Magnetisatie en magnetische materialen

De aanwezigheid van een stof met magnetische eigenschappen komt tot uiting in een verandering in de parameters van het magnetische veld in vergelijking met het veld in de niet-magnetische ruimte. De optredende fysische processen in de microscopische weergave hangen samen met het verschijnen in het materiaal onder invloed van een magnetisch veld van magnetische momenten van microstromen, waarvan de volumedichtheid de magnetisatievector wordt genoemd.

Het uiterlijk van magnetisatie in de substantie wanneer u deze erin plaatst magnetisch veld wordt verklaard door het proces van geleidelijke voorkeursoriëntatie magnetische momenten die erin circuleren microstromen in de richting van het veld. Een enorme bijdrage aan het creëren van microstromen in de substantie is de beweging van elektronen: rotatie en orbitale beweging van elektronen geassocieerd met atomen, spin en vrije beweging van geleidingselektronen.

Volgens hun magnetische eigenschappen zijn alle materialen onderverdeeld in paramagneten, diamagneten, ferromagneten, antiferromagneten en ferrieten... Het behoren van een materiaal tot een of andere klasse wordt bepaald door de aard van de reactie van de magnetische momenten van elektronen op een magnetische veld onder omstandigheden van sterke interacties van elektronen met elkaar in multi-elektronenatomen en kristalstructuren.

Diamagneten en paramagneten zijn zwak magnetische materialen. Een veel sterker magnetisatie-effect wordt waargenomen bij ferromagneten.

De magnetische gevoeligheid (de verhouding van de absolute waarden van de magnetisatie- en veldsterktevectoren) voor dergelijke materialen is positief en kan enkele tienduizenden bedragen. In ferromagneten worden gebieden van spontane unidirectionele magnetisatie - domeinen - gevormd.

Ferromagnetisme waargenomen in kristallen van overgangsmetalen: ijzer, kobalt, nikkel en een aantal legeringen.

Wanneer een extern magnetisch veld met toenemende sterkte wordt aangelegd, worden de spontane magnetisatievectoren, die aanvankelijk op verschillende manieren in verschillende gebieden zijn georiënteerd, geleidelijk in dezelfde richting uitgelijnd. Dit proces wordt technische magnetisatie genoemd ... Het wordt gekenmerkt door een initiële magnetisatiecurve - de afhankelijkheid van de inductie of magnetisatie van de resulterende magnetische veldsterkte in het materiaal.

Bij een relatief kleine veldsterkte (sectie I) is er een snelle toename van de magnetisatie, voornamelijk door een toename van de grootte van de domeinen met de magnetisatie-oriëntatie in de positieve hemisfeer van de richtingen van de veldsterktevectoren. Tegelijkertijd worden de afmetingen van de domeinen in het negatieve halfrond proportioneel verkleind.In mindere mate veranderen de afmetingen van deze gebieden, waarvan de magnetisatie dichter bij het vlak loodrecht op de intensiteitsvector is gericht.

Met een verdere toename van de intensiteit overheersen de rotatieprocessen van de domeinmagnetisatievectoren langs het veld (sectie II) totdat technische verzadiging is bereikt (punt S). De daaropvolgende toename van de resulterende magnetisatie en het bereiken van dezelfde oriëntatie van alle gebieden in het veld wordt gehinderd door de thermische beweging van de elektronen. Gebied III is qua aard vergelijkbaar met paramagnetische processen, waarbij de toename van de magnetisatie het gevolg is van de oriëntatie van de weinige magnetische spinmomenten die gedesoriënteerd zijn door thermische beweging.Met toenemende temperatuur neemt de desoriënterende thermische beweging toe en neemt de magnetisatie van de substantie af.

Voor een bepaald ferromagnetisch materiaal is er een bepaalde temperatuur waarbij de ferromagnetische ordening van de domeinstructuur en de magnetisatie verdwijnen. Het materiaal wordt paramagnetisch. Deze temperatuur wordt het Curiepunt genoemd. Voor ijzer komt het Curie-punt overeen met 790 ° C, voor nikkel - 340 ° C, voor kobalt - 1150 ° C.

Het verlagen van de temperatuur tot onder het Curiepunt herstelt de magnetische eigenschappen van het materiaal weer: de domeinstructuur zonder netwerkmagnetisatie als er geen extern magnetisch veld is. Daarom worden verwarmingsproducten gemaakt van ferromagnetische materialen boven het Curie-punt gebruikt om ze volledig te demagnetiseren.

Initiële magnetisatiecurve

Processen van magnetisatie van ferromagnetische materialen verdeeld in omkeerbaar en onomkeerbaar in verband met de verandering in het magnetische veld.Als, na het verwijderen van de externe veldverstoringen, de magnetisatie van het materiaal terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat, dan is dit proces omkeerbaar, anders is het onomkeerbaar.

Omkeerbare veranderingen worden waargenomen in een klein initieel segment van sectie I magnetisatiecurve (Rayleigh-zone) bij kleine verplaatsingen van de domeinwanden en in gebieden II, III wanneer de magnetisatievectoren in de gebieden roteren. Het grootste deel van Sectie I gaat over een onomkeerbaar proces van magnetisatie-omkering, dat voornamelijk de hysterese-eigenschappen van ferromagnetische materialen bepaalt (achterstand van veranderingen in magnetisatie door veranderingen in het magnetische veld).

Hysteresislus genaamd curven die de verandering in de magnetisatie van een ferromagneet weerspiegelen onder invloed van een cyclisch veranderend extern magnetisch veld.

Bij het testen van magnetische materialen worden hysteresislussen geconstrueerd voor de functies van de magnetische veldparameters B (H) of M (H), die de betekenis hebben van de verkregen parameters in het materiaal in een projectie op een vaste richting. Als het materiaal eerder volledig was gedemagnetiseerd, levert een geleidelijke toename van de magnetische veldsterkte van nul tot Hs veel punten op ten opzichte van de initiële magnetisatiecurve (hoofdstuk 0-1).

Punt 1 — technisch verzadigingspunt (Bs, Hs). De daaropvolgende vermindering van de kracht H in het materiaal tot nul (paragraaf 1-2) maakt het mogelijk om de limietwaarde (maximum) van de restmagnetisatie Br te bepalen en de negatieve veldsterkte verder te verminderen om volledige demagnetisatie B = 0 te bereiken (sectie 2-3) op het punt H = -HcV - de maximale dwangkracht tijdens magnetisatie.

Bovendien wordt het materiaal in negatieve richting gemagnetiseerd tot verzadiging (hoofdstuk 3-4) bij H = — Hs. Een verandering in veldsterkte in positieve richting sluit de beperkende hysteresislus langs de 4-5-6-1-curve.

Veel materiële toestanden binnen de hysteresislimietcyclus kunnen worden bereikt door de magnetische veldsterkte te wijzigen die overeenkomt met gedeeltelijk symmetrische en asymmetrische hysteresiscycli.

Magnetische hysteresis: 1 - initiële magnetisatiecurve; 2 — hysteresislimietcyclus; 3 — curve van de hoofdmagnetisatie; 4 — symmetrische deelcycli; 5 — asymmetrische gedeeltelijke lussen

Gedeeltelijk symmetrische hysteresiscycli laten hun hoekpunten rusten op de hoofdmagnetisatiecurve, die wordt gedefinieerd als de reeks hoekpunten van deze cycli totdat ze samenvallen met de limietcyclus.

Gedeeltelijke asymmetrische hysteresislussen worden gevormd als het startpunt niet op de hoofdmagnetisatiecurve ligt met een symmetrische verandering in veldsterkte, evenals met een asymmetrische verandering in veldsterkte in positieve of negatieve richting.

Afhankelijk van de waarden van de dwangkracht worden ferromagnetische materialen verdeeld in magnetisch zacht en magnetisch hard.

Zachtmagnetische materialen worden gebruikt in magnetische systemen als magnetische kernen... Deze materialen hebben een lage dwangkracht, een hoge magnetische permeabiliteit en verzadigingsinductie.

Hardmagnetische materialen hebben een grote dwangkracht en worden in voorgemagnetiseerde toestand gebruikt als permanente magneten — primaire bronnen van magnetisch veld.

Er zijn materialen waartoe antiferromagneten volgens hun magnetische eigenschappen behoren... De antiparallelle opstelling van de spins van naburige atomen blijkt energetisch gunstiger voor hen te zijn. Er zijn antiferromagneten gemaakt die een aanzienlijk intrinsiek magnetisch moment hebben als gevolg van asymmetrie van het kristalrooster ... Dergelijke materialen worden ferrimagneten (ferrieten) genoemd ... In tegenstelling tot metallische ferromagnetische materialen zijn ferrieten halfgeleiders en hebben ze aanzienlijk lagere energieverliezen voor wervelstromen in wisselende magnetische velden.

Magnetisatiekrommen van verschillende ferromagnetische materialen