Магнитный гистерезис и основная кривая намагничивания

В ферромагнетиках группы железа основную роль в создании маг­нитного момента атома играет спиновый магнитный момент. В первом приближении магнитный момент атома определяется алгебраической суммой спиновых магнитных моментов электронов незаполненной оболочки. Так, в незаполненном sd-слое железа вместо 10 имеется только шесть электронов, спины пяти из них направлены параллельно друг другу, а одного — антипараллельно.

Ферромагнетики характеризуются большими значениями магнитной проницаемости, а также сложной нелинейной зависимостью магнитной проницаемости m от температуры, которая имеет максимум при достижении температуры Кюри (рис 5.4).

Рис. 5.4. Типичная зависимость магнитной проницаемости ферро­магнитных материалов от темпе­ратуры

При температурах выше точки Кюри, определенной для каждого материала, ферромагнитное состояние переходит в парамагнитное (рис. 5.4).

Точки Кюри чистого желе­за составляет 1043 К, никеля - 631 К, кобальта - 1404 К.

Для ферромагнетиков характерно также наличие гистерезиса (рис 5.5), сущность которого состоит в том, что значение индукции В не од­нозначно определяется величиной магнитного поля Н, а зависит также от предшествующей истории образца, то есть от величины и направления магнитного поля, действовавшего на него раньше. Например, индукция в данном поле будет больше в том случае, если материал предварительно намагничивался до насыщения по­лем того же направления; в случае же, когда ранее действовав­шее поле насыщения имело противоположное направление, индук­ция будет меньше.

Магнитный гистерезис — отставание намагниченности ферромаг­нитного вещества от внешнего магнитного поля и вследствие это­го неоднозначная зависимость намагниченности и магнитной ин­дукции от напряженности внешнего магнитного поля.

Гистерезис обусловлен необратимостью процес­сов намагничивания, что приводит к рассеянию энергии и сниже­нию качества тех намагничивающих устройств, где ферромагнит­ные материалы используются как сердечники (магнитопроводы). Однако такая необратимость и полезна, так как именно благодаря ей материал остается намагниченным после снятия намагничиваю­щего поля, то есть ферромагнитный материал становится постоянным магнитом. Параллельное расположение спинов соседних атомов называют атомным ферромагнитным порядком, который характе­ризуется тем, что в отсутствие внешнего поля ферромагнетик на­ходится в состоянии спонтанного (самопроизвольного) намагни­чивания, которому соответствует намагниченность технического насыщения.

Объяснения ферромагнитных свойств материалов основаны на предположе­нии, что спонтанная намагниченность обусловлена внутренним мо­лекулярным полем, а внешне такая намагниченность не проявля­ется потому, что тело разбивается на отдельные макроскопические области — домены, в каждом из которых магнитные моменты ато­мов располагаются параллельно друг другу, то есть каждый домен находится в состоянии технического насыщения. Направления маг­нитных моментов всех доменов равновероятны (домены располо­жены друг относительно друга хаотично), внутри образца обра­зуются замкнутые магнитные цепочки, и результирующий магнит­ный момент ферромагнетика в целом оказывается равным нулю.

Форма петли гистерезиса для данного материала зависит от его исходного магнитного состояния, скорости перемагничивания и от максимальных значений напряжен­ности магнитного поля. Для сла­бых магнитных полей петля гистерезиса имеет вид эллипса. С увеличением Н возрастает ширина петли и изме­няется ее форма, при этом может быть получено так называемое се­мейство симметричных петель ги­стерезиса. Петля гистерезиса, полученная при усло­вии насыщения, называется пре­дельной (рис.5.5). При дальней­шем увеличении Н ширина петли не изменяется и может иметь место лишь незначительный рост ее острых концов — безгистерезисных участков петли (отрезки АВ и А'В' на рис. 5.5).

Рис.5.5. Кривая намагничивания (участок ОВ) и петля гистерезиса ферромагнит­ного материала

Геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса при различных значениях напряженности переменного магнитного поля называется основной кривой намагничивания (рис.5.6).

Таким образом, кривая намагничивания представляет собой зависимость магнитной индукции В (или намагниченности М) от напряженности магнитного поля Н (рис.5.6). Ход этой зависимости определяется не только свойст­вами материала и внешними условиями (напряженность поля, температура, наличие или отсутствие механических напряжений), и предшествующим магнитным состоянием. Обычно кри­вые намагничивания определяют па размагниченных образцах, в которых при отсутствии внешнего поля векторы магнитных мо­ментов доменов расположены равновероятно.

Магнитная проницаемость характеризует способность вещест­ва изменять свою магнитную индукцию В при воздействии магнит­ного поля Н. По основной кривой намагничивания определяется магнитная проницаемость, например, для точки А (рис. 5.6):

,

где a — угол наклона секущей ОА к оси абсцисс, и — мас­штабы по осям соответственно В и Н.

Рис.5.6. Основная кривая намагничивания

Основная кривая намагничивания и соответственно зависи­мость могут быть разделены на четыре области в соответст­вии с возможным различием процессов намагничивания при уве­личении напряженности намагничивающего поля (рис.5.7).

Область 1 — область самых слабых полей характеризуется обратимым смещением границ доменов в магнитном поле и линейной зависи­мостью .

Под действием внешнего поля гра­ничные слои между соседними доменами смещаются таким обра­зом, что размеры доменов, намагниченность которых составляет наименьшие углы с направлением поля, а следовательно, энергети­чески «выгодно» ориентированных но отношению к полю, растут за счет других доменов (рис. 5.8).

Рис.5.7. Основная кривая намагничивания В(Н) и кривая зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля ферромагнитного материала: 1 — область самых слабых полей, 2 — область слабых полей, 3 — область средних полей, 4 — область сильных полей

Рис.5.8. Схема процессов, протекающих при намагничивании:

а — исходное состояние при Н = 0, когда в кристалле имеются четыре домена с различ­но направленными векторами спонтанной намагниченности доменов (указаны стрелками); б — смещение границ доменов при воздействии внешнего магнитного поля (рост объема до­мена 1, благоприятно ориентированного относительно поля Н); в — вращение вектора намаг­ниченности М при дальнейшем увеличении магнитного поля

При обратимых процессах уменьшение напряженности внеш­него ноля приводит к смещению границ в обратном направлении, а при Н = 0 границы занимают свои исходные положения и В = 0. Магнитная проницаемость в этой области называется начальной и имеет постоянное значение

.

Область 2 — область необратимого смещения границ доменов характе­ризуется наиболее сильной зависимостью В(Н), а m проходит че­рез максимум

.

При необратимых процессах смещения границ доменов умень­шение напряженности внешнего поля до нуля не возвращает гра­ницы доменов в исходное положение, то есть при Н = 0 В¹0 вслед­ствие остаточной намагниченности.

При смещении границ размеры доменов, энергетически «выгодно» ориентированных по отношению к полю, увеличиваются за счет «невыгодно» ориентированных до­менов так, что уже не возвращаются в свое исходное положение при уменьшении напряженности поля, то есть происходит процесс необратимого смещения границ доменов.

Размеры доменов, их форма и энергия граничных слоев зависят от малейших структурных неоднородностей кристаллической ре­шетки ферромагнетика. Наличие дефектов (атомов примесей, ва­кансий в узлах решетки, микропор, дислокаций и т. п.) затрудняет процесс намагничивания образца и способствует его необрати­мости.

Область 3 — область вращения вектора намагниченности. Процесс вра­щения состоит в повороте вектора намагниченности доменов в на­правлении поля Н (рис. 5.8,в) и характеризуется приближением намагниченности к техническому насыщению, при котором векто­ры самопроизвольной намагниченности доменов ориентируются параллельно внешнему полю, магнитная индукция В приближа­ется к максимальному значению Bs, и m уменьшается, приближа­ясь к единице.

Область 4 — область насыщения. В этой области значения В практиче­ски не зависят от Н. При дальнейшем повышении напряженности имеет место парапроцесс, который в большинстве случаев дает малый прирост намагниченности, поэтому практически процесс намагничивания считают законченным при достижении технического насыщения.

Парапроцесс — возрастание самопроизвольной намагниченно­сти доменов под действием внешнего магнитного поля. Этот процесс является завершающим этапом намагничивания ферро- и ферримагнетиков, в результате которого намагниченность приближается к намагни­ченности, которую имел бы ферромагнетик при T = 0 К.

Из изложенного очевидно, что при намагничивании под дейст­вием внешнего магнитного поля происходит изменение доменной структуры образца вплоть до ее исчезновения при полях, соответ­ствующих насыщению образца.

Date: 2015-07-25; view: 2050; Нарушение авторских прав