Раздел второй. Материалы с особыми физическими свойствами

Глава 15. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ МАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ

15.1. Общие сведения о ферромагнетиках

Все материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются. Намагничивание связано с наличием у составляющих материал атомов (или ионов, молекул) микроскопических магнитных моментов. Для единичного атома без внешнего магнитного поля магнитный момент суммируется из векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов, принадлежащих данному атому. Магнитным моментом ядра пренебрегают, так как он значительно меньше магнитных моментов электронов.

Макроскопической характеристикой намагничивания материалов служит величина намагниченности М, равная суммарному магнитному моменту атомов единицы объема.

Установлена связь намагниченности М с напряженностью Н внешнего магнитного поля:

где - безразмерный коэффициент пропорциональности называют магнитной восприимчивостью материала.

В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все материалы подразделяют на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики - материалы, которые намагничиваются противоположно приложенному полю и ослабляют его, т. е. имеют (от до Отрицательная магнитная восприимчивость связана с действием магнитного поля на орбитальный магнитный момент электрона. Согласно правилу Ленца, в атоме возникает добавочный магнитный момент, направленный против поля (диамагнитный эффект).

Диамагнетизм присущ всем веществам, но выражен слабо. Он проявляется только тогда, когда спиновые моменты всех электронов в атоме взаимно скомпенсированы или диамагнитный эффект преобладает над нескомпенсированным спиновым моментом. К диамагнетикам относятся инертные газы, непереходные металлы ( и др.), полупроводники диэлектрики (полимеры, стекла и др.), сверхпроводники.

Парамагнетики-материалы, которые имеют (от до ) и слабо намагничиваются внешним полем. Намагниченность обусловлена наличием нескомпенсированных спиновых моментов электронов, которые разориентированы в пространстве из-за теплового движения атомов (рис. 15.1). Под воздействием внешнего поля магнитные моменты атома получают преимущественную ориентировку (парамагнитный эффект), и у кристалла появляется некоторая намагниченность. К парамагнетикам относятся металлы, атомы которых имеют нечетное число валентных электронов ( и др.), переходные металлы ( и др.) с недостроенными электронными оболочками атомов.

Ферромагнетики характеризуются большим значением магнитной восприимчивости

Рис. 15.1. Схема ориентации магнитных моментов атомов различных материалов

Рис. 15.2. Обменная энергия ферромагнитных металлов: I — антиферромагнетики; II — ферромагнетики; III — парамагнетики

, а также ее нелинейной зависимостью от напряженности поля и температуры. Железо, никель, кобальт и редкоземельный металл гадолиний имеют чрезвычайно большое значение . Их способность сильно намагничиваться широко используется в технике.

Ферромагнетизм - результат обменного взаимодействия электронов недостроенных оболочек соседних атомов, перекрывающихся при образовании кристаллов. При этом электрон атома может временно находиться вблизи ядра соседнего атома. Такое взаимодействие приводит к изменению энергетического состояния, и его оценивают обменной энергией. При положительном значении этой энергии более выгодным у атомов кристалла становится параллельная ориентация спиновых магнитных моментов; при отрицательном - антипараллельная (рис. 15.2). Величина и знак обменной энергии зависят от параметра кристаллической решетки (а), отнесенной к диаметру незаполненной электронной подоболочки Согласно квантовой теории все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов.

Домен - это область кристалла размером (рис. 15.3), где магнитные моменты атомов ориентированы параллельно определенному кристаллографическому направлению.

Рис. 15.3. Энергетически выгодная четырехдоменная структура с замкнутым магнитным полем

Рис. 15.4. Изменение ориентации магнитных моментов атомов в доменной границе

При отсутствии внешнего магнитного поля каждый домен спонтанно (самопроизвольно) намагничен до насыщения, но магнитные моменты отдельных доменов направлены различно и полный нитный момент ферромагнетика равен нулю. Между доменами имеются переходные слои (доменные стенки) шириной внутри которых спиновые магнитные моменты постепенно поворачиваются (рис. 15.4).

В антиферромагнетиках магнитные моменты атомов ориентируются антипараллельно, и результирующий момент равен нулю (см. рис. 15.1). Если же эти магнитные моменты не скомпенсированы, то возникает результирующий магнитный момент, и такой материал называют ферримагнетиком.

Намагниченность монокристалла ферромагнетика анизотропна (рис. 15.5). Кристалл железа в направлении ребра куба намагничивается до насыщения при значительно меньшей напряженности поля по сравнению с Н при намагничивании в направлении диагонали куба или в других кристаллографических направлениях. Следовательно, в монокристалле железа

Рис. 15.5. Кривые намагничивания для монокристалла железа

Рис. 15.6. Петля гистерезиса ферромагнетизма

имеется шесть направлений легкого намагничивания, развернутые друг относительно друга на 90 или 180°, по которым и ориентируются векторы намагниченности доменов (см. рис. 15.3).

Удельная энергия которую необходимо затратить на перемагничиванне из направления легкого намагничивания в направление трудного намагничивания (заштрихованная зона на рис. 15.5), называется константой кристаллографической магнитной анизотропии — К. Например, для железа при . В поликристаллических материалах эффекты анизотропии усредняются, поэтому магнитная анизотропия не обнаруживается. Однако прокаткой можно создать кристаллографическую анизотропию, которая облегчит намагничивание.

Магнитная индукция - плотность магнитного потока определяется как сумма внешнего Н и внутреннего М магнитных полей:

где магнитная постоянная .

Интенсивность роста индукции при увеличении напряженности намагничивающего поля характеризует магнитная проницаемость Она определяется как тангенс угла наклона к первичной кривой намагничивания (рис. 15.6).

При этом различают начальную магнитную проницаемость при и максимальную

Кроме абсолютной магнитной проницаемости имеющей размерность используют безразмерную относительную магнитную проницаемость которая связана с магнитной восприимчивостью соотношением

Процессы намагничивания полностью необратимы. Если магнитное поле, доведенное до уменьшать до нуля (см. рис. 15.6), то индукция сохранит определенное значение называемое остаточной индукцией. Намагничивание поликристалла полем обратного знака уменьшает индукцию В, и при напряженности поля индукция падает до нуля. Напряженность магнитного поля, равная Не называется коэрцитивной силой. При перемагничивании от до , и обратно кривые не совпадают. Площадь, ограниченная этими кривыми, определяет потери на гистерезис или перемагничиванне.

Кривая намагничивания и форма петли гистерезиса - важнейшие характеристики ферромагнетика, так как они определяют основные его константы, а следовательно, и области применения.

При намагничивании изменяется доменная структура поликристалла ферромагнетика (рис. 15.7). При слабых полях наблюдается смещение границ доменов, в результате чего происходит увеличение тех доменов, векторы намагниченности которых составляют с направлением поля Я (ось меньший угол. Эти домены находятся в энергетически выгодном положении и при увеличении напряженности поля продолжают расти, что сопровождается переориентацией моментов атомов (см. рис. 15.4). На начальном этапе (участок ОА) процесс обратим. Затем он приобретает необратимый характер и сопровождается интенсивным ростом индукции (участок Процесс смещения доменных стенок продолжается до тех пор, пока не

Рис. 15.7. Изменение индукции и доменной структуры при намагничивании ферромагнетика

исчезнут домены, ориентированные невыгодно по отношению к полю. Доменная структура исчезает, каждый кристалл становится однодоменным. Дальнейший процесс намагничивания (участок ВС) состоит в том, что векторы намагниченности кристаллов вращаются до полного совпадения с направлением внешнего поля. Полная ориентация векторов намагниченности вдоль поля соответствует индукции насыщения .

В действительности строгую ориентацию всех моментов атомов можно было бы наблюдать только при абсолютном нуле. При всех других температурах из-за теплового движения моменты приобретают не строго параллельную ориентацию, что ведет к уменьшению намагниченности и индукции. По мере повышения температуры дезориентация увеличивается, и при температуре точки Кюри 0 намагниченность вообще исчезает.

Процесс вращения векторов намагниченности кристаллов полностью обратим. Энергия, затрачиваемая на вращение вектора намагниченности, определяется константой анизотропии К. Процесс намагничивания на этой стадии происходит тем легче, чем меньше константа магнитной анизотропии.

Намагничивание в полях напряженностью меньше называют техническим намагничиванием, а в полях с большей напряженностью истинным намагничиванием, или парапроцессом. В последнем случае оставшиеся непараллельные магнитные моменты атомов ориентируются параллельно направлению поля.

На процесс намагничивания кроме магнитной анизотропии существенно влияют и магнитострикционные явления, которые могут как облегчать, так и тормозить намагничивание. При техническом намагничивании размер домена 1 в направлении магнитного поля изменяется на величину называемую коэффициентом линейной магнитострикции. Величина и знак этого коэффициента зависят от природы ферромагнетика, кристаллографического направления и степени намагниченности.

При намагничивании в полях увеличивается и объем кристалла. Относительное изменение объема называют коэффициентом объемной магнитострикции парапроцесса Он обычно мал, но у некоторых сплавов, называемых инварами, достигает значительных величин (см. гл. 16). Явление магнитострикции используется при конструировании ультразвуковых генераторов волн и других магннтострикционных приборов.

При разработке магнитных материалов с заданными свойствами следует учитывать, что магнитные характеристики и 0 зависят только от химического состава ферромагнетика, а характеристики зависят также и от вида термической обработки, так как являются структурно чувствительными.

Легко намагничиваются (малое значение ) химически чистые ферромагнитные металлы и однофазные сплавы на их основе. Количество кристаллических дефектов в них должно быть минимальным, например, границы кристаллов должны иметь минимальную протяженность, что обеспечивается крупнокристаллической структурой.

Если размер кристаллов ферромагнетика приближается к размерам доменов, то при намагничивании и размагничивании возможен только процесс вращения векторов намагничивания, что сопровождается небольшими изменениями намагниченности М и индукции В. Петля гистерезиса принимает прямоугольную форму.

Для намагничивания нежелательны дислокации и остаточные напряжения, для устранения которых в конце технологического процесса применяют термическую обработку - отжиг. Особенно вредны примеси, образующие в кристаллической решетке основного ферромагнетика примесные дефекты или собственные мелкодисперсные фазы. В обоих случаях смещение доменной стенки и вращение векторов намагничивания затрудняются.

Намагничивание ферромагнетика идет тем легче, чем меньше К и Уменьшить их влияние можно путем изменения химического состава ферромагнетика. Если изготовлять сплавы из компонентов, образующих твердые растворы, один из которых имеет положительную, а другой отрицательную константу магнитной анизотропии, то для некоторых составов сплавов например, у сплавов системы