Классификация магнитных материалов

 

Диамагнетики.

 

Диамагнетиками являются материалы, атомы, ионы или молекулы которых в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют результирующего магнитного момента. В них существует только магнитный момент, наведенный внешним магнитным полем.

Диамагнетизм заключается в индуцировании внешним магнитным полем магнитного момента в электронных оболочках атомов, ионов или молекул. Поэтому он присущ всем материалам независимо от их агрегатного состояния и вида химической связи. Однако в чистом виде его можно наблюдать только у тех материалов, в которых магнитный момент атома P_ат равен нулю. Такие материалы называют диамагнетиками.

Для диамагнетиков характерно то, что у них вектор намагниченности J направлен против вектора внешнего намагничивающего поля H, поэтому они подвергаются выталкивающему действию из последнего. Магнитная восприимчивость k_m диамагнетиков отрицательная и по абсолютному значению очень мала | k_m |=10^-4 – 10^-8. В большинстве случаев k_m не зависит от температуры и напряжённости магнитного поля.

Диамагнетиками являются все инертные газы, водород, аммиак и др., ряд металлов, некоторые из которых применяются в электрических машинах, (Си, Аg, Аu, Zn, Рb, Нg и др.), металлоиды (Р, S, Si и др.), вещества неорганические (стёкла, мрамор, вода и др.) и органические (воск, нефть и др.). Магнитная проницаемость у них немного меньше единицы (m <1), поэтому они не оказывают существенного влияния на формирование магнитного поля в электрических машинах, а конструктивные элементы из диамагнтиков можно принимать за воздушные зазоры.

Существует понятие идеального диамагнетика. Это материал, у которого магнитная восприимчивость =-1. Очевидно, внутри идеального диамагнетика магнитного поля нет, поскольку в этом случае согласно (1.15) магнитная проницаемость равна 0. В настоящее время таких материалов нет, однако свойствами идеального диамагнетика обладают материалы, находящиеся в состоянии сверхпроводника, что рассматривается в разделе 6.

 

Парамагнетики.

Парамагнетиз м наблюдается у материалов, атомы (ионы) которых имеют нечётное число электронов (кроме Сu, Аg). Атомы (ионы или молекулы) парамагнетиков в отсутствие внешнего магнитного поля уже обладают собственным магнитным моментом, который обусловлен не скомпенсированными в них спиновыми магнитными моментами электронов. Однако, так как взаимодействие между магнитными моментами атомов (ионов или молекул) очень мало, поэтому их магнитные моменты расположены беспорядочно (рис. 2.1, а) и результирующая намагниченность J материала равна нулю.

 

 

Рис. 2.1. Схематическое изображение магнитных моментов атомов в отсутствие внешнего магнитного поля в парамагнетиках.

 

При воздействии магнитного поля магнитные моменты атомов парамагнетиков ориентируются в направлении внешнего магнитного поля и усиливают его, т. е. проявляется положительная намагниченность (k_m >0).Поэтому они втягиваются в области с максимальной напряженностью магнитного поля. По абсолютному значению k_m очень мала и не зависит от напряженности магнитного поля, но зависит от температуры. Магнитная проницаемость у них немного больше единицы, поэтому парамагнетики как и диамагнетики практически не оказывают влияния на магнитное поле и их можно принимать как воздушные зазоры.

Парамагнетизм проявляется у щелочных металлов nа, К и переходных металлов (Тi, V, Сг, Мn), имеющих недостроенную Зd электронную оболочку; редкоземельных элементов (лантаноидов) от церия до лютеция имеющих недостроенную 4d-электронную оболочку.

Ферромагнетики.

Ферромагнетизм является частным случаем парамагнетизма. У ферромагнетиков, так же как и у парамагнетиков, магнитные моменты атомов (ионов) обусловлены не скомпенсированными в них спиновыми магнитными моментами электронов. Однако у ферромагнетиков, в отличие от парамагнетиков, магнитные моменты атомов расположены не беспорядочно, а в результате обменного взаимодействия ориентированы параллельно друг к другу с образованием магнитных доменов (рис. 2.2).

 

 

Рис 2.2. Условное изображение магнитных доменов ферромагнетиков.

 

Магнитные домены представляют собой элементарные объёмы ферромагнетиков, находящиеся в состоянии магнитного насыщения. В домене некомпенсированные спиновые магнитные моменты электронов всех атомов выстроены параллельно друг другу. Доменная структура образуется в отсутствие внешнего магнитного поля в результате самопроизвольной (спонтанной) намагниченности, которая происходит при температурах, ниже некоторой, называемой точкой Кюри - Т_К. Для чистого железа Т_К =768°С, никеля Т_К =358°С.

Разбивка всего объёма ферромагнетика на множество доменов энергетически выгодна. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов направлены так, что их результирующий магнитный момент равен или близок нулю. Домены имеют размеры около 0,001 мм³ при толщине пограничных слоёв между ними (границ) несколько десятков ангстрем, В доменных границах происходит постепенное изменение направления вектора намагниченности от одного домена к направлению вектора намагниченности в соседнем домене.

Характерной особенностью ферромагнетиков является их доменное строение, которое и обусловливает специфику магнитных свойств: магнитное насыщение, гистерезис, магнитострикцию и др. Магнитная восприимчивость k_m и магнитная проницаемость m ферромагнетиков имеют большие положительные значения (до 10⁶) и сильно зависят от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Ферромагнетики легко намагничиваются уже в слабых магнитных полях.

В отсутствие внешнего магнитного поля направление векторов намагниченности различных доменов не совпадают, и результирующая намагниченности всего образца ферромагнетика равна или близка нулю. При приложении магнитного поля магнитные моменты доменов начнут ориентироваться по полю, а границы между доменами смещаются, в результате образец намагничивается. Это намагничивание называют техническим намагничиванием. Его необходимо отличать от спонтанного намагничивания, которое всегда присутствует внутри доменов. При нагревании ферромагнетика его магнитная проницаемость возрастает, так как облегчаются процессы смещения доменных границ. При температуре, равной и выше Т_К, интенсивное тепловое движение ионов, находящихся в узлах кристаллической решётки, начнёт изменять параметры этой решётки, в результате разрушится спонтанная намагниченность и домены перестанут существовать - материал перейдёт из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

Для характеристики изменения магнитной проницаемости и при изменении температуры на один Кельвин пользуются температурным коэффициентом магнитной проницаемости ТК_m.

Магнитные материалы на основе ферромагнетиков играют решающую роль в электрических машинах, поскольку обладают высокой магнитной проницаемостью.

Ферромагнетиками являются: три переходных металла (железо Fе, кобальт Со и никель Ni, имеющих недостроенную Зd электронную оболочку, и сплавы на их основе. Применительно к электрическим машинам в основном применяется железо или его сплавы с углеродом и кремнием. Редкоземельные элементы (гадолиний Gd, тербий Тb, диспрозий Dу, гольмии Но, эрбий Ег и тулий Тm), имеющие недостроенную 4f - электронную оболочку, обладают очень низким значением Т_к, что затрудняет их практическое применение.

Антиферромагнетики.

 

Элементы Мn, Сг, их оксиды и некоторые соединения Мn хотя и имеют значения k_m и m того же порядка, что и парамагнетики, но по внутренней магнитной структуре они ближе к ферромагнетикам. Учитывая это, их выделили в самостоятельную группу и назвали антиферромагнетиками.

Антиферромагнетиками являются материалы, атомы (ионы) которых обладают магнитным моментом, обусловленным, так же как у пара- и ферромагнетиков, некомпенсированными спиновыми магнитными моментами электронов. Однако у антиферромагнетиков магнитные моменты атомов под действием обменного взаимодействия приобретают не параллельную ориентацию, как это имеет место у ферромагнетиков, а антипараллельную (противоположную) ориентацию (рис. 2.3) и полностью компенсируют друг друга.

 

Рис 2.3. Условное изображение магнитных моментов антиферромагнетиков.

 

Поэтому антиферромагнетики не обладают магнитным моментом, и их магнитная восприимчивость k_m близка по величине к k_m парамагнетиков. Для антиферромагнетиков, также как и для ферромагнетиков, существует определённая температура, называемая точкой Нееля Тн при которой антиферромагнитный порядок разрушается и материал переходит в парамагнитное состояние.

Антиферромагнетиками являются: Мn, Сг, СuО, Ni0, FеО,Сг₂О₃, и довольно большое количество других соединений.

 

 

Ферримагнетики.

Ферримагнетики имеют доменную структуру, состоящую из двух или более подрешёток, связанных антиферромагнитно (антипараллельно). Так как подрешётки образованы атомами (ионами) различных химических элементов или неодинаковым их количеством, поэтому они имеют различные по величине магнитные моменты, которые направлены антипараллельно (рис. 2.4). В результате появляется отличная от нуля разность магнитных моментов подрешёток, приводящая к спонтанному намагничиванию кристалла.

 

 

Рис 2.4. Условное изображение магнитных моментов ферримагнетиков.

 

Таким образом, ферримагнетики можно рассматривать как не скомпенсированные антиферромагнетики. Свое название эти материалы получили от ферритов - первых некомпенсированных антиферромагнетиков, а магнетизм ферритов назвали ферримагнетизмом. У ферритов доменная структура, так же как и у ферромагнетиков, образуется при температурах ниже точки Кюри. К ферритам применимы все магнитные характеристики, введённые для ферромагнетиков. В отличие от ферромагнетиков, они имеют меньшую величину индукции насыщения, более сложную температурную зависимость индукции и в ряде случаев высокое значение удельного сопротивления

Ферромагнетизм в металлах объясняется наличием обменного взаимодействия, которое образуется между соприкасающимися атомами, а также взаимной ориентацией спиновых магнитных моментов. В ферримагнетиках магнитные моменты ионов ориентированы антипараллельно и обменное взаимодействие происходит не непосредственно, а через ион кислорода. Такое обменное взаимодействие называют косвенным обменом или сверхобменом.

Ферриты представляют собой сложные системы окислов металлов с общей химической формулой МеОFе₂О₃, где МеО - окисел двухвалентного металла. Ферриты — это ферримагнитная керамика. Высокое удельное сопротивление практически исключает возникновение в ферритах вихревых токов при воздействии на них переменных магнитных полей, что в свою очередь позволяет применять ферриты в качестве магнитных материалов как в диапазоне радиочастот, включая СВЧ, так и в электрических машинах, работающих на высоких частотах

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: