Magnetiseerimine ja magnetilised materjalid
Magnetiliste omadustega aine olemasolu väljendub magnetvälja parameetrite muutumises võrreldes väljaga mittemagnetilises ruumis. Mikroskoopilises esituses toimuvad füüsikalised protsessid on seotud mikrovoolude magnetmomentide magnetvälja mõjul ilmnemisega materjalis, mille ruumalatihedust nimetatakse magnetiseerimisvektoriks.
Magnetiseerumise ilmnemine aines selle sisse asetamisel magnetväli on seletatav selles ringlevate magnetmomentide järkjärgulise eelisorientatsiooni protsessiga välja suunas. Tohutu panus mikrovoolude tekkesse aines on elektronide liikumine: aatomitega seotud elektronide pöörlemine ja orbitaalne liikumine, pöörlemine ja juhtivuselektronide vaba liikumine.
Magnetomaduste järgi jagunevad kõik materjalid paramagnetiteks, diamagnetiteks, ferromagnetiteks, antiferromagnetiteks ja ferriitideks... Materjali kuulumise ühte või teise klassi määrab elektronide magnetmomentide reaktsiooni iseloom magnetiga. väli elektronide tugeva vastastikmõju tingimustes mitmeelektronilistes aatomites ja kristallstruktuurides.
Diamagnetid ja paramagnetid on nõrgalt magnetilised materjalid. Ferromagnetites täheldatakse palju tugevamat magnetiseerimisefekti.
Selliste materjalide magnetiline tundlikkus (magnetiseerimise ja väljatugevuse vektorite absoluutväärtuste suhe) on positiivne ja võib ulatuda mitmekümne tuhandeni. Ferromagnetites moodustuvad spontaanse ühesuunalise magnetiseerimise piirkonnad — domeenid.
Ferromagnetism täheldatud siirdemetallide kristallides: raud, koobalt, nikkel ja mitmed sulamid.
Suureneva tugevusega välise magnetvälja rakendamisel joonduvad algselt erinevatesse piirkondadesse erinevalt orienteeritud spontaansed magnetiseerimisvektorid järk-järgult samas suunas. Seda protsessi nimetatakse tehniliseks magnetiseerimiseks… Seda iseloomustab esialgne magnetiseerimiskõver – induktsiooni või magnetiseerimise sõltuvus tekkiv magnetvälja tugevus materjalis.
Suhteliselt väikese väljatugevuse korral (I jaotis) toimub kiire magnetiseerituse kasv, mis on peamiselt tingitud magnetiseerimise orientatsiooniga domeenide suuruse suurenemisest väljatugevuse vektorite suundade positiivsel poolkeral. Samal ajal vähendatakse proportsionaalselt negatiivse poolkera domeenide suurusi.Vähemal määral muutuvad nende piirkondade mõõtmed, mille magnetiseerimine on orienteeritud intensiivsusvektoriga risti olevale tasapinnale lähemale.
Intensiivsuse edasise suurenemisega domineerivad domeeni magnetiseerimisvektorite pöörlemisprotsessid piki välja (II jaotis) kuni tehnilise küllastumiseni (punkt S). Selle tulemusena tekkiva magnetiseerituse suurenemist ja välja kõigi piirkondade sama orientatsiooni saavutamist takistab elektronide soojusliikumine. III piirkond on oma olemuselt sarnane paramagnetiliste protsessidega, kus magnetiseerumise suurenemine on tingitud väheste termilise liikumisega desorienteeritud spin-magnetmomentide orientatsioonist Temperatuuri tõustes desorienteeriv soojusliikumine suureneb ja aine magnetiseerumine väheneb.
Antud ferromagnetilise materjali jaoks on teatud temperatuur, mille juures domeeni struktuuri ferromagnetiline järjestus ja magnetiseeritus kaovad. Materjal muutub paramagnetiliseks. Seda temperatuuri nimetatakse Curie punktiks. Raua puhul vastab Curie punkt 790 ° C, nikli puhul - 340 ° C, koobalti puhul - 1150 ° C.
Temperatuuri alandamine alla Curie punkti taastab materjali magnetilised omadused: domeeni struktuuri nullvõrgu magnetiseeringuga, kui välist magnetvälja pole. Seetõttu kasutatakse nende täielikuks demagnetiseerimiseks küttetooteid, mis on valmistatud ferromagnetilistest materjalidest üle Curie punkti.
Algne magnetiseerimiskõver
Ferromagnetiliste materjalide magnetiseerimisprotsessid, mis jagunevad seoses magnetvälja muutumisega pöörduvateks ja pöördumatuteks.Kui pärast välisvälja häirete kõrvaldamist taastub materjali magnetiseerimine algsesse olekusse, siis on see protsess pöörduv, vastasel juhul on see pöördumatu.
Pöörduvaid muutusi täheldatakse I sektsiooni magnetiseerimiskõvera väikeses algsegmendis (Rayleighi tsoon) domeeni seinte väikeste nihkete korral ning II ja III piirkondades, kui magnetiseerimisvektorid piirkondades pöörlevad. I jaotise põhiosa käsitleb pöördumatut magnetiseerimise ümberpööramise protsessi, mis määrab peamiselt ferromagnetiliste materjalide hüstereesiomadused (magnetiseerumise muutuste mahajäämus magnetvälja muutustest).
Hüstereesisilmus nimetatakse kõverateks, mis peegeldavad ferromagneti magnetiseerumise muutust tsükliliselt muutuva välise magnetvälja mõjul.
Magnetmaterjalide testimisel konstrueeritakse hüstereesisilmused magnetvälja parameetrite B (H) või M (H) funktsioonide jaoks, millel on saadud parameetrite tähendus materjali sees projektsioonis kindlas suunas. Kui materjal oli eelnevalt täielikult demagnetiseeritud, siis magnetvälja tugevuse järkjärguline suurendamine nullist Hs-ni annab algsest magnetiseerimiskõverast palju punkte (jaotis 0-1).
Punkt 1 — tehniline küllastuspunkt (Bs, Hs). Järgnev materjali sees oleva jõu H vähendamine nullini (jaotis 1-2) võimaldab määrata jääkmagnetiseerituse Br piirväärtuse (maksimaalne) ja veelgi vähendada negatiivset väljatugevust, et saavutada täielik demagnetiseerimine B = 0 ( lõik 2-3) punktis H = -HcV - maksimaalne sundjõud magnetiseerimisel.
Lisaks magnetiseeritakse materjal negatiivses suunas küllastumiseni (jaotis 3-4) H = — Hs. Väljatugevuse muutus positiivses suunas sulgeb piirava hüstereesi ahela piki 4-5-6-1 kõverat.
Paljusid hüstereesi piirtsüklis olevaid materjali olekuid saab saavutada magnetvälja tugevuse muutmisega, mis vastab osalise sümmeetrilise ja asümmeetrilise hüstereesi tsüklile.
Magnethüsterees: 1 — algmagnetiseerimiskõver; 2 — hüstereesi piirtsükkel; 3 — põhimagnetiseerimise kõver; 4 — sümmeetrilised osatsüklid; 5 — asümmeetrilised osalised silmused
Osaliselt sümmeetrilised hüstereesitsüklid asetavad oma tipud põhimagnetiseerimiskõverale, mis on määratletud nende tsüklite tippude kogumina, kuni need ühtivad piirtsükliga.
Osalised asümmeetrilised hüstereesisilmused tekivad juhul, kui lähtepunkt ei asu põhimagnetiseerimiskõveral sümmeetrilise väljatugevuse muutusega, samuti väljatugevuse asümmeetrilise muutusega positiivses või negatiivses suunas.
Sõltuvalt sunnijõu väärtustest jagatakse ferromagnetilised materjalid magnetiliselt pehmeteks ja magnetiliselt kõvadeks.
Pehmeid magnetmaterjale kasutatakse magnetsüsteemides magnetsüdamikena... Nendel materjalidel on madal sundjõud, kõrge magnetiline läbilaskvus ja küllastuse induktsioon.
Kõvad magnetmaterjalid on suure sunnijõuga ja neid kasutatakse eelmagnetiseeritud olekus püsimagnetid — magnetvälja esmased allikad.
On materjale, mille hulka oma magnetiliste omaduste järgi kuuluvad antiferromagnetid... Naaberaatomite spinnide antiparalleelne paigutus osutub neile energeetiliselt soodsamaks. Loodud on antiferromagnetid, millel on kristallvõre asümmeetria tõttu oluline sisemine magnetmoment... Selliseid materjale nimetatakse ferrimagnetiteks (ferriitideks)... Erinevalt metallilistest ferromagnetilistest materjalidest on ferriidid pooljuhid ja neil on oluliselt väiksemad energiakadud. pöörisvoolud vahelduvates magnetväljades.
Erinevate ferromagnetiliste materjalide magnetiseerimiskõverad