Намагничивание материалов: Намагничивание и магнитные материалы | Онлайн журнал электрика

Намагничивание и магнитные материалы | Онлайн журнал электрика

Наличие у вещества магнитных параметров проявляется в изменении характеристик магнитного поля по сопоставлению с полем в немагнитном пространстве. Происходящие физические процессы в микроскопичном представлении связывают с появлением в материале под воздействием
магнитного поля магнитных моментов микротоков, объёмная плотность которых именуется
вектором намагниченности.

Появление намагниченности в веществе при помещении его в магнитное поле разъясняется процессом постепенной преимущественной ориентации
магнитных моментов циркулирующих в нём микротоков в направлении поля. Подавляющий вклад в создание микротоков в веществе заносит
движение электронов: спиновое и орбитальное движение связанных с атомами электронов, спиновое и свободное движение электронов проводимости.

По магнитным свойствам все материалы разделяются на парамагнетики,
диамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферриты. Принадлежность материала к тому либо иному классу определяется нравом отклика магнитных моментов электронов на
магнитное поле в критериях сильных взаимодействий электронов меж собой в многоэлектронных атомах и кристаллических структурах.

Диамагнетики и парамагнетики относятся к материалам со слабенькими магнитными качествами. Существенно более сильный эффект намагничивания наблюдается у ферромагнетиков.

Магнитная восприимчивость (отношение абсолютных значений векторов намагниченности и напряженности поля) у таких материалов положительная и может достигать нескольких 10-ов тыщ. У ферромагнетиков образуются области самопроизвольной спонтанной однонаправленной намагниченности — домены.

Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов: железа, кобальта, никеля и у ряда сплавов.

При наложении наружного магнитного поля с растущей напряженностью векторы спонтанной намагниченности, вначале направленные в различных доменах по-разному, равномерно выстраиваются в одном направлении. Этот процесс именуется
техническим намагничиванием. Он характеризуется кривой исходного намагничивания  — зависимостью индукции либо намагниченности от напряженности результирующего магнитного поля в материале.

При относительно маленький напряженности поля (участок I) происходит резвое возрастание намагниченности в большей степени из-за роста размеров доменов, имеющих ориентацию намагниченности в положительной полусфере направлений векторов напряженности поля. Сразу пропорционально сокращаются размеры доменов в отрицательной полусфере. В наименьшей степени меняются размеры тех доменов, намагниченность которых нацелена поближе к плоскости, ортогональной вектору напряженности.

При предстоящем увеличении напряженности преобладают процессы поворота векторов намагниченности доменов по полю (участок II) до заслуги технического насыщения (точка S). Следующему возрастанию результирующей намагниченности и достижению схожей ориентации всех доменов по полю препятствует термическое движение электронов. Область III близка по нраву процессов к парамагнетикам, где повышение намагниченности происходит из-за ориентации немногих спиновых магнитных моментов, дезориентированных термическим движением. С повышением температуры дезориентирующее термическое движение усиливается и намагниченность вещества миниатюризируется.

Для определенного ферромагнитного материала существует определенная температура, при которой ферромагнитное упорядочение доменной структуры и намагниченности исчезают. Материал становится парамагнитным. Эта температура носит заглавие точки Кюри. Для железа точка Кюри соответствует 790 °С для никеля — 340 °С, для кобальта — 1150 °С.

Понижение температуры ниже точки Кюри вновь возвращает материалу магнитные характеристики: доменную структуру с нулевой результирующей намагниченностью, если при всем этом отсутствовало наружное магнитное поле. Потому разогрев изделий из ферромагнитных материалов выше точки Кюри употребляют для их полного размагничивания.

Кривая исходного намагничивания

Процессы намагничивания ферромагнитных материалов разделяются на обратимые и
необратимые по отношению к изменению магнитного поля. Если после снятия возмущения наружного поля намагниченность материала ворачивается в начальное состояние, то таковой процесс обратимый, в неприятном случае — необратимый.

Обратимые конфигурации наблюдаются на малом исходном отрезке участка I кривой намагничивания (зона Релея) при малых смещениях доменных стен и на участках II, III при повороте векторов намагниченности в доменах. Основная часть участка I относится к необратимому процессу перемагничивания, который в главном определяет гистерезисные характеристики ферромагнитных материалов (отставание конфигураций намагниченности от конфигураций магнитного поля).

Петлей гистерезиса именуют кривые, отражающие изменение намагниченности ферромагнетика под воздействием циклически изменяющегося наружного магнитного поля.

При испытаниях магнитных материалов петли гистерезиса строятся для функций характеристик магнитного поля В (Н) либо М (Н), которые имеют смысл результирующих характеристик снутри материала в проекции на зафиксированное направление.
Если материал за ранее был стопроцентно размагничен, то постепенное повышение напряженности магнитного поля от нуля до Hs дает огромное количество точек исходной кривой намагничивания (участок 0-1).

Точка 1 — точка технического насыщения (Вs, Hs). Следующее понижение напряженности Н снутри материала до нуля (участок 1-2) позволяет найти предельное (наибольшее) значение остаточной намагниченности Br и предстоящим уменьшением отрицательной напряженности поля достигнуть полного размагничивания B = 0 (участок 2-3) в точке Н = -НсВ — наибольшей коэрцитивной силы по намагниченности.

Дальше материал перемагничивается в отрицательном направлении до насыщения (участок 3-4 ) при Н = — Hs. Изменение напряженности поля в положительную сторону замыкает предельный гистерезисный цикл по кривой 4-5-6-1.

Огромное количество состояний материала снутри предельного гистерезисного цикла может быть достигнуто при изменении
напряженности магнитного поля, соответственном личным симметричным и несимметричным гистерезисным циклам.

Магнитный гистерезис: 1 – кривая исходного намагничивания; 2 – предельный гистерезисный цикл; 3 – кривая основного намагничивания; 4 – симметричные личные циклы; 5 – несимметричные личные циклы

Личные симметричные гистерезисные циклы опираются верхушками на кривую основного намагничивания, которая и определяется как огромное количество точек вершин этих циклов до совпадения с предельным циклом.

Личные несимметричные гистерезисные циклы образуются, если исходная точка не находится на кривой основного намагничивания при симметричном изменении напряженности поля, также при несимметричном изменении напряженности поля в положительном либо отрицательном направлении.

Зависимо от значений коэрцитивной силы ферромагнитные материалы делят на
магнитомягкие и магнитотвёрдые.

Магнитомягкие материалы употребляются в магнитных системах как магнитопроводы. Эти материалы имеют малую коэрцитивную силу, высшую магнитную проницаемость и индукцию насыщения.

Магнитотвёрдые материалы имеют огромную коэрцитивную силу и в за ранее намагниченном состоянии употребляются как
неизменные магниты – первичные источники магнитного поля.

Есть материалы, которые по магнитным свойствам относятся к антиферромагнетикам. У их оказывается энергетически более прибыльным антипараллельное размещение спинов примыкающих атомов. Сделаны антиферромагнетики, владеющие значимым своим магнитным моментом из-за
асимметрии кристаллической решётки. Такие материалы именуются ферримагнетиками (ферритами). В отличие от железных ферромагнитных материалов, ферриты – полупроводники и в их существенно наименьшие энергопотери на вихревые токи в переменных магнитных полях.

Намагничивание и магнитные материалы — Студопедия

Наличие у вещества магнитных свойств проявляется в изменении параметров магнитного поля по сравнению с полем в немагнитном пространстве. Происходящие физические процессы в микроскопическом представлении связывают с возникновением в материале под воздействием магнитного поля магнитных моментов микротоков, объёмная плотность которых называется вектором намагниченности.

Возникновение намагниченности в веществе при помещении его в магнитное поле объясняется процессом постепенной преимущественной ориентации магнитных моментов циркулирующих в нём микротоков в направлении поля. Подавляющий вклад в создание микротоков в веществе вносит движение электронов: спиновое и орбитальное движение связанных с атомами электронов, спиновое и свободное движение электронов проводимости.

По магнитным свойствам все материалы подразделяются на парамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферриты. Принадлежность материала к тому или иному классу определяется характером отклика магнитных моментов электронов на магнитное поле в условиях сильных взаимодействий электронов между собой в многоэлектронных атомах и кристаллических структурах.

Диамагнетики и парамагнетики относятся к материалам со слабы­ми магнитными свойствами. Значительно более сильный эффект намагничивания наблюдается у ферромагнетиков. Магнитная восп­риимчивость (отношение абсолютных значений векторов намагни­ченности и напряженности поля) у таких материалов положительная и может достигать нескольких десятков тысяч. У ферромагнетиков образуются области самопроизвольной спонтанной однонаправленной намагниченности — домены. Ферромагнетизм наблюдается у кристал­лов переходных металлов: железа, кобальта, никеля и у ряда сплавов. При наложении внешнего магнитного поля с возрастающей напря­женностью векторы спонтанной намагниченности, изначально ориен­тированные в разных доменах по-разному, постепенно выстраиваются в одном направлении. Этот процесс называется техническим намаг­ничиванием. Он характеризуется кривой начального намагничивания (рис. 4.1) — зависимостью индукции или намагниченности от напря­женности результирующего магнитного поля в материале. При отно­сительно небольшой напряженности поля (участок I) происходит быстрое возрастание намагниченности преимущественно из-за уве­личения размеров доменов, имеющих ориентацию намагниченности в положительной полусфере направлений векторов напряженности поля. Одновременно пропорционально сокращаются размеры доменов в отрицательной полусфере. В меньшей степени изменяются размеры тех доменов, намагниченность которых ориентирована ближе к пло­скости, ортогональной вектору напряженности.

При дальнейшем увеличении напряженности преобладают процес­сы поворота векторов намагниченности доменов по полю (участок II) до достижения технического насыщения (точка S). Последующему возрастанию результирующей намагниченности и достижению оди­наковой ориентации всех доменов по полю препятствует тепловое движение электронов. Область III близка по характеру процессов к парамагнетикам, где увеличение намагниченности происходит из-за ориентации немногих спиновых магнитных моментов, дезориентиро­ванных тепловым движением. С увеличением температуры дезори­ентирующее тепловое движение усиливается и намагниченность ве­щества уменьшается.

Для конкретного ферромагнитного материала существует определенная температура, при которой ферромагнитное упорядочение доменной структуры и намагниченности исчезают. Материал становится парамагнитным. Эта температура носит назва­ние точки Кюри. Для железа точка Кюри соответствует 790 °С для никеля — 340 °С, для кобальта — 1150 °С.

Снижение температуры ниже точки Кюри вновь возвращает ма­териалу магнитные свойства: доменную структуру с нулевой резуль­тирующей намагниченностью, если при этом отсутствовало внешнее магнитное поле. Поэтому разогрев изделий из ферромагнитных ма­териалов выше точки Кюри используют для их полного размагничи­вания.

Рис. 4.1. Кривая начального намагничивания

Процессы намагничивания ферромагнитных материалов подразделя­ются на обратимые и необратимые по отношению к изменению магнитного поля. Если после снятия возмущения внешнего поля намагниченность материала возвращается в исходное состояние, то такой процесс обратимый, в противном случае — необратимый. Обратимые изменения наблюдаются на малом начальном отрезке участка I кривой намагничивания (зона Релея) при малых смещениях доменных стенок и на участках II, III при повороте векторов намаг­ниченности в доменах. Основная часть участка I относится к необра­тимому процессу перемагничивания, который в основном определяет гистерезисные свойства ферромагнитных материалов (отставание из­менений намагниченности от изменений магнитного поля).

Петлей гистерезиса (рис. 4.2) называют кривые, отражающие изменение намагниченности ферромагнетика под воздействием цик­лически изменяющегося внешнего магнитного поля. При испытаниях магнитных материалов петли гистерезиса строятся для функций параметров магнитного поля В (Н) или М (Н), которые имеют смысл результирующих параметров внутри материала в проекции на зафик­сированное направление.

Если материал предварительно был полностью размагничен, то постепенное увеличение напряженности магнитного поля от нуля до H_sдает множество точек начальной кривой намагничивания (участок 0-1 на рис. 4.2). Точка 1 — точка технического насыщения (В_s, H_s).Последующее снижение напряженности Н внутри материала до нуля (участок 1-2) позволяет определить предельное (максимальное) зна­чение остаточной намагниченности B_rи дальнейшим уменьшением отрицательной напряженности поля добиться полного размагничива­ния B = 0 (участок 2-3) в точке Н = —Н_сВ — максимальной коэрцитивной силы по намагниченности. Далее материал перемагничивается в отрицательном направлении до насыщения (участок 3-4 ) при Н = — H_s. Изменение напряженности поля в положительную сторону замыкает предельный гистерезисный цикл по кривой 4-5-6-1.

Множество состояний материала внутри предельного гистерезисного цикла может быть достигнуто при изменении напряженности магнитного поля, соответствующем частным симметричным и несим­метричным гистерезисным циклам.

Рис. 4.2. Магнитный гистерезис: 1 – кривая начального намагничивания; 2 – предельный гистерезисный цикл; 3 – кривая основного намагничивания; 4 – симметричные частные циклы; 5 – несимметричные частные циклы

Частные симметричные гистерезисные циклы опираются вершинами на кривую основного намагничивания, которая и определяется как множество точек вершин этих циклов до совпадения с предельным циклом.

Частные несимметричные гистерезисные циклы образуются, если начальная точка не находится на кривой основного намагни­чивания при симметричном изменении напряженности поля, а также при несимметричном изменении напряженности поля в положитель­ном или отрицательном направлении.

В зависимости от значений коэрцитивной силы ферромагнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвёрдые.

Магнитомягкие материалы используются в магнитных системах как магнитопроводы. Эти материалы имеют малую коэрцитивную силу, высокую магнитную проницаемость и индукцию насыщения.

Магнитотвёрдые материалы имеют большую коэрцитивную силу и в предварительно намагниченном состоянии используются как постоянные магниты – первичные источники магнитного поля.

Существуют материалы, которые по магнитным свойствам относятся к антиферромагнетикам. У них оказывается энергетически более выгодным антипараллельное расположение спинов соседних атомов. Созданы антиферромагнетики, обладающие значительным собственным магнитным моментом из-за асимметрии кристаллической решётки. Такие материалы называются ферримагнетиками (ферритами). В отличие от металлических ферромагнитных материалов, ферриты – полупроводники и в них значительно меньшие потери энергии на вихревые токи в переменных магнитных полях.

НАМАГНИЧИВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ —

Материалы, обладающие большой магнитной проницаемостью, назы- вают ферромагнитными (железо, никель, кобальт и их сплавы). Оказав- шись во внешнем магнитном поле, эти материалы значительно усиливают его. Это явление упрощенно можно объяснить таким образом.

Ферромагнитные материалы имеют области самопроизвольного намагничи- вания. Магнитное состояние таких областей (доменов) характеризуется век- тором намагниченности, которые ориентированы случайным образом. Поэ- тому намагниченность ферромагнитных тел в отсутствие внешнего маг- нитного поля не проявляется. Если ферромагнитное тело поместить во внеш- нее магнитное поле, то под его воздействием произойдут изменения, в ре -зультате которых векторы намагниченности отдельных областей будут ориентированы в направлении внешнего поля. Индукция результирующего магнитного поля будет определяться как индукцией внешнего поля, так и магнитной индукцией отдельных доменов, т. е. результирующее значение индукции будет намного превышать ее начальное значение. Таким образом, суммарное магнитное поле значительно превысит внешнее поле.

Магнитное состояние ферромагнитного поля и характеризуется кривой намагничивания (рис. 2.7). Рассмотрим процесс намагничивания ферромаг- нитного сердечника, помещенного в катушку с током. По мере увеличе- ния тока в катушке магнитная индукция в сердечнике быстро возрастает Это объясняется ориентацией векторов намагниченности ферромагнитного сердечника. Затем интенсивность ориентации замедляется, точка 2 соответ-

ствует магнитному насыщению. т. е. при некотором значении напряженности поля все домены сориентированы и при дальнейшем увеличении тока в катушке индукция поля растет так же, как она росла бы при отсутствии сердечника.

рис. 2.7 рис. 2.8

Если через катушку пропускать ток, меняющий свое направление, то сер- дечник будет перемагничиваться. Рассмотрим этот процесс (рис. 2.8). При увеличении тока в катушке магнитная индукция возрастает до индукции насыщения (точка а). При уменьшении тока магнитная индукция снижа- ется но так, что при тех же значениях Н она оказывается больше значе- ний магнитной индукции, соответствующих увеличению тока. Это объяс- няется тем, что часть доменов сохраняет свою ориентацию. Таким обра- зом, при Н = 0 в сердечнике сохраняется магнитное поле, характери- зуемое остаточной индукцией В_r (точка 6). При увеличении тока в противополож ном направлении магнитное поле катушки компенсирует магнитное поле, созданное доменами сердечника. При напряженности поля Н_с (точка с), которая называется коэрцитивной силой, магнитная индук ция окажется равной нулю. Дальнейшее увеличение тока в катушке вызо- вет перемагничивание сердечника, т. е. поворот векторов намагниченности на 180°. При некотором значении Н (точка d) сердечник снова будет на-сыщаться. При уменьшении тока в катушке до нуля индукция будет умень- шаться до остаточной индукции (точка е). Увеличение тока в положитель- ном направлении вызовет намагничивание сердечника до исходного состоя- ния (точка а). Полученную кривую называют петлей г и с т е р и з и с а (запаздывания). Участок 0а характеристики намагничивания назы- вают основной кривой намагничивания.

Процесс перемагничивания связан с затратами энергии и сопровожда- ется выделением теплоты. Энергия, которая затрачивается за один цикл перемагничивания, пропорциональна площади, ограниченной петлей гистерезиса. В зависимости от вида петли гистерезиса ферромагнитные материалы подразделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Магнито-. мягкие материалы обладают круто поднимающейся основной кривой намаг- ничивания и относительно малыми площадями гистерезисных петель. Для магнитотвердых материалов характерны пологость основной кри -вой намагничивания и большая площадь гистерезисной петли.

Намагничивание ферромагнетиков — Знаешь как

Материалы, обладающие большой магнитной проницаемостью, которым относятся: сталь, железо, чугун, кобальт и ряд сплавов, например никеля с алюминием, получили название ферромагнетиков. При внесении ферромагнитного сердечника в слабое магнитное поле, например катушки с током, магнитная индукция поля возрастает в сотни или тысячи раз.

Магнитные свойства ферромагнетиков объясняются наличием в них самопроизвольно намагниченных микроскопических областей, которые для упрощения можно рассматривать как элементарные магнитики. Под действием внешнего поля, например магнитного поля катушки с током, эти магнитики поворачиваются в направлении поля, вызывая этим усиление магнитной индукции. В магнитной цепи, состоящей преимущественно из ферромагнитных участков, можно получить значительную магнитную индукцию при относительно малой магнитодвижущей силе.

А. Г. Столетов (1839—1896).

В 1872 г. профессор Московского университета А. Г. Столетов впервые исследовал изменение магнитных свойств стали от напряженности магнитного поля. Изменение напряженности поля производилось изменением тока в намагничивающей катушке, в поле которой помещалась сталь.

А. Г. Столетовым была получена зависимость магнитной индукции от напряженности поля, т. е. В = f (H), которая выражается кривой начального намагничивания (рис. 3-23). Кривую можно разделить на три участка: 1) прямолинейный участок Оа, который показывает, что магнитная индукция быстро растет почти пропорционально напряженности поля; 2) участок аб — колено кривой, который характеризует замедление роста магнитной индукции; 3) участок магнитного насыщения — участок, расположенный выше точки б, здесь зависимость между В и Н снова прямолинейна, но рост магнитной индукции значительно замедлен по сравнению с первым участком. Этот участок кривой соответствует магнитному насыщению сердечника, при котором почти все элементарные магнитики ориентированы вдоль поля. Рассмотренная нелинейная зависимость указывает на то, μчто абсолютная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов μ_a= В/Н непостоянна и зависит от напряженности магнитного поля, а следовательно, и тока намагничивающей катушки. Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетиков, который имеет место при работе их в цепях переменного тока.

При увеличении намагничивающего тока, а следовательно, и напряженности поля Н магнитная индукция достигнет максимального значения +В_М (рис. 3-24). 

Рис 3-23. Начальная кривая намагничивания стали.

Рис. 3-24. Петля гистерезиса

Затем при уменьшении напряженности поля будет уменьшаться и магнитная индукция, но при одних и тех же напряженностях магнитная индукция будет несколько большей, чем при увеличении напряженности (участок кривой А Б). При нулевой напряженности поля магнитная индукция будет иметь значение В_r называемое остаточной индукцией (отрезок ОБ).

Явление отставания или запаздывания изменений магнитной индукции от соответствующих изменений напряженности поля называется магнитным гистерезисом и обусловлено как бы внутренним трением областей самопроизвольного намагничивания.

При изменении направления намагничивающего тока, а следовательно, и направления напряженности поля она достигнет значения Н_с, называемого коэрцитивной силой (отрезок ОГ), при котором магнитная индукция В = 0.

При дальнейшем увеличении тока обратного направления магнитная индукция достигнет значения — B_м.

Затем при уменьшении тока до нуля будет получена остаточная индукция (отрезок ОЕ). Наконец при следующем изменении направления тока и напряженности поля и увеличении ее вновь будет получена максимальная индукция + B_м.

Таким образом, мы проследили за изменением напряженности поля и магнитной индукции за один цикл их изменения. При циклическом перемагничивании ферромагнетика зависимость В — f (Н) графически выражается замкнутой кривой АБГДЕЖА, называемой симметричной петле гистерезиса. Наибольшая петля, которая может быть получена для данного материала, называется предельной петлей.

Рис 3-25. Три петли гистерезиса и основная кривая намагничивания стали

Если для данного ферромагнетика получить несколько симметричных петель гистерезиса c различными В_м (рис. 3-25) и соединить вершины петель л то получим кривую, называемую основной кривой намагничивания, очень близкую к кривой начального намагничивания.

Перемагничивание стали связано с затратой энергии, которая превращаясь в тепло, вызывает нагрев стали.

Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной при одном цикле перемагничивания. Потери энергии, вызванные процессом перемагничивания, называются потерей от гистерезиса.

Мощность потерь на циклическое перемагничивание, выражаемая обычно в ваттах на килограмм, зависит от сорта стали, максимальной магнитной индукции и числа циклов перемагничивания стали в секунду или, что то же, частоты (f).

Рис 3-26. 1 — магнитно-мягкий материал, электротехническая сталь; 2 — магнитно мягкий материал, пермаллой; 3 — магнитно-твердый материал.

Свойства ферромагнитных материалов характеризуют основной кривой намагничивания и петлей гистерезиса. На рис. 3-26 показаны три типичные петли гистерезиса для важнейших магнитных материалов.

Статья на тему Намагничивание ферромагнетиков (магнитов)

Намагничивание — Физическая энциклопедия

НАМАГНИЧИВАНИЕ — совокупность процессов,
происходящих в магнитных материалах под действием магн. поля H и
приводящих к росту намагниченности M (или магнитной индукции В)материала.
В ферро-или ферримагн. материалах различают три механизма H.: смещение границ
между магн. доменами, вращение вектора спонтанной намагпиченности M_s и парапроцесс.

В размагниченном состоянии ферромагнетик разбивается
на отд. области — домены ,в пределах к-рых материал намагничен до насыщения
вдоль одной из осей лёгкого намагничивания. Ввиду разл. ориентации намагниченности
в доменах суммарный магнитный момент образца равен нулю. Под влиянием
внеш. магн. поля происходит рост областей, в к-рых M_s составляет наим. углы с направлением поля, за счёт соседних областей. Этот
рост осуществляется в результате смещения доменных границ (доменных стенок). После завершения процессов смещения в каждом кристалле остаётся всего лишь
один домен, намагниченность к-рого ориентирована вдоль ближайшей к направлению
поля оси лёгкого H. Дальнейшее H. идёт за счёт вращения векторов М_s к направлению магн. поля. По завершении процесса вращения в образце достигается
техническое магнитное насыщение ,и прирост намагниченности может иметь
место лишь за счёт парапро-цесса — увеличения самой намагниченности насыщения
вследствие подавления магн. полем тепловых колебаний элементарных магн. моментов
вещества.

Зависимость M(H)или B(H), представленная
в виде ф-л, графиков или таблиц, наз. кривой намагничивания. Если известна кривая
M(H), то простым пересчётом может быть получена и кривая B(H), и
наоборот. Вид зависимости M(H)определяется магн. свойствами материала,
условиями измерений (давление, темп-pa, характер изменения магн. поля), формой
образца, его магн. предысторией. Важнейшими видами кривых H. являются следующие.

I. Кривая первого (первоначального) намагничивания
(КПН) получается при H. ферро- или ферримагнетика из полностью размагниченного
состояния монотонно возрастающим от нуля магн. полем, причём направление последнего
относительно намагничиваемого тела остаётся неизменным. На КПН можно выделить
пять участков, на каждом из к-рых преобладает определ. механизм H. Участок 1 (рис.) соответствует обратимым (упругим)
смещениям доменных границ: здесь M = H, где — нач.
магнитная восприимчивость. В области Рэлея (2)имеют место
наряду с обратимыми также необратимые процессы смещения, и зависимость M(H)здесь квадратична (см. Рэлея закон намагни— чивания).

Кривая начального намагничивания (а)
и безгистерезисная кривая намагничивания
(б).

Наиб крутой участок КПН (3)соответствует
макс. восприимчивости и связан с необратимыми
смещениями доменных границ. В области приближения
к насыщению (4)осн. роль играют процессы вращения
M_s к направлению намагничивающего поля.
Наконец, участок 5 характеризуется слабым
ростом намагниченности и соответствует парапроцессу.

II. При циклическом изменении магн. поля между
крайними значениями H₁ и H₂ кривые
M(H)сначала несколько изменяются от цикла к циклу (см. Магнитная
аккомодация), но постепенно становятся стабильными. Их наз. кривыми цикличного
пе-ремагничивания или петлями гистерезиса магнитного. При H₁
= -H₂ петля гистерезиса симметрична, в других случаях
— асимметрична. Наиболее симметричная петля гистерезиса наз. предельной и является
важной характеристикой магнитных материалов.

III. Безгистерезисная (идеальная) кривая H. изображает
зависимость M(H)для таких состояний, к-рые при каждом значении H являются наиб. устойчивыми, т. е. обладают наим. свободной энергией. Эти
состояния могут быть получены в результате наложения на пост. поле H перем.
магн. поля с убывающей до нуля амплитудой.

IV. Основная (коммутационная) кривая H.- геом.
место вершин симметричных петель гистерезиса. Основная и безгистерезисная кривые
H., в отличие от КПН, фиксируют только избранные магн. состояния, не показывая
действительных процессов H.

Если значения M и H
относятся к одному и тому же элементу объёма, то кривые M(H)не зависят
от размера и формы образца и являются кривыми H. данного материала. На практике
чаще всего имеют дело не с истинным значением H внутри образца, а с напряжённостью
внеш. магн. поля H_е. Кривые М(Н_е)наз. кривым
и намагничивания тела и зависят от формы последнего. В простых случаях, зная
размагничивающий фактор тела, можно из кривых М(Н_e)получить
кривые M(H).

Лит.: Преображенский А. А., Бишард E.
Г., Магнитные материалы и элементы, 3 изд., M., 1986; Вонсов-ский С. В., Магнетизм,
M., 1971. А. С. Ермоленко.

   
  Предметный указатель 
    >>   

КАК ПРОИСХОДИТ НАМАГНИЧИВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ЧТО ТАКОЕ МАГНЕТИЗМ

Познакомимся теперь более детально с тем, как проис­ходит намагничивание ферромагнетиков. Этот вопрос представляет не только научный, но и большой техниче­ский интерес, так как без знания механизма намагничива­ния и перемагничивания ферромагнитных материалов было бы невозможно их правильное применение в раз­личных приборах и аппаратах. Поэтому учёные уже давно начали изучать процессы намагничивания и пере­магничивания в ферромагнетиках.

В парамагнитных веществах процесс намагничивания довольно прост. По мере возрастания силы магнитного поля (что осуществляется увеличением силы электриче­ского тока в катушке электромагнита) атомные магнитики располагаются всё более параллельно полю. Этот процесс происходит постепенно, и намагниченность тела также растёт постепенно. Только при огромном магнитном поле мы достигли бы максимальной намагниченности парамаг­нитного тела. При этом магнитные моменты всех атомов
почти полностью повернулись бы в направлении поля, и парамагнитное тело намагнитилось до насыщения. Но пока мы ещё не располагаем источниками таких сильных магнитных полей.

У диамагнитных веществ дело обстоит примерно так же. С увеличением поля намагниченность растёт равномерно; однако здесь не наблюдается даже намёка на насыщение.

В ферромагнитных веществах процесс намагничивания гораздо сложнее. Рост намагниченности здесь протекает неравномерно и очень бурно. Насыщение достигается уже в сравнительно небольших магнитных полях. Есть такие ферромагнитные материалы, которые намагничиваются до насыщения в ничтожно слабых полях, например, в земном магнитном поле. Другие ферромагнитные материалы тре­буют для своего насыщения более сильных магнитных полей, но эти поля всегда неизмеримо меньше, чем поля, требующиеся для намагничивания парамагнитных ве­ществ. Лёгкость, с которой достигается магнитное насы­щение в ферромагнетиках, нетрудно объяснить: это свя­зано с тем, что отдельные участки ферромагнетика уже намагничены до насыщения. Роль внешнего поля состоит только в том, чтобы ориентировать магнитные моменты всех областей самопроизвольной намагниченности по полю.

Есть ещё особенности, которые отличают ферромагнит­ные материалы от парамагнитных. В парамагнитных телах после выключения поля атомные магнитные моменты при­ходят в первоначальное беспорядочное расположение, и намагниченность опять становится равной нулю. У ферро­магнетиков же после выключения магнитного поля или уменьшения его величины часть областей возвращается в прежнее беспорядочное состояние, а другая часть остаётся в направлении поля или близком к нему. Это явление называют магнитным гистерезисом (от греческого слова «отстаю, запаздываю»). Поэтому в ферромагнетике наблюдается некоторая остаточная намагниченность.

В некоторых ферромагнитных материалах, к которым принадлежат, например, мягкое железо, сплав пермаллой (78% никеля и 22% железа) и др., остаточная намагни­ченность очень неустойчива. Достаточно встряхнуть мате­риал или поместить его в слабое переменное поле, и оста­точная намагниченность почти полностью исчезает. Но в других материалах, таких, как закалённая сталь, остаточ­ная намагниченность удерживается долгое время, не­смотря на внешние воздействия. Такой материал может служить магнитом.

Мерой устойчивости остаточной намагниченности в каком-либо ферромагнитном материале служит то магнит­ное поле, которое уничтожает эту остаточную намагничен­ность. Это поле называется задерживающей или, как гово­рят в технике и физике, коэрцитивной силой (от латин­ского слова «коэрситио» — удерживание). Чем больше коэрцитивная сила, тем прочнее в материале удерживается остаточная намагниченность, и с тем большим успехом этот материал может быть использован как магнит.

Опыты показали, что ферромагнитные материалы, по­мещённые в переменное поле (изменяющееся и по вели­чине, и по направлению), выделяют некоторое количество теплоты. Эту теплоту называют теплотой гистерезиса. Она особенно велика в материалах, имеющих большие оста­точную намагниченность и коэрцитивную силу.

Почему же одни ферромагнитные материалы достигают насыщения при очень слабых полях, а другие только при очень сильных? Почему в одних материалах остаточная намагниченность устойчива, а в других она быстро разру­шается? В чём состоит природа теплоты гистерезиса? Для того чтобы разобраться в этих вопросах, необходимо хотя бы коротко познакомиться с внутренним строением ферромагнитных материалов.

Известно, что в твёрдых телах атомы расположены в строгом порядке, симметрично относительно друг друга, образуя кристаллическую ячейку[5]). Множество таких ячеек образует так называемую пространственную кри­сталлическую решётку.

Для железа и никеля кристаллические ячейки имеют вид куба, поэтому их пространственные решётки называют кубическими (рис. 21, а, б). Разница между кристалли­ческой решёткой железа и никеля состоит в том, что в ячейке железа атомы расположены в центре и по углам куба, в никеле же, кроме того, имеются атомы, располо­женные в центрах каждой плоскости или грани. Ещё слож­нее устроен кристалл кобальта, его ячейка имеет вид шестигранной призмы (рис. 21, в). Такая система кристал­лов называется гексагональной (по-гречески «гекса» — шесть, гонио — грань).

Обычные магнитные материалы состоят не из одного кристалла, а из множества мелких кристаликов, соприка­сающихся друг с другом. Их можно видеть, например, на изломе куска металла. Такие металлы называют поликри­сталлическими (поли — много).

Расположение кристаликов в поликристаллическом металле можно изменять, подвергая его механической обработке (прокатке между вальцами прокатного стана, ковке молотом и т. д.) и термической обработке (от­жигу, т. е. нагреву до определённой температуры и по­следующему медленному охлаждению, закалке, т. е. на­греву и быстрому охлаждению, и т. д.). Под действием этих обработок кристалики меняют своё положение в теле и деформируются (растягиваются в одном направлений и сжимаются в другом). При этом атомы, из которых состоят кристалики, могут несколько «выходить» со своих мест, что нарушает правильность кристаллической ре­шётки.

Тот же результат дают примеси различных элементов. Металл редко бывает свободным от примесей. Атомы при­месей могут располагаться или между отдельными кри-
сталиками, или в решётке самого кристалла. Это также искажает решётку и приводит её в напряжённое состояние. Атомы посторонних веществ, находясь вблизи атомов ферромагнитного тела, влияют на их электрическое и маг­нитное взаимодействие, а это может привести к существен­ному изменению самопроизвольной намагниченности, а часто и к исчезновению её.

Количество примесей может изменяться в весьма широ­ких пределах вплоть до той величины, когда оно уже пере­станет быть «примесью», т. е. когда мы получаем уже смесь или раствор двух веществ. Такое смешанное веще­ство и называется сплавом.

В некоторых сплавах атомы одного вещества распола­гаются в кристаллической решётке второго строго опре­делённым образом. Такие сплавы называются упорядо­ченными. В других сплавах, наоборот, атомы примеси рас­полагаются без всякого порядка. Такие сплавы назы­ваются неупорядоченными.

Как же влияют все эти особенности строения, или, как часто говорят, структуры вещества, на процесс намагни­чивания?

Прежде всего посмотрим, как происходит процесс на­магничивания в одном отдельном кристалле ферромагнит­ного материала. Чтобы изучить этот процесс, получают отдельные кристаллы железа, никеля, кобальта и сплавов достаточно больших размеров, чтобы на них можно было проводить магнитные измерения. Такая задача очень трудна и требует много времени. Для приготовления, на­пример, кристалла никеля необходимо медленно, в тече­ние многих суток, охлаждать расплавленный никель от точки плавления до комнатной температуры. При этом в отдельных местах расплава возникают зародышевые кри­сталлы, которые затем вырастают до больших размеров.

Измерения магнитных свойств таких кристаллов дали интересные результаты. Оказывается, в некоторых направ­лениях намагничивание кристалла происходит легко и на­сыщение достигается даже в слабых полях; в других же направлениях намагнитить кристалл гораздо труднее — для этого требуются очень сильные поля.

Иными словами, магнитные моменты областей под дей­ствием поля в одних направлениях по отношению

3 К. П. Белоз

К решётке кристалла поворачиваются сравнительно сво­бодно, а в других — так, как будто их повороту препят­ствуют какие-то силы. Это явление получило название магнитной анизотропии (анизотропия — неодинаковость свойств в различных направлениях кристалла), а силы, препятствующие повороту магнитных моментов — силами магнитной анизотропии. Направления, в которых эти мо­менты поворачиваются свободно, называются осями лёгкого намагничивания. Направления же, в которых они поворачиваются с трудом, называются осями трудного намагничивания.

Расположение осей лёгкого намагничивания в кристал­лических ячейках железа, никеля, а также и кобальта, по­казано на рис. 21 стрелками.

Магнитные моменты областей «предпочитают» распо­лагаться в кристалле вдоль направлений лёгкого намагни­чивания, так как для них эти направления более устой­чивы, чем направления трудного намагничивания.

Выражаясь образно, мы можем сказать, что область, магнитный момент которой расположен вдоль оси лёгкого намагничивания, лежит как бы в «яме» и поэтому нахо­дится в устойчивом равновесии. Область же, магнитный момент которой расположен вдоль оси трудного намагни­чивания, лежит на «горбе» и, следовательно, находится в неустойчивом равновесии. Если есть достаточно сильное магнитное поле, направленное по оси трудного намагни­чивания, то область благодаря ему ещё может удер­жаться на «горбе». Поле как бы преодолевает силы ани­зотропии, которые «тянут» магнитный момент области в направлении лёгкого намагничивания, т. е. в «яму». Чем больше силы анизотропии, тем большее поле нужно при­ложить, чтобы преодолеть эти силы. Если поле выклю­чить, то область не может удержаться на «горбе» и «па­дает» в «яму», т. е. её магнитный момент резко поворачи­вается в направление лёгкого намагничивания. При этом выделяется некоторое количество тепла, подобно тому, как это происходит при обычном падении тела на землю. Поворот магнитного момента области и обусловливает тепло гистерезиса.

Имеются и другие причины этого явления, на которых мы останавливаться не будем.

Существование магнитной анизотропии объясняется тем, что в кристалле между атомами действуют магнит­ные силы. Так как межатомные расстояния в кристалли­ческой решётке неодинаковы (например, диагональ куби­ческой ячейки всегда больше её ребра), то и силы в раз­ных направлениях кристалла различны. Таким образом, магнитная анизотропия определяется характером кри­сталлической решётки ферромагнетика. Хотя магнитное

Взаимодействие мало по величине и, как мы видели, не может вызвать самопроизвольной намагниченности, тем не менее оно играет исключительно важную роль, ибо обусловливает силы анизотропии, которые определяют «поведение» областей самопроизвольной намагниченности в кристалле.

В выяснении природы магнитной анизотропии боль­шую роль сыграли работы физиков Московского универ­ситета.

Изучив «поведение» областей в кристалле, мы выяс­нили одну из причин того, почему одни материалы для намагничивания до насыщения требуют малых полей, а другие — больших. Поскольку реальные магнитные мате­риалы представляют поликристаллические тела, в которых кристаллы ориентированы беспорядочным образом (рис. 22, а), то и направления лёгкого и трудного на­магничивания здесь распределены беспорядочно. Поэтому магнитная анизотропия в поликристаллах незаметна. Но тем не менее она будет сказываться, ибо для того, чтобы повернуть магнитные моменты областей в направ­лении поля, надо преодолеть силы анизотропии в тех
кристаллах, в которых оси лёгкого намагничивания не совпадают с ним. Чем больше силы анизотропии, тем большее магнитное поле необходимо, чтобы намагнитить материал до насыщения. Если большая часть кристаллов в таком материале расположена так, что направления лёгкого намагничивания совпадают или близки к совпаде­нию с направлением поля, то материал намагничивается сравнительно легко.

Материал, у которого большая часть кристаллов по­вёрнута в одном направлении (рис. 22, в), называют текстурованным. Текстуру в материале можно получить искусственным путём. Для этого материал нужно, напри­мер, прокатать между вальцами прокатного стана (рис. 22, б). В этом случае возникает кристаллическая текстура, т. е. кристалики располагаются в направлении прокатки. Подбирая направление текстуры и вид термиче­ской обработки, можно изменять магнитные свойства в нужную сторону.

На поведение областей сильное влияние оказывают также механические напряжения. Например, при растя­жении или сжатии ферромагнитного материала атомы смещаются со своих нормальных положений; это приводит к изменению характера магнитного взаимодействия в кристалле.

В результате, кроме обычной магнитной анизотропии, возникает так называемая магнитоупругая анизотропия, вызванная дополнительным магнитным взаимодействием атомов вследствие искажения решётки.

Магнитоупругая анизотропия, как и обычная магнит­ная анизотропия, очень сильно изменяет характер на­магничивания ферромагнетиков. При намагничивании, на­пример, сильно растянутого (внешними силами) никеле­вого образца трудно получить магнитное насыщение даже в очень сильном магнитном поле. Наоборот, если никеле­вый образец подвергается сжатию, то насыщение может быть получено в слабом магнитном поле.

Магнитоупругая анизотропия присутствует в материа­лах и в том случае, если внешние силы не действуют, так как в материалах всегда имеются так называемые внут­ренние механические напряжения, искажающие решётку. Если материал подвергнуть длительному отжигу, то внут­
ренние напряжения, а следовательно, и магнитоупругая анизотропия, пропадают.

Учёные установили, что намагничивание ферромагне­тиков происходит не только путём поворота магнитных моментов областей в направлении поля. Полное намагни­чивание осуществляется за счёт трёх процессов.

На рис. 23, а схематически показано расположение гра­ниц областей в ферромагнетике в отсутствие поля. Допу­стим, что наложено поле, которое направлено по стрелке, Направление маенитмго лпля

Тного ппля J

/ /

Нарисованной над ферромагнетиками (рис. 23). Тогда границы между областями смещаются вправо, причём объём области, магнитный момент которой близок к на­правлению поля, будет увеличиваться (рис. 23, б ив). Этот процесс называется «смещением»; он обычно проис­ходит в слабых магнитных полях. После того, как оста­нется одна область, а остальные будут как бы поглощены ею, при дальнейшем увеличении поля (увеличение длины стрелок на рис. 23 указывает,

Намагничивание ферромагнетиков — Студопедия

Ферромагнетики(железо, никель, кобальт и их сплавы с алюминием, медью, хромом, серебром) – это сильномагнитные материалы, у которых магнитная проницаемость (μ) намного больше единицы.

Электроны в ферромагнетиках, двигаясь по орбитам вокруг ядра атома, образуют элементарные токи, которые создают отдельные самопроизвольно намагниченные области (домены), имеющие разные направления микроскопических внутренних магнитных полей (рис. 2.6, а). Если ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле, то все домены разворачиваются вдоль внешнего поля, то есть ферромагнетик намагничивается (рис. 2.6, б).

а) б)

Поместим ферромагнитный сердечник в катушку с током I. (рис. 2.7). Ток, протекающий по катушке, создает вокруг витков катушки магнитное поле с напряженностью Н. Ферромагнитный сердечник под действием этого поля будет намагничиваться, т.е. в нем создается магнитная индукция В. Если по катушке протекает переменный ток частотой 50 Гц, (изменяющийся по величине и направлению 50 раз в секунду), то ферромагнитный сердечник в такой катушке будет перемагничиваться с такой же частотой.

Рис. 2.8 Петля гистерезиса Рис. 2.9

Петля гистерезиса (кривая намагничивания) — это график зависимости магнитной индукции ферромагнетика — В от напряженности магнитного поля — Н при намагничивании ферромагнетика (рис. 2.8).

Последовательность намагничивания ферромагнетика (рис. 2.8)

1) Кривая намагничивания начинается из нуля (точка 0), то есть, при Н = 0, В = 0.

2) При увеличении напряженности поля (Н), магнитная индукция (В) быстро растет (участок 0А) и достигает предельного значения +В_м (горизонтальный участок после точки А).

3) При уменьшении Н, магнитная индукция В тоже уменьшается, но медленнее (участок АВ).

При Н = 0 магнитная индукция имеет значение В_r – остаточная индукция.

4) При изменении направления намагничивающего тока меняется и направление напряженности поля (участок БГ). При Н = Н_с (точка Г), по­лучим индукцию В = 0. Значение Н_с называетсякоэрцитивной силой.

5) При дальнейшем увеличении Н обратного направления (участок ГД) маг­нитная индукция достигнет зна­чения –В_м – максимальная намагниченность обратного направления.

6) При уменьшении Н до нуля (участок ДЕ), получим уменьшение В до значения остаточной индук­ции (отрезок ОЕ).

7) Изменив еще раз направление Н и увеличивая ее (участок ЕЖА), снова получим остаточную индукцию +В_r

Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затрачиваемой на намагничивание, поэтому ферромагнетики с узкой петлей гистерезиса легко перемагничиваются и наоборот.

Потери на гистерезис — это потери электроэнергии на нагрев при перемагничивании ферромагнетиков.

Магнитомягкие материалы – это ферромагнитные материалы с узкой петлей гистерезиса (рис. 2.9, а) и малыми потерями на гистерезис (техническое железо, низкоуглеродистая сталь, железо-никелевые сплавы). Применяются для изготовления магнитопроводов трансформаторов и электрических машин.

Магнитотвердые материалы – это ферромагнетики с широкой петлей гистерезиса (рис. 2.9, б), то есть с большой остаточной индукцией (В_r) (углеродистые, вольфрамовые, хромистые, кобальтовые стали). Применяются для изготовления постоянных магнитов.

Магнитные свойства материалов — учебный материал для IIT JEE

• Полный курс физики — 11 класс

• ПРЕДЛАГАЕМАЯ ЦЕНА: рупий.2 968

• Просмотр подробностей

Магнитные свойства материалов

Магнитное поле: Магнитное поле — это воображаемая силовая линия вокруг магнита, которая позволяет другим ферромагнитным материалам отталкиваться или притягиваться к нему.Силовые линии магнитного поля образуются из-за различных причин, таких как орбитальное движение электронов, ток, протекающий в проводнике и т. Д.

Рис. Линии поля вокруг стержневого магнита

Свойства линий магнитного поля

• Силовые линии магнитного поля обычно проходят через южный полюс и выходят из северного полюса.

• Силовые линии магнитного поля вблизи полюсов магнита сильные.

• Нет возможности пересечения силовых линий магнитного поля друг с другом.

• Чем ближе линии магнитного поля, тем больше сила магнита.

Напряженность магнитного поля

Предположим, что катушка с током создала магнитное поле H, как показано на диаграмме ниже:

Тогда значение H равно,

H = нИ / л (А / м)

Где n — количество витков соленоида, а l — длина цилиндра.

Плотность магнитного потока (B)

Когда вещество подвергается воздействию магнитного поля H, то плотность линий магнитного поля, которые проходят через вещество на квадратный метр, известна как Плотность магнитного потока . Выдается

B = μ X H (тесла или Вебер / м ² )

Где μ называется проницаемостью и определяется как степень намагничивания вещества. Значение проницаемости в вакууме определяется как

м = 4 пикселя 10 ^-7 (В / м)

Магнитные моменты

Движение электронов в атомах порождает явление, называемое магнетизмом.В основном с электронами связаны два типа движений:

Спиновый и орбитальный моменты сообщают магнитный момент каждому электрону, заставляя их вести себя как крошечные магниты.

Сила вращения, испытываемая магнитом, когда он помещен в магнитное поле, перпендикулярное его магнитной оси, определяется как Магнитный Момент магнита .

Классификация магнитов

В зависимости от свойств магнитов, описанных выше, магниты можно классифицировать как:

• Диамагнитный

• Парамагнитный

• Ферромагнитный

• Ферримагнитный

• Антиферромагнитный

Диамагнитное вещество

Диамагнитные вещества отталкиваются магнитами из-за того, что они создают отрицательную намагниченность. Чистый магнитный момент равен нулю в диамагнитном веществе , потому что, когда к диамагнитному веществу прикладывается внешнее поле, магнитный момент электронов выравнивается по направлению, противоположному направлению приложенного поля. Каждый элемент периодической таблицы обладает свойством диамагнетизма, но некоторые элементы, такие как Cu, Al ₂ O _3, Si, Zn, обладают более сильными диамагнитными свойствами.

Рис: Расположение электронов против магнитного поля (H)

Парамагнитное вещество

В парамагнитном материале существует небольшой магнитный момент, поскольку чистый магнитный момент не отменяется полностью.Магнитные моменты в парамагнитных материалах выровнены случайным образом, и когда они подвергаются воздействию внешнего магнитного поля, эти магнитные моменты выравниваются в направлении приложенного магнитного поля H. Пример парамагнитных материалов включает Al, Cr, Mo, Ti, Zr.

Ферромагнитное вещество

В отличие от диамагнетиков или парамагнетиков, те материалы, которые имеют тенденцию оставаться намагниченными даже при удалении магнитного поля, проявляют ферромагнетизм. Это явление также известно как гистерезис , а график между вариациями магнетизма и магнитным полем называется Петля гистерезиса . Однако в какой-то момент или при определенной температуре ферромагнитные материалы имеют тенденцию терять свои магнитные свойства. Эта температура или точка известна как точка Кюри или температура Кюри .

Рис: Петля гистерезиса

Ферри-магнитное вещество

Основное различие между ферромагнитным материалом и ферромагнитным материалом состоит в том, что некоторые магнитные домены в ферри-магнитном материале указывают в одном направлении, а некоторые — в противоположном.В то время как в случае ферромагнитного материала все магнитные домены указывают в одном направлении.

Антиферромагнитное вещество

В антиферромагнитном материале магнитные моменты атомов или молекул, обычно связанные со спином электронов, выстраиваются по регулярной схеме с соседними спинами в противоположных направлениях. MnO является примером антиферромагнетизма.

Классификация элементов таблицы Менделеева на основе магнитных свойств

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1 кв.Что такое магнитный материал?

Sol. Магнитный материал — это материал, который под действием своего магнитного поля может притягивать или отталкивать другие вещества. Действие притяжения или отталкивания вещества зависит от расположения электронов, известного как Магнитный момент , в веществе, когда оно находится под действием внешнего магнитного поля.

2 кв. Какие свойства у магнита?

Sol. Свойства магнита:

• Северный полюс одного магнита всегда притягивается к южному полюсу другого магнита и наоборот.

• Магнит обладает собственными силовыми линиями магнитного поля из-за различных факторов, таких как протекание тока, орбитальный спин электрона, магнитный момент и т. Д.

• Поведение магнита всегда изучается по отношению к магнитному полю Земли.

3 кв.Что подразумевается под парамагнитным материалом?

Sol. Парамагнитный материал — это вещество с низкой магнитной восприимчивостью. Чистый магнитный момент в парамагнитных веществах не отменяется полностью, и, следовательно, они имеют очень небольшую магнитную силу. Пример парамагнитных материалов включает Al, Cr, Mo, Ti, Zr.

Посмотрите это видео, чтобы получить дополнительную информацию

Другие показания

Магнитные свойства материалов

Особенности курса

• 101 Видеолекция
• Примечания к редакции
• Документы за предыдущий год
• Ментальная карта
• Планировщик обучения
• Решения NCERT
• Обсуждение Форум
• Тестовая бумага с видео-решением

.

Ферромагнетизм — Engineering LibreTexts

Магнетизм — явление, которое веками пленило человечество. Существует пять различных типов магнетизма: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм. Средний человек вспоминает, что ферромагнетизм является наиболее распространенным явлением. Это потому, что большинство людей когда-нибудь сталкивались с постоянными магнитами, и они сделаны из ферромагнитного материала. Это действительно похоже на парамагнитный материал, но с одним важным отличием, которое их разделяет.

Парамагнетизм не имеет чистого магнитного поля, потому что спины электронов направлены в разные стороны. Это означает, что когда рядом с парамагнитным материалом помещается сильный магнит с положительным или отрицательным притяжением, частичное выравнивание спинов приведет к слабому притяжению. Где, как в ферромагнетизме, все спины электронов направлены в одном направлении. Это то, что заставляет постоянные магниты притягиваться через противоположные полюса, с юга на север и наоборот, а также отталкиваться, когда одни и те же полюса обращены друг к другу.

Использование ферромагнитных материалов

Наиболее распространенными ферромагнитными материалами являются кобальт, железо, никель, а также магнитный камень, намагниченный естественным образом, и соединения других редкоземельных металлов. Обычное использование ферромагнитных материалов, влияющих на нашу повседневную жизнь, — это магнитное хранилище в форме данных. В противном случае считается энергонезависимым хранилищем, поскольку данные не могут быть потеряны, когда устройство не работает. Преимущество этого метода хранения заключается в том, что это одна из самых дешевых форм хранения данных, а также возможность повторного использования.Все это возможно из-за гистерезиса.

Когда ферромагнитные материалы намагничиваются в определенном направлении, они теряют способность терять намагниченность (гистерезис). Это означает, что он не сможет вернуться в исходное состояние без какого-либо намагничивания. Но может быть применено другое противоположное магнитное поле, которое приведет к созданию петли гистерезиса, как показано на рисунке 1. В конечном итоге это уникальный эффект, который позволяет этим материалам сохранять данные после того, как намагничивающее поле падает до нуля.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \):: Петля гистерезиса для ферромагнитного материала, изображает уменьшение магнитного поля (H), а затем увеличение, когда оно возвращается к исходной начальной точке.

Намагничивание ферромагнитных материалов

Ферромагнитные материалы содержат уникальные магнитные моменты, которые выровнены параллельно друг другу в одном направлении (рис. 2). Все другие типы намагничивания имеют моменты более чем в одном направлении.Ферромагнетизм — единственная намагниченность с одинаковыми моментами направления. Приводя к притяжению или отталкиванию с другими магнитными материалами. Северные полюса притягивают южные полюса, а те же полюса отталкивают друг друга (с севера на север, с юга на юг). У них будут равные противоположные моменты, отталкивающие друг друга. На рисунке 2 ниже показаны магнитные моменты в ферромагнитных материалах. Они имеют одинаковую величину и упорядочены без магнитного поля.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \):: Магнитные моменты в ферромагнитных материалах

Классическое объяснение

Теория Вейсса (Hw) описывает, как молекулярное поле Вейсса пропорционально намагниченности ферромагнитного материала, как показано в уравнении ниже.Где B представляет собой константу пропорциональности.

$$ \ H_ \ omega = \ beta M \ label {1} ​​$$

Уравнение \ ref {2} ниже описывает полное магнитное поле с \ (H \) в качестве внешнего поля.

\ [\ H_ {tot} = H + H_ \ omega = H + \ beta M \ label {2} \]

Из-за сходства с парамагнетизмом приведенное ниже уравнение может быть решено и заменено на \ (H \) в функции Ланжевена.

\ [\ a = \ mu_o m_ \ beta \ dfrac {H_ (tot)} {k T} \ label {3} \]

\ [\ dfrac {M} {M_S} = L (\ dfrac {\ mu_o m_ \ beta (H + \ beta M)} {kT}) \ label {4} \]

\ [\ dfrac {Nm_b} {v} = M_S \ label {5} \]

Нет внутреннего поля выше температуры Кюри \ (T_c \), решение уравнения \ ref {1} дает BM, равное 0.2} {v3k (T-T_c)} = X_F \ label {6} \]

Квантово-механическое объяснение

Квантово-механические явления — более точный способ описания ферромагнетизма, поскольку разрешены только определенные углы магнитного движения. С классической точки зрения разрешены все углы, поскольку теория Ланжевена делает этот метод крайне маловероятным. Следовательно, приведенный ниже нормированный степенной закон с гаммой 0,5 является точным представлением явления ферромагнетизма.

\ [\ dfrac {M_S (T)} {M_S (T_o)} = \ dfrac {T_c — T} {T_c} \ label {7} \]

Температурная зависимость

Ниже температуры Кюри спины ферромагнитного материала имеют одинаковую величину и хорошо упорядочены.Когда достигается температура Кюри, это означает, что моменты становятся случайно выровненными, а это означает, что предел спиновой связи был превышен, что вызывает разрушение связи, заставляя материал действовать парамагнитно. Глядя на рисунок 3 ниже, он показывает, как моменты выравниваются ниже температуры Кюри (в ферромагнетике), но затем выше температуры Карри он становится парамагнитным. За счет образования случайно расположенных спинов.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \):: кривая представляет зависимость намагниченности от абсолютной температуры ферромагнитных материалов.Ниже температуры Кюри (Т Гури) намагниченность является ферромагнитной с выровненными моментами, а выше — парамагнитной с невыровненными моментами.

вопросов

1. В чем разница между ферромагнетизмом и парамагнетизмом?
2. Объясните, почему и как ферромагнетизм ведет себя выше и ниже Кюри?
3. Каково общее применение материалов ферромагнетизма и почему / как оно работает?

Ответы

1. Ферромагнитные материалы имеют однородные электронные спины, направленные в одном направлении, в то время как парамагнетики имеют спины во всех направлениях.Это заставляет ферромагнетики иметь сильные силы притяжения или отталкивания, когда они вводятся в постоянный магнит. С другой стороны, ферромагнетики имеют слабое притяжение к сильным постоянным магнитам.
2. Моменты выравниваются ниже температуры Кюри (в ферромагнетике), но затем выше температуры Карри он становится парамагнитным. Это ожидается, потому что ниже температуры Кюри спины имеют одинаковую величину с порядком. Но затем прохождение температуры Кюри означает, что моменты станут случайно выровненными, что приведет к разрыву связи, что сделает материал парамагнитным.
3. Обычно ферромагнитные материалы используются в системах хранения данных. Это потому, что это дешевле, чем другие методы, и со временем диски можно стирать и использовать снова. Это возможно потому, что после намагничивания ферромагнитные материалы теряют способность к размагничиванию. В результате продолжается парамагнитное намагничивание с внешним источником тока или без него.

Список литературы

1. S.O.Kasap, Основы электронных материалов и устройств . Макгроу-Хилл, 2006
2. Р. Э. Хаммель, Электронные свойства материалов . Springer New York, 2013. стр. 347-371
3. Ферромагнетизм . N.p., n.d. Интернет. 07 декабря 2015.
4. Британская энциклопедия онлайн . Британская энциклопедия, без даты. Интернет. 06 декабря 2015.

Авторы и авторство

• Хосе Андраде, Материаловедение и инженерия — Калифорнийский университет, Дэвис

.