Магнетизација и магнетни материјали

Присуство супстанце са магнетним својствима манифестује се у промени параметара магнетног поља у поређењу са пољем у немагнетном простору. Настали физички процеси у микроскопском приказу повезани су са појавом у материјалу под утицајем магнетног поља магнетних момената микроструја, чија се запреминска густина назива вектор магнетизације.

Појава магнетизације у супстанци када је ставите унутра магнетно поље објашњава се процесом постепене преференцијалне оријентације магнетних момената који у њему круже микрострујама у правцу поља. Огроман допринос стварању микроструја у супстанци је кретање електрона: ротација и орбитално кретање електрона повезаних са атомима, спин и слободно кретање електрона проводљивости.

Према својим магнетним својствима сви материјали се деле на парамагнете, дијамагнете, феромагнете, антиферомагнете и ферите... Припадност материјала једној или другој класи одређена је природом реакције магнетних момената електрона на магнетни поље у условима јаких интеракција електрона међусобно у вишеелектронским атомима и кристалним структурама.

Дијамагнети и парамагнети су слабо магнетни материјали. Много јачи ефекат магнетизације се примећује код феромагнета.

Магнетна осетљивост (однос апсолутних вредности вектора магнетизације и јачине поља) за такве материјале је позитивна и може достићи неколико десетина хиљада. У феромагнетима се формирају области спонтане једносмерне магнетизације — домени.

феромагнетизам примећено у кристалима прелазних метала: гвожђа, кобалта, никла и низа легура.

Када се примени спољашње магнетно поље све веће јачине, вектори спонтане магнетизације, првобитно оријентисани у различитим областима на различите начине, постепено се поравнавају у истом правцу. Овај процес се зове техничка магнетизација... Карактерише га почетна крива магнетизације — зависност индукције или магнетизације од резултујућа јачина магнетног поља у материјалу.

Са релативно малом јачином поља (Одељак И) долази до брзог повећања магнетизације, углавном због повећања величине домена са оријентацијом магнетизације у позитивној хемисфери праваца вектора јачине поља. Истовремено, величине домена у негативној хемисфери се пропорционално смањују.У мањој мери се мењају димензије ових региона, чија је магнетизација оријентисана ближе равни ортогоналној на вектор интензитета.

Са даљим повећањем интензитета, преовлађују процеси ротације вектора магнетизације домена дуж поља (секција ИИ) док се не постигне техничко засићење (тачка С). Накнадно повећање резултујуће магнетизације и постизање исте оријентације свих региона у пољу омета топлотно кретање електрона. Регион ИИИ је по природи сличан парамагнетним процесима, где је повећање магнетизације последица оријентације неколико спин магнетних момената дезоријентисаних топлотним кретањем.Са повећањем температуре, дезоријентишуће топлотно кретање се повећава, а магнетизација супстанце опада.

За дати феромагнетни материјал постоји одређена температура на којој нестају феромагнетно уређење структуре домена и магнетизација. Материјал постаје парамагнетичан. Ова температура се назива Киријева тачка. За гвожђе, Киријева тачка одговара 790 ° Ц, за никл - 340 ° Ц, за кобалт - 1150 ° Ц.

Смањењем температуре испод Киријеве тачке поново се враћају магнетна својства материјала: структура домена са нултом мрежном магнетизацијом ако не постоји спољашње магнетно поље. Због тога се производи за грејање направљени од феромагнетних материјала изнад Киријеве тачке користе за њихову потпуну демагнетизацију.

Почетна крива магнетизације

Процеси магнетизације феромагнетних материјала подељени су на реверзибилне и иреверзибилне у вези са променом магнетног поља.Ако се након уклањања сметњи спољашњег поља магнетизација материјала врати у првобитно стање, онда је овај процес реверзибилан, у супротном је неповратан.

Реверзибилне промене се примећују у малом почетном сегменту криве магнетизације пресека И (Раилеигх зона) при малим померањима зидова домена и у регионима ИИ, ИИИ када се вектори магнетизације у регионима ротирају. Главни део Одељка И бави се иреверзибилним процесом преокретања магнетизације, који углавном одређује својства хистерезе феромагнетних материјала (заостајање промена магнетизације од промена магнетног поља).

Хистерезисна петља се назива криве које одражавају промену магнетизације феромагнета под утицајем циклично променљивог спољашњег магнетног поља.

Приликом испитивања магнетних материјала, хистерезисне петље се конструишу за функције параметара магнетног поља Б (Х) или М (Х), који имају значење добијених параметара унутар материјала у пројекцији на фиксни правац. Ако је материјал претходно био потпуно демагнетизован, онда постепено повећање јачине магнетног поља од нуле до Хс даје много тачака са почетне криве магнетизације (Одељак 0-1).

Тачка 1 — тачка техничког засићења (Бс, Хс). Накнадно смањење силе Х унутар материјала на нулу (одељак 1-2) омогућава одређивање граничне (максималне) вредности преостале магнетизације Бр и даље смањење негативне јачине поља да би се постигла потпуна демагнетизација Б = 0 ( одељак 2-3) у тачки Х = -ХцВ - максимална коерцитивна сила при магнетизацији.

Штавише, материјал се магнетизује у негативном смеру до засићења (одељак 3-4) на Х = — Хс. Промена јачине поља у позитивном смеру затвара граничну хистерезисну петљу дуж криве 4-5-6-1.

Многа материјална стања унутар граничног циклуса хистерезе могу се постићи променом јачине магнетног поља одговарајућим парцијалним симетричним и асиметричним циклусима хистерезе.

Магнетна хистереза: 1 — крива почетне магнетизације; 2 — гранични циклус хистерезе; 3 — крива главне магнетизације; 4 — симетрични парцијални циклуси; 5 — асиметричне делимичне петље

Циклуси делимично симетричне хистерезе ослањају се својим врховима на главну криву магнетизације, која је дефинисана као скуп врхова ових циклуса док се не поклопе са граничним циклусом.

Делимичне асиметричне хистерезисне петље се формирају ако полазна тачка није на главној кривој магнетизације са симетричном променом јачине поља, као и са асиметричном променом јачине поља у позитивном или негативном смеру.

У зависности од вредности коерцитивне силе, феромагнетни материјали се деле на магнетно меке и магнетно тврде.

Меки магнетни материјали се користе у магнетним системима као магнетна језгра... Ови материјали имају ниску коерцитивну силу, високу магнетна пермеабилност и индукција засићења.

Тврди магнетни материјали имају велику коерцитивну силу и у предмагнетизованом стању се користе као трајни магнети — примарни извори магнетног поља.

Постоје материјали којима по својим магнетним својствима припадају антиферомагнети... Антипаралелни распоред спинова суседних атома испада за њих енергетски повољнији. Створени су антиферомагнети који имају значајан унутрашњи магнетни момент због асиметрије кристалне решетке... Такви материјали се називају феримагнети (ферити)... За разлику од металних феромагнетних материјала, ферит су полупроводници и имају знатно мање губитке енергије за вртложне струје у наизменичним магнетним пољима.

Криве магнетизације различитих феромагнетних материјала