Ферромагнетики

на малі області мимовільної (спонтанної) однорідної намагніченості,

називані доменами. Лінійні розміри доменів порядку (10-5 — 10-4 м).

Усередині кожного домена речовина намагнічена до насичення .

Під час відсутності зовнішнього магнітного поле магнітні моменти

доменів орієнтовані в просторі так, що результуючий магнітний

момент розмагніченого зразка дорівнює нулю.

Намагнічування феромагнітного зразка в зовнішнім магнітному полі

складається, по-перше, у зсуві границь доменів і росту розмірів тих

доменів, вектори магнітних моментів яких близькі в напрямку до

магнітної індукції В поле, і, по-друге, у повороті магнітних

моментів цілих доменів по напрямку поле В. У досить сильному

магнітному полі досягається стан магнітного насичення, коли весь

зразок намагнічений по полю і його намагніченість J не змінюється

при подальшому збільшенні В.

Виміру гіромагнітного відношення для ферромагнетиків показали,

що елементарними носіями магнетизму в них є спінові магнітні

моменти електронів . У сучасній квантово-механічній теорії

феромагнетизму пояснена природа мимовільної намагніченості

ферромагнетиків і природа виникнення сильного внутрішнього поле .

Феромагнітними властивостями можуть володіти кмалтали речовин,

атоми яких мають не заповнені електронами внутрішні оболонки , так

що проекція результуючого спінового магнітного моменту на напрямок

магнітного поле відмінна від нуля. За певних умов завдяки обмінній

взаємодії між електронами сусідніх атомів, що має особливу квантово-

механічну природу, виявляється стійким такий стан ферромагнетика,

коли спини електронів всіх атомів у межах одного домена орієнтовані

однаково. У такий спосіб виникає спонтанне намагнічування доменів

до насичення. При нагріванні ферромагнетика до точки Кюрі тепловий

рух руйнує області спонтанної намагніченості і речовина утрачає

свої особливі магнітні властивості.

При відсутності зовнішнього магнітного поле магнітні моменти

окремих доменів орієнтовані хаотично і компенсують один одного,

тому результуючий магнітний момент ферромагнетика дорівнює нулю і

ферромагнетик не намагнічений. Зовнішнє магнітне поле орієнтує по

полю магнітні моменти не окремих атомів, як це має місце у випадку

парамагнетиків, а цілих областей спонтанної намагніченості. Тому з

ростом Н намагніченість J і магнітна індукції У вже в досить

слабких полях ростуть дуже швидко. Цим порозумівається також

збільшення м ферромагнетиків до максимального значення в слабких

полях. Експерименти показали, що залежність У від Н не є такий

плавний, а має східчастий вид. Це свідчить про те, що усередині

ферромагнетика домени повертаються по полю стрибком.

При ослабленні зовнішнього магнітного поле до нуля ферромагнетики

зберігають залишкове намагничение, тому що тепловий рух не в змозі

швидко дезорієнтувати магнітні моменти настільки великих утворень,

якими є домени. Тому і спостерігається явище магнітного

гистерезиса. Для того щоб .ферромагнетик розмагнітити, необхідно

прикласти коэрцитивную силу; розмагнічуванню сприяють також

струшування і нагрівання ферромагнетика. Точка Кюрі виявляється

тією температурою, вище якої відбувається руйнування доменної

структури.

Існування доменів у ферромагнетиків доведено експериментально.

Прямим експериментальним методом їхнього спостереження є метод

порошкових фігур. На ретельно відполіровану поверхню ферромагнетика

наноситься водяна суспензія дрібного феромагнітного порошку

(наприклад, магнетиту). Частки осідають переважно в місцях

максимальної неоднорідності магнітного поле, тобто на границях між

доменами. Тому осілий порошок окреслює границі доменів і подібну

картину можна сфотографувати під мікроскопом. Лінійні розміри

доменів виявилися рівними lO-4—lO-2 див.

Подальший розвиток теорії феромагнетизму Френкелем і

Гейзенбергом, а також ряд експериментальних фактів дозволили

з'ясувати природу елементарних носіїв феромагнетизму. В даний час

установлено, що магнітні властивості ферромагнетиків визначаються

спіновими магнітними моментами електронів. Установлено також, що

феромагнітними властивостями можуть володіти тільки кмалталічні

речовини, в атомах яких маються недобудовані внутрішні електронні

оболонки з нескомпенсованими спинами. У подібних кмалталах можуть

виникати сили, що змушують спінові магнітні моменти електронів

орієнтуватися паралельно один одному, що і приводить до виникнення

областей спонтанного намагнічення. Ці сили, називані обмінними

силами, мають квантову природу — вони обумовлені хвильовими

властивостями електронів.

Тому що феромагнетизм спостерігається тільки в кмалталах, а вони

мають анізотропію, то в монокмалталлах ферромагнетиків повинна мати

місце анізотропія магнітних властивостей (їхня залежність від

напрямку в кмалталі). Дійсно, досвід показує, що в одних напрямках

у кмалталі його намагніченість при даному значенні напруженості

магнітного поле найбільша (напрямок легчайшего намагнічення), в

інші — найменша (напрямок важкого намагнічення). З розгляду

магнітних властивостей ферромагнетиків випливає, що вони схожі на

сегнетоэлектрики .

Існують речовини, у яких обмінні сили викликають антипаралельну

орієнтацію спінових магнітних моментів електронів. Такі тіла

називаються антиферромагнетиками. Їхнє існування теоретично було

передвіщено Л. Д. Ландау. Антиферромагнетиками є деякі з'єднання

марганцю (Mn, Mn2),заліза (Fe, Fe2) і багатьох інших елементів. Для

них також існує антиферомагнітна точка Кюрі (точка Нееля*), при

якій магнітне упорядкування спінових магнітних моментів порушується

й антиферромагнетик перетворюється в парамагнетик.

Останнім часом велике значення придбали напівпровідникові

ферромагнетики-феррити, хімічні сполуки типу Me*Fe2O3, де Me—ион

двовалентного металу (Мn, З, Ni, Сu, Mg, Zл, Cd, Fe). Вони

відрізняються помітними феромагнітними властивостями і великим

питомим електричним опором (у мільярди раз більшим, ніж у металів).

Феррити застосовуються для виготовлення постійних магнітів,

ферритових антен, сердечників радіочастотних контурів, елементів

оперативної пам'яті в обчислювальній техніці, для покриття плівок у

магнітофонах і відеомагнітофонах і т.д.

Властивості ферромагнетиків і якісні основи природи

феромагнетизму

Особливий клас магнетиків утворюють речовини, у яких магнітна

проникність у сотні і тисячі разів перевищує магнітну проникність

звичайних матеріалів. Ці речовини одержали назва ферромагнетиків.

До них відносяться залізо, нікель, кобальт і їхні з'єднання і

сплави. Іншою відмінною рисою ферромагнетиков є те, що їхня

намагніченість J залежить від Н нелінійно, причому при великих

полях настає стан магнітного насичення (мал.2). Оскільки залежність

J від Н нелинійна, то і магнітна сприйнятливість ?m залежить від

напруженості (мал.2). Крім нелінійної залежності між J і Н (або між

В и Н) для ферромагнетиків характерно також наявність явища

гистерезиса (мал.3). Це явище полягає в тім , що процес

намагничения ферромагнетика необоротний у більшій своїй частині,

тому крива намагничения не збігається з кривій размагничения. Якщо

спочатку розмагнічений зразок намагнітити в поступово зростаючому

магнітному полі по кривій 0-1 (крива первісного намагничения), а

потім зменшити напруженість магнітного поля, то індукція У випливає

не по первісній кривій 0-1, а змінюється відповідно до кривій 1-2.

Коли напруженість полючи стане рівної нулеві (крапка 2),

намагничення не зникає і характеризується величиною Вr (відрізок 0-

2 на мал.3), що називається залишковою індукцією. Намагніченість

має при цьому значення Jr, називане залишковою намагніченістю.

Намагніченість звертається в нуль лише під дією полючи Нc (відрізок

0-3 на мал. 3) зворотні напрямки . Величина напруженості полючи Нс

називається коерцитивной силою ферромагнетика. Існування залишкової

намагніченості уможливлює виготовлення постійних магнітів.

Постійний магніт тим краще зберігає свої властивості, чим більше

величина коерцитивної сили матеріалу, з якої він виготовлений.

Дослідами Эйнштейна і ДЕ Гааза було доведено, що відповідальним

за магнітні властивості ферромагнетиків є власні (спінові )

магнітні моменти електронів (а не орбітальні , як у диа- і

парамагнетиков). Атоми елементів, що володіють феромагнітними

властивостями (Fe, Co, Nі), мають деяку особливість. У них

порушується послідовність заповнення місць в оболонках і шарах:

перш ніж цілком "забудується" нижня оболонка, починається

заповнення вище розташованої оболонки. У результаті електронні

спіни деяких внутрішніх оболонок виявляються нескомпенсиро-

ванними. Таким чином, феромагнітними властивостями можуть володіти

тільки такі речовини, в атомах яких маються недобудовані внутрішні

електронні оболонки. Крім того, дослідження феромагнітних кристалів

дозволили виявити в них області з мимовільної (спонтанної )

намагніченістю - так називані домени, лінійні розміри яких 1-10 мкм

(мал.).

[pic]

Мал. Доменна структура ферромагнетика:

а) під час відсутності зовнішнього поля,

б) при наявності зовнішнього поля

У межах кожного домена нескомпенсовані спини орієнтовані в одному

напрямку , тобто речовина в домені знаходиться в стані магнітного

насиченні і володіє визначеним магнітним моментом. Напрямку цих

моментів для різних доменов різні, так що під час відсутності

зовнішнього поля сумарний момент завжди дорівнює нулю.

Сили, що змушують магнітні моменти електронів вибудовуватися

паралельно один одному, називаються обмінними. Їхнє пояснення в

рамках класичної фізики неможливо (дається тільки квантовою

механікою). Якщо помістити ферромагнетики в зовнішнє магнітне поле,

то спочатку, при слабких полях, спостерігається зсув границь

доменів (область 0-а кривій намагничения на мал.3). У результаті

цього відбувається збільшення розмірів тих доменов, магнітні

моменти яких складають з напрямок полючи Н менший кут за рахунок

доменов, у яких кут між Pm і H більше . При збільшенні Н має місце

поворот магнітних моментів доменів у напрямку полюя (область А-1

кривій намагничения на мал.3). При цьому моменти електронів у межах

домена повертаються одночасно, без порушення паралельності один

одному. Ці процеси є необоротними, що і служить причиною

гистерезиса.

Для кожного ферромагнетика мається визначена температура Тс, при

якій області спонтанного намагничения розпадаються і речовина

утрачає феромагнітні властивості (стає звичайним парамагнетиком).

Ця температура називається крапкою Кюрі.

Точки Кюрі деяких речовин:

| |

|Сегнетоэлектрик|

|и |

| |

|Речовина |

|Точка Кюрі,C |

| |

|Метатитанат |

|барію |

|+100 |

| |

|Сегнетова сіль |

|Верхняя +22,5 |

|нижняя 15 |

| |

| |

|Ферромагнетики |

| |

|Залізо |

|+770 |

| |

|Железо |

|кремнієве (4,3%|

|Si) |

|+690 |

| |

|Кобальт |

|+1130 |

| |

|Нікель |

|+358 |

| |

|Пермаллой (22% |

|Fe, 78% Ni) |

|+550 |

| |

|Гадолиний |

|+16 |

| |

|Магнетит Fe3O4 |

|+572 |

| |

|Сплав Гейслера |

|(61% Cu, 26% |

|Mn, 13% Al) |

|+330 |

| |

Розглянуто залежність магнітної проникності від напруженості магнітного

поля для ферромагнетиків.

[pic]

Приведені значення температури Кюрі для ряду магнетиків.

Вивчення гистерезиса феромагнітних матеріалів

Дозволяє одержувати петлю гистерезиса феромагнітних матеріалів;

визначати коерцетивну силу і роботу перемагнічування за один цикл.

Основи теорії феромагнетизму.

На відміну від діамагнетизму і парамагнетизму, що є

властивостями окремих чи атомів молекул речовини, феромагнітні

властивості речовини порозуміваються особливостями його

кмалталічної структури. Атоми заліза, якщо взяти їх, наприклад, у

пароподібному стані, самі по собі диамагнитны чи лише слабко

парамагнитні. Феромагнетизм є властивість заліза у твердому стані,

тобто властивість кмалталів заліза.

У цьому нас переконує ряд фактів. Насамперед на це вказує

залежність магнітних властивостей заліза й інших феромагнітних

матеріалів від обробки, що змінює їхня кмалталічна будівля

(загартування, отжиг). Далі виявляється, що з парамагнітних і

діамагнітних металів можна виготовити сплави, що володіють високими

феромагнітними властивостями. Такий, наприклад, сплав Гойслера, що

майже не уступає по своїх магнітних властивостях залозу, хоча він

складається з таких слабко магнітних металів, як мідь (60%),

марганець (25%) і алюміній (15%). З іншого боку, деякі сплави з

феромагнітних матеріалів, наприклад сплав з 75% заліза і 25% нікелю,

майже не магнитны. Нарешті, самим вагомим підтвердженням є те, що

при досягненні визначеної температури (точка Кюрі) усі феромагнітні

речовини утрачають свої феромагнітні властивості.

Феромагнітні речовини відрізняються від парамагнітних не тільки

дуже великим значенням магнітної проникності і її залежністю

від напруженості поле, але і дуже своєрідним зв'язком між

намагнічуванням і напруженістю що намагнічує поле. Ця особливість

знаходить своє вираження в явищі гистерезиса з усіма його

наслідками: наявністю залишкового намагнічування і коэрцитивной

сили.

У чому причина гистерезиса? Вид кривих мал. 8 і 9, - розходження

між ходом наростання намагнічування ферромагнетика при

збільшенні поле Н и ходом його розмагнічування при зменшенні Н,-

показує, що при зміні намагнічування ферромагнетика, тобто при чи

збільшенні зменшенні напруженості зовнішнього поле, орієнтація і

дезорієнтація елементарних магнітів не відразу випливає за полем, а

відбувається з відомим відставанням. Докладне вивчення процесів

намагнічування і розмагнічування заліза й інших феромагнітних

речовин показало, що феромагнітні властивості речовини визначаються

не магнітними властивостями окремих чи атомів молекул, що самі по

собі парамагнитны, а намагнічуванням цілих областей, називаних

доменами,- невеликих ділянок речовини, що містять дуже велика

кількість атомів.

Взаємодія магнітних моментів окремих атомів ферромагнетика

приводить до створення надзвичайно сильних внутрішніх магнітних

полів, що діють у межах кожної такої області і що вибудовують, у

межах цієї області, всі атомні магнітики паралельно один одному, як

показано на мал. 11. Таким чином, навіть при відсутності

зовнішнього поле феромагнітна речовина складається з ряду окремих

областей, кожна з який мимовільно намагнічена до насичення. Але

напрямок намагнічування для різних областей по-різному, так що

внаслідок хаотичності розподілу цих областей тіло в цілому

виявляється у відсутності зовнішнього поле ненамагииченным.

Під впливом зовнішнього поле відбувається перебудова і

перегрупування таких «областей мимовільного намагнічування», у

результаті якої одержують перевагу ті області, намагнічування яких

паралельно зовнішньому полю, і речовина в цілому виявляється

намагніченим.

Один із прикладів такої перебудови областей мимовільного

намагнічування показаний на мал. 11. Тут схематично зображені дві

суміжні області, напрямки намагнічування яких перпендикулярне друг

до друга.

При накладенні поле Н частина атомів області В, у який

намагнічування перпендикулярне до поля, на границі її з областю А, у

якій намагнічування рівнобіжне полю, повертається, так що напрямок

їхнього магнітного моменту стає рівнобіжним полю. У результаті

область А, намагнічена паралельно зовнішньому полю, розширюється за

рахунок тих областей, у яких напрямок намагнічування утворить великі

кути з напрямком поле, і виникає переважне намагнічування тіла по

напрямку зовнішнього поле. У дуже сильних зовнішніх полях

можливі і повороти напрямку орієнтації всіх атомів у межах цілої

області.

При знятті (зменшенні) зовнішнього поле відбувається зворотний

процес розпаду і дезорієнтації цих областей, тобто розмагнічування

тіла. Через великі в порівнянні з атомами розмірів «областей

мимовільного намагнічування» як процес орієнтації їх, так і

зворотний процес дезорієнтації відбувається з набагато великими

утрудненнями, чим установлення чи орієнтації дезорієнтації окремих

чи молекул атомів, що має місце в парамагнітних і діамагнітних

тілах. Цим і порозумівається відставання намагнічування і

розмагнічування від зміни зовнішнього поле,

т. е. гистерезис феромагнітних тел.

[pic]

Мал. 11. Схема, що ілюструє орієнтацію молекулярних магнітів

у

«областях мимовільного намагнічування» А и В.

а) Зовнішнє магнітне поле відсутнє;

б) під дією зовнішнього магнітного поле Н області А и В

перебудовуються.

Ефект Баркгаузена

Баркгаузена ефект - стрибкоподібна зміна намагніченості ферромагнетиків

при безперервній зміні зовнішніх умов, наприклад магнітного поля. При

повільному намагнічуванні феромагнітного зразка у вимірювальній котушці,

надягнутої на зразок, у ланцюзі котушки з'являються імпульси струму ,

обумовлені стрибкоподібною зміною намагніченості М зразка. Особливо яскраво

Баркгаузена ефект виявляється в магніто-м'яких матеріалах на крутих

ділянках кривої намагнічування і петлі гистерезиса, де доменна структура

змінюється в результаті процесів зсуву границь феромагнітних доменів.

Наявні у ферромагнетику різного роду неоднорідності (сторонні включення ,

дислокації, залишкові механічні напруги і т.д.) перешкоджають перебудові

доменної структури. Коли границя домена, зміщаючи при збільшенні магнітного

поля Н, зустрічає перешкоду (наприклад, стороннє включення ), вона

зупиняється і залишається нерухомої при подальшому збільшенні полючи. При

деякому зрослому значенні поля границя переборює перешкоду і стрибком

переміщається далі, до чергової перешкоди, вже без збільшення поля. Через

подібні затримки крива намагнічування ферромагнетика має східчастий

характер (мал.).

Залежність намагніченості від магнітного поля

[pic]

мал.

Стрибкоподібна зміна намагніченості може бути викликана не тільки полем,

але іншими зовнішніми впливами (наприклад, плавною зміною напруг або

температури), при яких відбувається зміна доменної структури зразка.

Ефект Баркгаузена - один з безпосередніх доказів доменної структури

ферромагнетиків, він дозволяє визначити обсяг окремого домена. Для

більшості ферромагнетиків цих обсягів дорівнює 10-6-10-9 див 3. Вивчення

Баркгаузена ефекту дозволило краще зрозуміти динамікові доменної структури

і встановити зв'язок між числом стрибків і основних характеристик петлі

гистерезиса (коэрцитивной силою і т.д.).

За аналогією з ефектами Баркгаузена у ферромагнетиках стрибки

переполяризації в сегнетоэлектриках також називаються стрибками

Баркгаузена.

Технічна реалізація ефекту Баркгаузена

Схема технічної реалізації представлена на мал.

Схема спостереження ефекту Баркгаузена

[pic]

Позначення:

1 - котушка з феромагнітним стрижнем;

2 - амперметр;

3 - ємність ;

4 - реостат з опором R(t);

U(t) - імпульсна напруга ;

L(t) - індуктивність котушки 1.

При зміні R(t) стрибкоподібно змінюється намагніченість феромагнітного

стрижня, що стрибкоподібно змінює частоту коливань стрілки амперметра

(суперпозиція частот коливань).

Застосування ефекту

Використовується при визначенні обсягів доменов у ферромагнетиків.

Феромагнітні матеріали

Феромагнітні матеріали поділяються на двох груп: магнітно-м'які і

магнітно-тверді.

а) Магнітно-м'які матеріали (таблиця №1) застосовуються в якості

магнитопроводів (сердечників) у пристроях і приладах , де магнітний

потік постійний (полюсні башмаки і сердечники вимірювального

механізму) або перемінний (наприклад, магнитопровід трансформатора).

Вони мають низьке значення коерцитивной сили Hc (нижче 400А/м),

високою магнітною проникністю і малими утратами від гистерезиса. До

цієї групи матеріалів відносяться : технічне залізо і

низкоуглеродистые стали, листові електротехнічні сталі,

железоникелевые сплави з високою проникністю (пермаллои) і оксидні

ферромагнетики - феррити й оксифери.

Технічне залізо зі змістом вуглецю до 0,04%, вуглеродні сталі і

чавун широко застосовуються для магнитопроводів, що працюють в

умовах постійних магнітних полів . Технічне залізо має високу

індукцію насичення (до 2,2 Тл), високою магнітною проникністю і

низкою коерцитивной силою.

Електротехнічні сталі - це сплави заліза з кремнієм (1-4%). Шляхом

зміни змісту кремнію і застосуванням різних технологічних прийомів

виходять сталі із широким діапазоном магнітних властивостей. Кремній

поліпшує властивості технічного заліза: збільшуються початкової і

максимальна магнітні проникності, зменшується коерцитивная сила,

зменшуються втрати енергії від гистерезиса, збільшується питомий

електричний опір, що важливо для зменшення так званих вихрових

струмів , що виникають при циклічно змінюється магнітному полі і що

нагрівають магнитопровод.

Сталі, з низьким змістом кремнію, мають низьку магнітну проникність,

велику індукцію насичення і великих питомих втрат, вони

застосовуються в установках і приладах ланцюгів постійного струму

або перемінного струму низької частоти. Сталі з високим змістом

кремнію застосовуються в тих випадках, коли потрібно мати високу

магнітну проникність у слабких і середніх полях і малі утрати від

гистерезиса і вихрових струмів , унаслідок чого вони можуть

застосуються для магнитопроводов, що працюють при підвищеній частоті

струму .

Розглянемо деякі види магніто-м'яких матеріалів, що найбільше часто

застосовуються в промисловості.

Пермаллои - це сплави різного процентного вмісту заліза і нікелю, а

деякі з них , крім того, молібдену, хрому, кремнію, алюмінію.

Пермаллои мають високу магнітну проникність, у 10-15 разів більшу,

ніж у листової електротехнічної сталі. У цих сплавах індукція

насичення досягається при малих напряженностях полючи (від десятих

часток до декількох сотень амперів на метр). Одні з них мають низьку

індукцію насичення Bs (близько 0,6 -0,8 Тл), інші - відносно високу

(1,3 - 1,6 Тл). До першої групи відносяться высоконикелевые

пермаллои, що наприклад містить 79% нікелю і 3,8% молібдену, у якого

Мн=22000; Мmax=120000; Bs=0,75Тл. До другої групи відносяться

низконикелевые пермаллои, що наприклад містять 45% нікелю, у якого

Мн=2500; Мmax=23000; Bs=1,5Тл.

У пермаллоів із прямокутною петлею гистерезиса (мал. 6) ступінь

прямокутности петлі характеризується відношенням залишкової індукції

Br до максимальної індукції Bmax, під якою розуміють індукцію при

напруженості поля, у 5-10 разів перевищуючу коерцитивну силу. Це

відношення досягає 0,85-0,99. Коерцитивна сила таких пермаллоів

лежить у межах від 1 до 30 А/м.

Магнітні властивості пермаллоів у сильному ступені залежать від

технології їхнього виготовлення.

У таблиці приведені дані про магнітні властивості деяких магніто-

м'яких матеріалах. Такі матеріали намагнічуються у відносно слабких

магнітних полях і мають високі значення початкової µн і максимальної

µmax магнітних проникностей, малим значенням коерцитивної сили Hc .

Значення Bmax - максимальної магнітної індукції - відповідає

намагніченості насичення ферромагнетиків.

Магнітні властивості деяких магніто-м'яких матеріалів

|Ферромагнетик|Вmax |µн |µmax |Нс |Властивості |

| |Tл | | |А/м | |

|Альсифер |1,1 |20000 |117000 |1,8 |Відрізняється |

| | | | | |механічною твердістю |

| | | | | |і крихкістю. Володіє |

| | | | | |малої коер-ою силою і|

| | | | | |високими значеннями |

| | | | | |магнітних |

| | | | | |проникностей. |

| | | | | |Питомий ел. опір 0,6 |

| | | | | |мком?м. Йде на |

| | | | | |виготовлення |

| | | | | |магнитопро-д, |

| | | | | |корпусів приладів . |

|Пермаллои |0,70-0,75|14000-500|60000-300|0,8-4,8 |Сплав, що володіє |

|високо - | |00 |000 | |високою магнітною |

|нікелеві | | | | |проникністю і |

| | | | | |невеликою коер-ою |

| | | | | |силою. |

| | | | | |Застосовується для |

| | | | | |виготовлення |

| | | | | |сердечників |

| | | | | |слабкострумових |

| | | | | |транс-ів звукового |

| | | | | |діапазону, дроселів і|

| | | | | |т.д. |

|Електротехніч|2 |200-600 |3000-8000|9,6-64,0 |Сталь електротехнічна|

|на сталь | | | | |(тран-а) |

| | | | | |використовується для |

| | | | | |виготовлення |

| | | | | |сердечників транс-ов,|

| | | | | |дроселів, эл. машин і|

| | | | | |т.д. |

|Ферриты |0,18-0,40|100-6000 |3000-1000|8-120 | |

|нікель-цинков| | |0 | | |

|і і | | | | | |

|марганець-цин| | | | | |

|кові | | | | | |

|Залізо |2,16 |250 |7000 |64 | |

|(технічно | | | | | |

|чисте , хв. у| | | | | |

|домішок) | | | | | |

|Магнитопровод|1,12 | |600 000 |1,2 |Область застосування:|

|ы ГАММАМЕТ® | | | | |магнітні підсилювачі,|

|412А | | | | |імпульсні |

| | | | | |трансформатори, |

| | | | | |дроселі насичення, |

| | | | | |магнітні ключі. |

| | | | | |Температура Кюрі 610 |

| | | | | |°C |

| | | | | |Щільність: 7400 кг/м3|

| | | | | | |

| | | | | |Питоме |

| | | | | |электросопротивление:|

| | | | | |1,25•10-6 Ом•м |

У таблиці приведені дані про магнітні властивості деяких магніто-

м'яких матеріалах. Такі матеріали намагнічуються у відносно слабких

магнітних полях і мають високі значення початкової µн і максимальної

µmax магнітних проникностей, малим значенням коэрцитивной сили Hc .

Значення Bmax - максимальної магнітної індукції - відповідає

намагніченості насичення ферромагнетиків

б) Магнітно-тверді матеріали (таблиця №2) призначені для

виготовлення постійних магнітів усілякого призначення. Ці матеріали

характеризуються великий коерцитивною силою і великою залишковою

індукцією.

До магнітно-твердих матеріалів відносяться : вуглеродні,

вольфрамові, хромисті і кобальтові сталі; їхній коерцитивная сила

5000-8000 А/м, залишкова індукція 0,8 - 1Тл. Вони мають ковкість,

піддаються прокатці, механічній обробці і випускаються промисловістю

у виді смуг або аркушів.

До магнітно-твердих матеріалів, що володіють кращими магнітними

властивостям, відносяться сплави: альни, альниси, альнико й ін. Вони

характеризуються коэрцитивной силою Hc =20 000*60 000 А/м і

залишковою індукцією Br=0,4*0,7 Тл.

Магнітні властивості деяких магніто-твердих матеріалів

У таблиці приведені основні дані про магнітні властивості деяких

магніто-твердих матеріалів. Ці матеріали намагнічуються в порівняно

сильних магнітних полях і мають великі значення коерцитивної сили

Hc, великою залишковою магнітною індукцією Br, великими значеннями

щільності енергії магнітного поля ?=Br ?Hc і порівняно малими

значеннями магнітної проникності.

|Ферромагнетик|Нс, |Вr, |?max, |Властивості |

| |А/м |Tл |Дж/м3 | |

|Альни-3 |40000 |0,5 |7200 |Сплави мають великі |

| | | | |значення |

| | | | |коэрцитивной сили і |

| | | | |залишковою |

| | | | |індукцією. Щільність|

| | | | |6900 кг/м3 (альни) і|

| | | | |7100 кг/м3 |

| | | | |(альнико). |

| | | | |Застосовуються для |

| | | | |виготовлення литих |

| | | | |постійних магнітів. |

|Альнико-15 |48000 |0,75 |12000 | |

|Альнико-18 |52000 |0,90 |19400 | |

|Магнико |40000 |1,23 |32250 |Высококоерцитивний |

| | | | |сплав, щільністю |

| | | | |7000кг/м3. Сплав |

| | | | |використовується для|

| | | | |виготовлення |

| | | | |постійних магнітів. |

| | | | |Магніти з магнико |

| | | | |при рівномірній |

| | | | |магнітній енергії в |

| | | | |4 рази легше |

| | | | |магнітів зі сплаву |

| | | | |альни. |

Експериментальне вивчення властивостей ферромагнетиків.

Великий внесок в експериментальне вивчення властивостей ферромагнетиков

вніс А. Г. Столетов. Запропонований ним експериментальний метод полягав у

вимірі магнітного потоку Фm у феромагнітних кільцях за допомогою

балістичного гальванометра.

Тороід, первинна обмотка якого складалася з N1 витків, мав сердечник

з досліджуваного матеріалу (наприклад, відпаленого заліза). Вторинна

обмотка з N2 витків була замкнута на балістичний гальванометр G

(мал. А). Обмотка N1 включалася в ланцюг акумуляторної батареї Б.

Напруга , прикладена до цієї обмотки, а, отже, і силу струму І1 у

ній можна було змінювати за допомогою потенціометра R1. Напрямок

струму змінювалося за допомогою комутатора К.

При зміні напрямку струму в обмотці N1 на протилежне, у ланцюзі

обмотці N2 виникав короткочасний індукційний струм і через

балістичний гальванометр проходив електричний заряд q , що дорівнює

відношенню узятого зі зворотним знаком зміни потокосцепления

вторинної обмотки до електричного опору R у ланцюзі гальванометра:

Якщо сердечник тонкий , а площа поперечного переріза дорівнює S, то

магнітна індукція полюя в сердечнику

Напруженість магнітного поля в сердечнику обчислюється по наступній

формулі:

де Lср - середня лінія сердечника. Знаючи B і H можна знайти

намагніченість.

Розглянемо ще один спосіб експериментального вивчення властивостей

ферромагнетиков (на наш погляд один з найбільш наочних).

Даний метод аналогічний попередній , але відмінність полягає в тому,

що в місце гальванометра застосовується електронний осциллограф. За

допомогою осциллографа Осц (див. нижче схему) ми одержуємо наочне

підтвердження явища магнітного гистерезиса, спостерігаючи петлю на

екрані приладу .

Розглянемо пристрій експериментальної установки .

Напруга знімається з потенціометра Rр пропорційно намагнічує струм

І, а отже, напруженості поля в експериментальному зразку Эо. Далі,

сигнал, що знімається з реостата Rр, подається на вхід (Х), тобто на

пластини горизонтального відхилення осциллографа.

З входу інтегруючого ланцюжка (пунктирний прямокутник на схемі)

знімається напруга Uc, що пропорційно швидкості зміни магнітної

індукції, тобто подається на вхід (Y) осциллографа, пластини

вертикального відхилення .

Ферромагнетики без металів?

Відомо, що магнітними властивостями володіє так названа тріада

залізо - кобальт - нікель, ще деякі метали і сплави. Властивість

феромагнетизму, власне, і одержало назву від заліза, що очолює цю

групу. Однак у металів істотний недолік : вони важкі ! І хто б

відмовився від магнітних матеріалів легше? Стабільні при звичайній

кімнатній температурі і магнітні властивості, що зберігають,

невиразно довгий час, вони могли б знайти широкий спектр

застосування: від створення "невагомих" електромоторів до розробки

нових методів збереження інформації.

За останні роки експериментатори не раз виявляли слабкі

феромагнітні властивості в органічних полімерів. Звичайно, для

практичного застосування в якості "магнітів" такі з'єднання не

годили , однак, як говориться, слід був узятий... І от у 1991 році

дві групи вчених практично одночасно (з інтервалом у якусь пару

місяців) обнародували отримані ними цікаві результати.

Хімікам Токійського університету на чолі з Мінорові Киносита вдалося

синтезувати феромагнітну органічна сполука тільки з легких

елементів! У його склад входять вуглець, водень, азот і кисень. Це

органічний кристал, за структурою стосовний до гетероциклическим

з'єднань . Виразна назва "паранитрофенилнитронилнироксид", на щастя

, у побутовому хімічному побуті скорочують до скромного символу p-

NPNN. На думку Кунио Авага, одного з творців нової речовини, його

феромагнітні властивості порозуміваються наявністю в молекулах p-

NPNN так званих непарних електронів, внаслідок чого ці молекули - з

хімічної точки зору - поводяться аналогічно іонам металів. У

результаті взаємодії спинов непарних електронів останні вступають у

"феромагнітне спарювання", орієнтуючи молекули речовини в одному

напрямку . Таким чином, магнітні властивості отриманого органічного

кристала залежать від способу "упакування" складових його молекул.

Узагалі ж для більшості твердих органічних речовин характерно зовсім

інше - їхньої молекули вступають у "антиферомагнітне спарювання",

так що p-NPNN у своєму роді унікальний.

[pic]

Хімічна формула ферромагнетика без металу. Відзначено непарні

електрони, взаємодія яких додає речовині магнітні властивості

(зв'язок N-0).

Але... завжди є своє "але". По-перше, магнітні властивості p-NPNN

виявляються при температурі нижче 0,65 ДО (кімнатного її не назвеш).

По-друге, його феромагнетизм усе-таки слабкий. Розроблювачі кажуть:

створити сильний магніт тільки з органічного матеріалу, без

включення металів, "у принципі досить складно".

Група хіміків зі США, очолювана Джоэлем Міллером, синтезувала

органометаллический ферромагнетик на основі ванадію й органічної

групи тет-рацианоэтилена. Він зберігає магнітні властивості майже до

350 ДО, що відповідає 77° С, і температурний критерій, отже,

дотриманий... На жаль, без "але" не обійшлася й тут: речовина

виявилося вкрай нестабільним і при взаємодії з повітрям швидко

розкладається навіть при звичайній кімнатній температурі.

Проте перші кроки по шляху до органічного магніту зроблені. І в

цьому напрямку поспішно кинулися багато хімічних лабораторій...

Висновки

Останнім часом у зв'язку з мікромініатюризацією радіоелектронної

апаратури виявляється великий інтерес до вивчення і викомалтання для

обробки інформації специфічних доменних структур- смугових,

циліндричних доменів (ЦМД) і ряду інших. Довгий час

мікромініатюризація магнітних елементів і пмалтроїв значно відставав

від мікромініатюризації напівпровідникових пмалтроїв. Однак, в

останні роки тут досягнуті великі успіхи. Вони зв'язані з можливістю

викомалтання одиничного магнітного домена як елементарного носія

інформації. Звичайно таким носієм інформації є ЦМД. Він формується

за певних умов у монокмалталлических чи пластинках плівках деяких

ферритов.

Доменна структура таких тонких ферритових плівок дуже

специфічна. Характер доменів і границь між ними істотно залежить від

товщини плівки. При малій товщині через те, що фактор, що

розмагнічує, у площині плівки на багато порядків менше, ніж у

напрямку нормалі до неї, намагніченість розташовується паралельно

площини плівки. У цьому випадку утворення доменів із протилежними

напрямками намагнічування по товщині плівки не відбувається. У

плівках, товщина яких більше деякої критичний, можливе утворення

доменів смугової конфігурації. Плівка розбивається на довгі вузькі

домени шириною від часток мікрометра до декількох мікрометрів,

причому сусідні домени намагнічені в протилежних напрямках уздовж

нормалі до поверхні. Такі магнітні плівки одержали назва

«закритичних», їхня товщина знаходиться в межах 0,3-10 мкм

Додаток зовнішнього магнітного поле, спрямованого

перпендикулярно площини плівки зі смуговими доменами, приводить до

зміни розмірів і форми доменів. При збільшенні поле відбувається

зменшення довжини смугових доменів, а потім найменший домен

перетворюється в циліндричний. У деякому інтервалі значень

зовнішнього магнітного поле в плівці можуть існувати як смугові

домени, так і ЦДМ. Подальше збільшення поле приводить до того, що

ЦДМ зменшується в діаметрі, а оставшиеся смугові домени

перетворюються в циліндричні. ЦДМ можуть зникнути (коллапсировать)

при досягненні деякого значення поле і, таким чином, уся плівка

намагнітиться однородно. Уперше ЦДМ спостерігалися в плівках

ортоферритов – речовинах, що мають хімічну формулу

Rfe3, де R- рідкоземельный елемент.

ЦДМ можуть викомалтовуватися для створення запам'ятовуючих і

логічних пмалтроїв. При цьому наявність домена в даній крапці плівки

відповідає значенню «1», а відсутність –значенню «0». Для збереження

і передачі інформації за допомогою ЦДМ потрібно уміти формувати

домени, зберігати їх, переміщати в задану крапку, фіксувати їхня чи

пмалутність відсутність (тобто зчитувати інформацію), а також

руйнувати непотрібні ЦДМ.

Список використаної літератури:

1. Іродів И.Е. «Електромагнетизм». Основні закони

М. ; Лабораторія базових знань, 2000

2. Павлов П.В., Чубів А.Ф. “Фізика твердого тіла”

М. – Вища школа, 2000

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. “Довідник по фізиці”

М. –наука.Физматлит, 1996

4. Елементарний підручник фізики під ред. Ландсберга Г.С. “Електрика і

магнетизм”

М. – Наука, 1975

5. Трофимова Т.И. “Курс фізики”

М. – Вища школа, 1999

-----------------------

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

UВХ

A

D

R

Тмб

C

Эо

Rр

Осц

Страницы: 1, 2