Электроэнергетический факультет Кафедра электроснабжения и эксплуатации электрооборудования Учебная дисциплина ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

ТЕМА 5 Магнитные материалы Магнитные материалы ЛЕКЦИЯ 12 Физические процессы в магнитных материалах

Учебные цели 1. Знать классификацию веществ по магнитным свойствам. 2. Знать природу ферромагнитного состояния и процессы в ферромагнетиках.

Учебные вопросы Введение 1. Классификация веществ по магнитным свойствам. 2. Природа ферромагнитного состояния. 3. Процессы при намагничивании ферромагнетиков. Заключение

Список рекомендуемой литературы 1. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение: Пособие. СтГАУ, АГРУС, – 196 с. 2. Привалов Е.Е., Гальвас А.В. Электротехнические материалы: Пособие. СтГАУ, АГРУС, – 192 с. 3. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение: Лабораторный практикум. Тесты. СтГАУ, АГРУС, – 196 с. 4. Справочники по ЭТМ в 3 томах /Под ред. Ю.В. Корицкого – М.: Энергоатомиздат Т.1,1986 – 308 с.;Т.2,1987. – 296 с.; Т.3,1988 – 728 с.

Введение Все материалы при внесении их во внешнее магнитное поле намагничиваются. Намагничивание ЭТМ характеризуют: магнитная индукция B (Тл); напряженность магнитного поля H (А/м); магнитный поток Ф (Вб); намагниченность J (А/м). Намагниченность J М = k M Н (1) где k M - магнитная восприимчивость ЭТМ.

Магнитная индукция (2) где μ 0 - магнитная постоянная; μ - относительная магнитная проницаемость. Первопричина магнитных свойств материалов - внутренние скрытые формы движения электрических зарядов (элементарных круговых токов) обладающих магнитными моментами.

1. Классификация веществ по магнитным свойствам Все магнетики делят на пять групп: 1. Диамагнетики (ДМ). 2. Парамагнетики (ПМ). 3. Ферромагнетики (ФМ). 4. Антиферромагнетики (АФМ). 5. Ферримагнетики (ФрМ). Известно пять типов магнитного состояния веществ: диа -, пара -, ферро -, анти ферро - и ферримагнетизм.

1. Диамагнетики (k M < 0) – вещества с нулевым магнитным моментом атомов или молекул (без внешнего магнитного поля). ДМ эффект есть у всех веществ (маскируется более сильными магнитными эффектами). ДМ: инертные газы, водород, азот; жидкости (вода, нефть); металлы (медь, серебро, цинк, золото); полупроводники - (германий, кремний); вещества с ковалентной связью. Внешнее проявление ДМ - выталкивание ЭТМ из неоднородного магнитного поля.

2. Парамагнетики (k M > 0) – ЭТМ с ненулевым магнитным моментом атомов (электронов) без внешнего магнитного поля. Закон Кюри. Восприимчивость k M ПМ обратно пропорциональна температуре Т К. ПМ в неоднородном магнитном поле имеют момент J М > 0 и втягиваются в него. К ПМ относятся: кислород, окись азота, щелочные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

3. Ферромагнетики (k M >> 0) – твердые вещества с спонтанной намагниченностью зависящей от внешних воздействий. ФМ имеют внутреннюю магнитную упорядоченность (области с параллельно ориентированными магнитными моментами). ФМ способны намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях. ФМ – кристаллы железа, кобальта, никеля и ряда сплавов (редкоземельных металлов).

4. Антиферромагнетики, если температура ниже критической спонтанно возникает антипараллельная ориентация магнитных моментов атомов кристаллической решетки. АФМ имеют небольшую восприимчивость которая сильно зависит от Т 0 С (при нагреве переходят в парамагнитное состояние). АФМ: хром, марганец и ряд редкоземельных металлов. Типичные АФМ - простые химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов.

5. Ферримагнетики (k M >> 0) – вещества обладающие анти ферромагнитными свойствами, т.е. восприимчивость магнетика сильно зависит от напряженности поля и температуры. Таким образом, слабомагнитные вещества диа-, пара- и анти ферромагнетики, а ферро - и ферримагнетики сильномагнитные материалы.

2. Природа ферромагнитного состояния Особые свойства ферромагнетиков обусловлены их доменным строением. Домены - макроскопические области, намагниченные до насыщения даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Спонтанная намагниченность появляется за счет сил обменного взаимодействия квантового характера между ядрами и электронами ФМ.

Для двух атомов в молекуле водорода энергия обменного взаимодействия: Э А = -А (s 1 s 2 ) (3) где А - обменный интеграл; s 1 и s 2 - единичные векторы (направления спиновых моментов взаимодействующих электронов). Из - за неразличимости электронов 1 и 2 энергетическое состояние молекулы не меняется и происходит обобществление электронов вещества (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема электростатического взаимодействия электронов (1, 2) и ядер (а, б) в двухатомной молекуле

Между атомами а и б возникают силы притяжения (ковалентная связь). Обменный интеграл А характеризует влияние магнитной упорядоченности на энергию молекулы. Численное значение и знак определяются степенью перекрытия электронных оболочек - отношения a / d, где a – расстояние между атомами, d - диаметр оболочки, содержащей некомпенсированные спины (рисунок 2).

Рисунок 2 - Зависимость обменного интеграла А от степени перекрытия электронных оболочек соседних атомов (отношения a/d)

Парамагнетики. Если расстояние a в 4 раза превышает диаметр d, то энергия Э А мала, а обменные силы не противодействуют тепловому движению и не вызывают упорядоченное расположение спинов магнетика. Ферромагнетики. При уменьшении расстояния a интеграл А возрастает, усиливается обменное взаимодействие и возникает параллельная ориентация спинов вещества. Антиферромагнетики. При сближении атомов интеграл А изменяет знак, т.к. энергетически выгодно антипараллельное расположение спиновых моментов атомов.

Критерий перехода от АФМ к ФМ состоянию a / d > 1,5(4) (удовлетворяют железо, кобальт, никель). Геометрия доменной структуры ФМ определяется из условия минимума свободной энергии системы (рисунок 3). Однодоменное состояние энергетически невыгодно магнетику, т.к. в этом случае на концах ФМ возникают магнитные полюса, создающие внешнее магнитное поле (обладает потенциальной энергией (рисунок 3,а).

Рисунок 3 – Схемы доменных структур ферромагнетиков

Однодоменная структура - совокупность магнитов, прикасающихся одноименными полюсами. Малая магнитостатическая энергия - кристалл состоит из двух доменов с противоположной ориентацией магнитных моментов (рисунок 3, б). Наиболее выгодна - структура с боковыми доменами (рисунки 3, в и г). Магнитный поток замыкается внутри образца (за пределами магнитное поле равно нулю).

Наиболее устойчиво состояние ФМ, в котором уменьшение магнитостатической энергии компенсируется увеличением энергии доменных границ. Малые кристаллы ФМ могут состоять из одного домена (образование границы энергетически невыгодно). Иллюстрация - намагничивание опилок при обработке ферромагнитных материалов.

3. Процессы при намагничивании ферромагнетиков Магнитная анизотропия. В ФМ есть направления легкого, среднего и трудного намагничивания (число направлений определяется симметрией решетки). Рассмотрим направления намагничивания элементов: железа, никеля и кобальта (рисунок 4). Ячейка Fe - объемно-центрированный куб. Направление легкого намагничивания совпадает с ребром куба (рисунок 4,а).

Рисунок 4 – Схемы монокристаллов железа (а), никеля (б) и кобальта (в) с направлениями легкого, среднего и трудного намагничивания

В кристалле Fe есть 6 направлений легкого намагничивания, а пространственная диагональ куба - направление трудного намагничивания (рисунок 4, а). Кристалл Ni представляет гранецентрированный куб, а его пространственная диагональ образует направление легкого намагничивания (рисунок 4, б). Симметрия решетки дает 8 направлений легкого намагничивания. Ячейка Co, кристаллизуется в гексагональную структуру (два направления легкого намагничивания, совпадающих с осью призмы). ФМ с одноосной магнитной анизотропией (рисунок 4, в).

Рисунок 5 – Зависимости магнитной индукции В и проницаемости μ ФМ от напряженности H магнитного поля

Область Ι - обратимое смещение доменных границ и рост объема доменов с моментами образующими наименьший угол с направлением внешнего поля. Область ΙΙ - смещение доменных границ носит необратимый характер, а кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну. В области ΙΙΙ срабатывает механизм вращения и моменты доменов из направления легкого намагничивания поворачиваются в направлении трудного. Область IV - все моменты доменов ориентируются вдоль поля (техническое насыщение ФМ).

Рисунок 6 – Схемы ориентации спинов в доменах при намагничивании ферромагнетика

Магнитный гистерезис - если ФМ намагнитить до насыщения В S и убрать внешнее поле, то возникнет остаточная индукция В r (рисунок 7). Коэрцитивная сила, т.е. напряженность размагничивающего поля - Н C, при которой В r = 0 (в ФМ намагниченном до В S ). Увеличение напряженности поля до Н > Н C вызывает перемагничивание ФМ. Петля гистерезиса при индукции В S предельная с индукцией В r и коэрцитивной силой Н C. Вершины петель образуют основную кривую намагничивания ФМ.

Рисунок 7 – Основная кривая намагничивания и петля гистерезиса ФМ при различных значениях амплитуды магнитного поля

Статическая магнитная проницаемость: μ =B / (μ 0 H) (5) Восходящий участок μ (H) на рисунке 5: изменения намагниченности ФМ при росте Н вызваны необратимыми процессами. Начальная проницаемость μ Н важна при использовании магнитных материалов. Для обратимого намагничивания: μ = μ Н + β H (6) где β - постоянная, зависящая от природы ФМ. При нагревании ФМ роль обменного взаимодействия слабеет и уменьшается намагниченность.