetiske egenskaber manifesteres i en ændring i magnetfeltets parametre sammenlignet med feltet i ikke-magnetisk rum. De forekommende fysiske processer i den mikroskopiske repræsentation er forbundet med udseendet i materialet under påvirkning af et magnetfelt af magnetiske momenter af mikrostrømme, hvis volumentæthed kaldes magnetiseringsvektoren.
Forekomsten af magnetisering i stoffet, når du placerer det indeni magnetfelt forklares af processen med gradvis præferenceorientering magnetiske momenter, der cirkulerer i det mikrostrømme i retning af feltet. Et stort bidrag til skabelsen af mikrostrømme i stoffet er bevægelsen af elektroner: rotation og orbital bevægelse af elektroner forbundet med atomer, spin og fri bevægelse af ledningselektroner.
I henhold til deres magnetiske egenskaber opdeles alle materialer i paramagneter, diamagneter, ferromagneter, antiferromagneter og ferritter... Et materiales tilhørsforhold til en eller anden klasse bestemmes af arten af reaktionen mellem elektronernes magnetiske momenter til en magnetisk felt under forhold med stærk interaktion af elektroner med hinanden i multielektronatomer og krystalstrukturer.
Diamagneter og paramagneter er svagt magnetiske materialer. En meget stærkere magnetiseringseffekt observeres i ferromagneter.
Magnetisk modtagelighed (forholdet mellem de absolutte værdier af magnetiserings- og feltstyrkevektorerne) for sådanne materialer er positiv og kan nå flere titusinder. I ferromagneter dannes områder med spontan ensrettet magnetisering - domæner -.
Ferromagnetisme observeret i krystaller af overgangsmetaller: jern, kobolt, nikkel og en række legeringer.
Når et eksternt magnetfelt med stigende styrke påføres, justeres de spontane magnetiseringsvektorer, som oprindeligt er orienteret i forskellige områder på forskellige måder, gradvist i samme retning. Denne proces kaldes teknisk magnetisering... Den er karakteriseret ved en indledende magnetiseringskurve - afhængigheden af induktionen eller magnetiseringen af den resulterende magnetiske feltstyrke i materialet.
Med en relativt lille feltstyrke (afsnit I) er der en hurtig stigning i magnetisering, hovedsageligt på grund af en stigning i størrelsen af domænerne med magnetiseringsorienteringen i den positive halvkugle af retningerne af feltstyrkevektorerne. Samtidig reduceres størrelserne af domænerne i den negative halvkugle proportionalt.I mindre grad ændres dimensionerne af disse områder, hvis magnetisering er orienteret tættere på planet vinkelret på intensitetsvektoren.
Med en yderligere stigning i intensiteten dominerer rotationsprocesserne af domænemagnetiseringsvektorerne langs feltet (afsnit II), indtil teknisk mætning er nået (punkt S). Den efterfølgende stigning af den resulterende magnetisering og opnåelsen af den samme orientering af alle områder i feltet hindres af elektronernes termiske bevægelse. Region III ligner i sin natur paramagnetiske processer, hvor stigningen i magnetisering skyldes orienteringen af de få magnetiske spin-momenter, der er desorienteret af termisk bevægelse. Med stigende temperatur øges den desorienterende termiske bevægelse, og magnetiseringen af stoffet falder.
For et givet ferromagnetisk materiale er der en vis temperatur, ved hvilken den ferromagnetiske rækkefølge af domænestrukturen og magnetiseringen forsvinder. Materialet bliver paramagnetisk. Denne temperatur kaldes Curie-punktet. For jern svarer Curie-punktet til 790 ° C, for nikkel - 340 ° C, for kobolt - 1150 ° C.
Sænkning af temperaturen under Curie-punktet genopretter materialets magnetiske egenskaber igen: domænestrukturen med nul netværksmagnetisering, hvis der ikke er et eksternt magnetfelt. Derfor bruges varmeprodukter lavet af ferromagnetiske materialer over Curie-punktet til fuldstændig at afmagnetisere dem.
Indledende magnetiseringskurve
Processer med magnetisering af ferromagnetiske materialer opdelt i reversible og irreversible i forbindelse med ændringen i det magnetiske felt.Hvis magnetiseringen af materialet efter fjernelse af de eksterne feltforstyrrelser vender tilbage til sin oprindelige tilstand, så er denne proces reversibel, ellers er den irreversibel.
Reversible ændringer observeres i et lille indledende segment af sektion I-magnetiseringskurven (Rayleigh-zonen) ved små forskydninger af domænevæggene og i regionerne II, III, når magnetiseringsvektorerne i regionerne roterer. Hoveddelen af afsnit I omhandler en irreversibel proces med magnetiseringsreversering, som hovedsageligt bestemmer ferromagnetiske materialers hystereseegenskaber (forsinkelse af ændringer i magnetisering fra ændringer i magnetfeltet).
Hysterese loop kaldet kurver, der afspejler ændringen i magnetiseringen af en ferromagnet under påvirkning af et cyklisk skiftende eksternt magnetfelt.
Ved test af magnetiske materialer konstrueres hysteresesløjfer til funktionerne af magnetfeltparametrene B (H) eller M (H), som har betydningen af de opnåede parametre inde i materialet i en projektion i en fast retning. Hvis materialet tidligere var fuldstændig afmagnetiseret, så giver en gradvis stigning i magnetfeltstyrken fra nul til Hs mange point fra den indledende magnetiseringskurve (afsnit 0-1).
Punkt 1 — teknisk mætningspunkt (Bs, Hs). Den efterfølgende reduktion af kraften H inde i materialet til nul (afsnit 1-2) gør det muligt at bestemme grænseværdien (maksimum) for restmagnetiseringen Br og yderligere reducere den negative feltstyrke for at opnå fuldstændig afmagnetisering B = 0 (afsnit 2-3) ved punktet H = -HcV - den maksimale tvangskraft under magnetisering.
Endvidere magnetiseres materialet i negativ retning til mætning (afsnit 3-4) ved H = — Hs. En ændring i feltstyrken i positiv retning lukker den begrænsende hysterese-løkke langs 4-5-6-1-kurven.
Mange materialetilstande inden for hysteresegrænsecyklussen kan opnås ved at ændre magnetfeltstyrken svarende til partielle symmetriske og asymmetriske hysteresecyklusser.
Magnetisk hysterese: 1 — indledende magnetiseringskurve; 2 — hysteresegrænsecyklus; 3 — kurve for hovedmagnetiseringen; 4 — symmetriske delcyklusser; 5 — asymmetriske delvise sløjfer
Delvis symmetriske hysterese-cyklusser hviler deres hjørner på hovedmagnetiseringskurven, som er defineret som sættet af hjørner af disse cyklusser, indtil de falder sammen med grænsecyklussen.
Der dannes partielle asymmetriske hysterese-løkker, hvis udgangspunktet ikke er på hovedmagnetiseringskurven med en symmetrisk ændring i feltstyrken, samt med en asymmetrisk ændring i feltstyrken i positiv eller negativ retning.
Afhængigt af værdierne af tvangskraften er ferromagnetiske materialer opdelt i magnetisk bløde og magnetisk hårde.
Bløde magnetiske materialer bruges i magnetiske systemer som magnetiske kerner... Disse materialer har lav tvangskraft, høj magnetisk permeabilitet og mætningsinduktion.
Hårde magnetiske materialer har en stor tvangskraft og anvendes i formagnetiseret tilstand som permanente magneter — primære kilder til magnetfelt.
Der er materialer, som antiferromagneter ifølge deres magnetiske egenskaber tilhører... Det antiparallelle arrangement af spins af naboatomer viser sig at være energetisk mere gunstigt for dem. Der er skabt antiferromagneter, som har et betydeligt iboende magnetisk moment på grund af krystalgitters asymmetri... Sådanne materialer kaldes ferrimagneter (ferritter)... I modsætning til metalliske ferromagnetiske materialer er ferritter halvledere og har væsentligt lavere energitab for hvirvelstrømme i vekslende magnetfelter.
Magnetiseringskurver af forskellige ferromagnetiske materialer