ТЕМА 8. Магнитные свойства тугоплавких неметаллических и силикатных материалов

Магнитные свойства вещества – это его способность взаимодействовать с внешним магнитным полем, а вещества, обладающие этой способностью, называются магнетики.

Мерой такой способности является магнитный момент () или намагниченность (), которая представляет собой магнитный момент единичного объема (V):

(107)

Намагниченность является векторной величиной, возрастающей с увеличением магнитной индукции и напряженности поля:

(108)

где m₀ – магнитная постоянная; m – относительная магнитная проницаемость среды, показывающая во сколько раз магнитная индукция в данном объеме больше, чем магнитная индукция в вакууме; – магнитная восприимчивость; – магнитная индукция; – напряженность поля.

По абсолютному значению и знаку магнитной восприимчивости все вещества делятся на четыре группы:

– диамагнетики;

– парамагнетики;

– ферромагнетики;

– антиферромагнетики.

Магнитная восприимчивость – величина безразмерная, но может быть рассчитана на 1 кг вещества, в этом случае она называется удельной магнитной восприимчивостью или на один моль – молярная магнитная восприимчивость.

Если < 0, то вектор намагниченности антипараллелен вектору напряженности поля. Магнетики, обладающие такими свойствами, называются диамагнетиками. Такие тела намагничиваются в направлении, противоположном магнитному полю вследствие чего они выталкиваются из него.

Если > 0, то вектор намагниченности параллелен вектору напряженности поля и магнетики, обладающие такими свойствами, называются парамагнетиками. Такие тела намагничиваются в направлении магнитного поля и притягиваются магнитным полем.

Рис. 71. Зависимость намагниченности от напряженности поля для диамагнетиков (1) и парамагнетиков (2)

В большинстве случаев, как видно из рис. 71, по модулю магнитная восприимчивость парамагнетиков превышает магнитную восприимчивость диамагнетиков. Вместе с тем, линейный ход зависимости I=f (H) для парамагнетиков наблюдается только в области слабых полей и при высоких температурах.

В сильных полях и при низких температурах вектор намагниченности постепенно выходит на уровень «насыщения». Как для парамагнетиков, так и для диамагнетиков в отсутствии магнитного поля I = 0.

Кроме диа- и парамагнетиков существует большая группа веществ, обладающих спонтанной намагниченностью, т.е. имеющих I¹ 0 даже в отсутствии магнитного поля. Эта группа магнетиков называется ферромагнетиками. Для них характерен нелинейных ход зависимости I=f (H) и полный цикл перемагничивания характеризуется петлей гистерезиса. Для ферромагнитных веществ характерны большие значения магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости среды; такие материалы притягиваются магнитным полем.

У антиферромагнетиков значения магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости больше нуля и сравнимы по величине со значениями парамагнитных веществ.

Природа возникновения магнитных свойств и происхождение магнитного момента свободного атома обусловлены следующими причинами:

– наличием спина, которым обладают все электроны;

– наличием у всех электронов орбитального момента связанного с их вращением вокруг ядра;

– изменение орбитального момента при наложении внешнего магнитного поля.

В парамагнитных материалах спины неспаренных электронов различных атомов могут быть оритентированы случайным образом (рис. 72, а).

Для ферромагнетиков все спины неспаренных электронов выстраиваются параллельно и материалы характеризуются общим магнитным моментом (рис. 72, б). При непараллельной упорядочности спинов неспаренных электронов общий магнитный момент равен нулю и такие вещества называются антиферромагнетиками (рис. 72, в). Если спины неспаренных электронов непараллельны, но количество спинов, ориентированных в противоположных направлениях разное, то общий магнитный момент не равен нулю и такие вещества называются ферримагнетиками (рис. 72, г).

Рис. 72. Расположение магнитных моментов в магнетиках: а) парамагнетик; б) ферромагнетик; в) антиферромагнетик; г) ферримагнетик

Кроме вышеназванных особенностей магнетики различаются также температурной зависимостью магнитной восприимчивости.

Для многих парамагнитных веществ выполняется закон Кюри, согласно которому магнитная восприимчивость обратно пропорциональна температуре:

(109)

Рис. 73. Графическое выражение закона Кюри и Кюри-Вейса

где С – постоянная Кюри.

Однако в области низких температур (рис.73) экспериментальные данные лучше всего согласуются с законом Кюри‑Вейса:

(110)

где Q ‑ константа Вейса.

Для ферро- и антиферромагнетитных материалов температурная зависимость магнитной восприимчивости не отвечает закону Кюри‑Вейса. Ферромагнитные материалы при низких температурах обладают большой магнитной восприимчивостью, которая резко изменяется по мере роста температуры. Выше температуры Кюри (Т_С) материал теряет ферромагнитные свойства и превращается в парамагнетик (рис. 74, II Š I).

Рис. 74. Температурная зависимость магнитной восприимчивости парамагнетиков (I), ферромагнетиков (II) и антиферромагнетиков (III)    

Магнитная восприимчивость антиферромагнетиков возрастает с повышением температуры и при определенной температуре – температуре Нееля (Т_N) превращается в парамагнетик (рис. 74, III Š I).

В любых материалах рост температуры приводит к тепловой энергии ионов и электронов, что обуславливает повышение структурной разупорядоченности. В парамагнитных материалах тепловая энергия ионов и электронов способствует частичному упорядочению расположения доменов, возникающего под действием внешнего магнитного поля. В ферро- и антиферромагнитных материалах влияние температуры сводится к разупорядочению спинов в их параллельном и антипараллельном расположении.

Ферромагнитные вещества имеют доменную структуру. Внутри домена все спины ориентированы параллельно, но различные домены имеют разную ориентацию спинов. Под действием внешнего магнитного поля в ферромагнитных веществах кривой зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля наблюдается гистерезис подобно гистерезису на зависимостях поляризации от напряженности поля в сегнетоэлектрических материалах (рис. 64).

При достаточно больших значениях напряженности магнитного поля достигается намагниченность насыщения, когда спины всех доменов ориентированы параллельно друг другу. При намагничивании и размагничивании веществ в магнитных полях противоположного направления происходит рассеивание энергии в виде тепла. Величина магнитной энтальпии, потерянной в течение полного цикла (намагничивание-размагничивание), пропорциональна площади петли гистерезиса. Эта энергия носит названиемагнитные потери на гистерезис.

Напряженность обратного магнитного поля, которое необходимо приложить, чтобы достичь полной размагниченности материала, называется коэрцитивной (удерживающей) силой (Н_С).

Рис. 75. Типичная петля гистерезиса для магнито-твердого ферромагнитного материала

Материалы с высокими значениями Н_С называются магнито-твердыми. На рис. 75 представлена типичная петля гистерезиса для магнитно-твердого (с большими потерями) ферромагнитного материала. С увеличением напряженности магнитного поля от исходной (нулевой) точки 1 намагничивание идет по штриховой линии 1 – 2, причем величина магнитного момента существенно изменяется по мере того, как возрастает намагниченность образца. В точке 2 достигается насыщение, т.е. при дальнейшем увеличении напряженности намагниченность больше не увеличивается. Если теперь постепенно уменьшать величину H до нуля, то кривая B=f (H) уже не следует по прежнему пути, а проходит через точку 3, обнаруживая как бы «память» материала о «прошлой истории», откуда и название «гистерезис». Очевидно, что при этом сохраняется некоторая остаточная намагниченность (отрезок 1 – 3). После изменения направления намагничивающего поля на обратное кривая В=f (Н) проходит точку 4, причем отрезок 1 – 4 соответствует коэрцитивной силе, препятствующей размагничиванию. Дальнейший рост значений (- H) приводит кривую гистерезиса в третий квадрат – участок 4 – 5. Следующее за этим уменьшение величины (- H) до нуля, а затем возрастание положительных значений H приводит к замыканию петли гистерезиса через точки 6, 7 и 2.

Материалы с низкими значениями Н_С называются магнито-мягкими. Они характеризуются низкой магнитной проницаемостью и их петля гистерезиса является более узкой с малой площадью (рис. 76, а). К ним относится большая группа материалов, таких как мягкая сталь, специальные сплавы с большой магнитной проницаемостью, а также некоторые виды магнитной керамики. Такие материалы и были созданы с целью снижения обусловленных гистерезисом энергетических потерь. Большинство подобных специальных материалов, как и ферриты, обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и элек

Рис. 76. Сопоставление кривых гистерезиса магнито-мягкого (а) и магнито-твердого (б) материалов    

трические, обусловленные вихревыми токами.

Магнито-твердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса (рис. 76, б), охватывающей значительную площадь на диаграмме и соответствующей большим значениям остаточной намагниченности (магнитной индукции) и коэрцитивной силы Н_С, а также большой остаточной намагниченностью. Такие материалы трудно размагнитить, поэтому их используют в качестве постоянных магнитов.

Многие магнитные материалы обладают магнитострикцией – способностью к изменению формы при намагничивании. Например, никель и кобальт сжимаются в направлении намагничивания и растягиваются в перпендикулярном направлении. В качестве величины магнитострикции используют коэффициент магнитострикции:

(111)

Среди ТНиСМ наибольшее распространение получила магнитная керамика на основе феррошпинелей (ферриты), некоторые свойства которой представлены в табл. 11.

Таблица 11

Дата добавления: 2014-01-07