Magnetointi ja magneettiset materiaalit

Magneettisia ominaisuuksia omaavan aineen läsnäolo ilmenee magneettikentän parametrien muutoksena verrattuna ei-magneettiseen tilaan. Mikroskooppisessa esityksessä tapahtuvat fysikaaliset prosessit liittyvät mikrovirtojen magneettisten momenttien magneettikentän vaikutukseen materiaaliin, jonka tilavuustiheyttä kutsutaan magnetointivektoriksi.

Magnetoitumisen esiintyminen aineessa, kun asetat sen sisään magneettikenttä selittyy prosessilla, jossa siinä kiertävät magneettiset momentit asteittain etusijalle suuntautuvat mikrovirrat kentän suuntaan. Valtava panos mikrovirtojen syntymiseen aineessa on elektronien liikkeellä: atomeihin liittyvien elektronien pyöriminen ja kiertoradalla, spin ja johtavuuselektronien vapaa liikkuvuus.

Magneettisten ominaisuuksiensa mukaan kaikki materiaalit jaetaan paramagneeteiksi, diamagneeteiksi, ferromagneeteiksi, antiferromagneeteiksi ja ferriitteiksi... Materiaalin kuuluminen johonkin luokkaan määräytyy elektronien magneettisten momenttien reaktion luonteesta magneettiseen. kenttä elektronien voimakkaiden keskinäisten vuorovaikutusten olosuhteissa monielektronisissa atomeissa ja kiderakenteissa.

Diamagneetit ja paramagneetit ovat heikosti magneettisia materiaaleja. Ferromagneeteissa havaitaan paljon voimakkaampi magnetointivaikutus.

Tällaisten materiaalien magneettinen herkkyys (magnetisaatio- ja kentänvoimakkuusvektorien absoluuttisten arvojen suhde) on positiivinen ja voi nousta useisiin kymmeniin tuhansiin. Ferromagneeteissa muodostuu spontaanin yksisuuntaisen magnetisoitumisen alueita – domeeneja.

Ferromagnetismi havaitaan siirtymämetallien kiteissä: rauta, koboltti, nikkeli ja useat seokset.

Kun ulkoista, voimakkaampaa magneettikenttää käytetään, spontaanit magnetointivektorit, jotka on alun perin suunnattu eri alueille eri tavoin, asettuvat vähitellen samaan suuntaan. Tätä prosessia kutsutaan tekniseksi magnetoinniksi… Sille on ominaista alkuperäinen magnetointikäyrä – induktion tai magnetoinnin riippuvuus tuloksena oleva magneettikentän voimakkuus materiaalissa.

Suhteellisen pienellä kentänvoimakkuudella (osa I) magnetoituminen lisääntyy nopeasti, mikä johtuu pääasiassa niiden domeenien koon kasvusta, joiden magnetointi on suuntautunut kentänvoimakkuusvektorien suuntien positiiviseen puolipalloon. Samalla negatiivisen pallonpuoliskon domeenien koot pienenevät suhteellisesti.Vähäisemmässä määrin näiden alueiden mitat muuttuvat, joiden magnetointi on suunnattu lähemmäksi intensiteettivektoriin nähden kohtisuoraa tasoa.

Kun intensiteetti kasvaa edelleen, alueen magnetisaatiovektoreiden pyörimisprosessit kentässä ovat vallitsevia (osio II), kunnes saavutetaan tekninen kyllästyminen (piste S). Tuloksena olevan magnetisaation lisääntyminen ja saman orientaation saavuttaminen kaikilla kentän alueilla on esteenä elektronien lämpöliikkeen vuoksi. Alue III on luonteeltaan samanlainen kuin paramagneettiset prosessit, joissa magnetisoitumisen kasvu johtuu harvojen lämpöliikkeen hajoamien spin-magneettimomenttien orientaatiosta, lämpötilan noustessa disorientoiva lämpöliike lisääntyy ja aineen magnetoituminen vähenee.

Tietylle ferromagneettiselle materiaalille on olemassa tietty lämpötila, jossa domeenirakenteen ferromagneettinen järjestys ja magnetointi katoavat. Materiaali muuttuu paramagneettiseksi. Tätä lämpötilaa kutsutaan Curie-pisteeksi. Raudan Curie-piste vastaa 790 ° C, nikkelin - 340 ° C, koboltin - 1150 ° C.

Lämpötilan laskeminen Curie-pisteen alapuolelle palauttaa taas materiaalin magneettiset ominaisuudet: verkkomagnetisoitumisen verkkoalueen rakenteen, jos ulkoista magneettikenttää ei ole. Siksi Curie-pisteen yläpuolella olevista ferromagneettisista materiaaleista valmistettuja kuumennustuotteita käytetään niiden täydelliseen demagnetointiin.

Alkumagnetointikäyrä

Ferromagneettisten materiaalien magnetointiprosessit jaetaan palautuviin ja irreversiibeliin magneettikentän muutoksen yhteydessä.Jos ulkoisten kenttähäiriöiden poistamisen jälkeen materiaalin magnetoituminen palaa alkuperäiseen tilaan, tämä prosessi on palautuva, muuten se on peruuttamaton.

Palautuvia muutoksia havaitaan osan I magnetointikäyrän pienessä alkusegmentissä (Rayleigh-vyöhyke) alueen seinämien pienillä siirtymillä ja alueilla II, III, kun magnetointivektorit alueilla pyörivät. Osan I pääosa käsittelee irreversiibeliä magnetisaation käänteisprosessia, joka määrittää pääasiassa ferromagneettisten materiaalien hystereesiominaisuudet (magnetisoitumisen muutosten viive magneettikentän muutoksista).

Hystereesisilmukkaa kutsutaan käyriksi, jotka heijastavat ferromagneetin magnetisoitumisen muutosta syklisesti muuttuvan ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta.

Magneettisia materiaaleja testattaessa rakennetaan hystereesisilmukat magneettikentän parametrien B (H) tai M (H) funktioille, joilla on materiaalin sisällä saatujen parametrien merkitys projektiossa kiinteään suuntaan. Jos materiaali oli aiemmin täysin demagnetoitu, niin magneettikentän voimakkuuden asteittainen lisääminen nollasta Hs:iin antaa monia pisteitä alkuperäisestä magnetointikäyrästä (kohta 0-1).

Piste 1 — tekninen kyllästyspiste (Bs, Hs). Myöhempi materiaalin sisällä olevan voiman H pienentäminen nollaan (kohta 1-2) mahdollistaa jäännösmagnetisoinnin Br raja-arvon (maksimi) määrittämisen ja negatiivisen kentänvoimakkuuden pienentämisen edelleen täydellisen demagnetisoinnin saavuttamiseksi B = 0 ( kohta 2-3) pisteessä H = -HcV - suurin pakkovoima magnetoinnin aikana.

Lisäksi materiaali magnetoidaan negatiiviseen suuntaan kyllästymiseen (kohta 3-4) kohdassa H = — Hs. Kenttävoimakkuuden muutos positiiviseen suuntaan sulkee rajoittavan hystereesisilmukan 4-5-6-1 käyrällä.

Monet materiaalitilat hystereesirajasyklin sisällä voidaan saavuttaa muuttamalla magneettikentän voimakkuutta vastaavia osittain symmetrisiä ja asymmetrisiä hystereesijaksoja.

Magneettinen hystereesi: 1 — alkumagnetointikäyrä; 2 — hystereesirajasykli; 3 — päämagnetoinnin käyrä; 4 — symmetriset osasyklit; 5 — epäsymmetriset osittaiset silmukat

Osittain symmetriset hystereesisyklit asettavat kärjensä päämagnetointikäyrälle, joka määritellään näiden syklien kärkijoukoksi, kunnes ne osuvat rajasykliin.

Osittainen epäsymmetrinen hystereesisilmukka muodostuu, jos aloituspiste ei ole päämagnetointikäyrällä symmetrisellä kentänvoimakkuuden muutoksella sekä epäsymmetrisellä kentänvoimakkuuden muutoksella positiiviseen tai negatiiviseen suuntaan.

Pakovoiman arvojen mukaan ferromagneettiset materiaalit jaetaan magneettisesti pehmeisiin ja magneettisesti koviin.

Pehmeitä magneettisia materiaaleja käytetään magneettisissa järjestelmissä magneettiytiminä... Näillä materiaaleilla on pieni pakkovoima, korkea magneettinen permeabiliteetti ja saturaatioinduktio.

Kovilla magneettisilla materiaaleilla on suuri pakkovoima ja niitä käytetään esimagnetoidussa tilassa kestomagneetit — magneettikentän ensisijaiset lähteet.

On materiaaleja, joihin magneettisten ominaisuuksiensa mukaan kuuluvat antiferromagneetit... Vierekkäisten atomien spinien antirinnakkaisjärjestely osoittautuu niille energeettisesti edullisemmaksi. On luotu antiferromagneetteja, joilla on merkittävä sisäinen magneettinen momentti kidehilan epäsymmetrian vuoksi... Tällaisia ​​materiaaleja kutsutaan ferrimagneeteiksi (ferriiteiksi)... Toisin kuin metalliset ferromagneettiset materiaalit, ferriitit ovat puolijohteita ja niillä on huomattavasti pienemmät energiahäviöt. pyörrevirrat vaihtelevissa magneettikentissä.

Erilaisten ferromagneettisten materiaalien magnetointikäyrät