Анизотропия магнитных свойств

При отсутствии внешнего магнитного поля вектор суммарной намагниченности под действием сил магнитной анизотропии в магнитном материале направлен не произвольным образом, а в определенных кристаллографических направлениях, в аморфном материале – в определенном направлении по отношению к плоскости пленки или ленты. Эти направления называются направлениями (осями) легкого намагничивания (НЛН, ОЛН). Направления (оси), в которых необходимо приложить самое большое магнитное поле для намагничивания, называются направлениями (осями) трудного намагничивания (НТН, ОТН).

Для поворота вектора намагниченности (3) из легкого в трудное направление необходимо затратить энергию, которая пропорциональна энергии магнитной кристаллографической анизотропии (для аморфных магнетиков – энергии магнитной анизотропии), характеризуемой константами анизотропии K ₁,
K ₂,....

Ферромагнитные домены

В ферромагнетике при температурах ниже температуры Кюри все спиновые моменты атомов с недостроенными d- или f-обо­лоч­ками (электронными подуровнями) ориентируются параллельно друг другу. В результате этого намагниченность (3) макроскопического образца должна быть близка к намагниченности насыщения. Однако опыт обычно показывает размагниченное состояние ферромагнитных тел. При помещении такого образца в магнитное поле результирующий магнитный момент возрастает и в достаточно слабых полях достигает насыщения. Объяснение этому эффекту было дано П. Вейссом, который предположил, что при отсутствии поля кристалл разбивается на магнитные области – домены – размером 10^–4¸
10^–6 м (рис. 2), где магнитные моменты атомов ориентированы параллельно определенному кристаллографическому направлению.

 

 

Рис. 2. Магнитная доменная структура:

энергетически выгодная плоская четырехдоменная структура с замкнутым магнитным полем. Стрелками показаны направления векторов спонтанной намагниченности

 

Каждый домен спонтанно намагничен до насыщения, но равновероятное пространственное расположение векторов магнитных моментов приводит к образованию замкнутых магнитных цепей (рис. 2) внутри образца, и результирующий магнитный момент равен нулю.

 

а б в

Рис. 3. Влияние магнитного поля на доменную структуру:

схема доменной структуры магнитоодноосного кристалла в размагниченном состоянии (а) и изменение структуры в процессе намагничивания (б и в). Стрелками показаны векторы спонтанной намагниченности .

 

При включении поля, направленного по оси легкого намагничивания (рис. 3, б) происходит смещение доменных границ, увеличение объема доменов, имеющих . Появляется суммарная намагниченность . При больших значениях границы уменьшающихся доменов смыкаются в средней части. В результате полосовые домены превращаются в клиновидные, которые затем, с дальнейшим ростом , уменьшаются, стягиваясь к краям образца, и исчезают. Образец намагничивается до насыщения M = M _s.

Доменная стенка (граница магнитных доменов) представляет собой переходный слой шириной 10^–7¸10^–8 м от одного домена к другому, внутри которого спиновые магнитные моменты постепенно поворачиваются (рис. 4).

 

 

 

Рис. 4. Изменение ориентации магнитных моментов атомов

в магнитной стенке:

белым цветом показана доменная – стенка, серым – домены

 

Число доменных стенок в ферромагнитном образце зависит от доменной структуры кристалла в основном состоянии и, в конечном счете, от числа эквивалентных осей легкого намагничивания.

Магнитный гистерезис

Намагничивание ферромагнитного образца, имеющего нулевую намагниченность M, происходит за счет изменения формы и ориентации доменов (cм. рис. 2). В слабых полях происходит смещение границ доменов (cм. рис. 3, б). Этот процесс обратим. Если внешнее поле убрать, то домены восстановят исходные форму и размер (область I на рис. 5). Увеличение поля приводит к тому, что рост выгодно расположенных доменов происходит при необратимых процессах (область II на рис. 5):

– взаимодействия доменных стенок с дефектами;

– скачкообразного вращения вектора спонтанной намагниченности (из-за магнитной анизотропии, что характерно особенно для однодоменных кристаллов, частиц);

– затруднения образования зародышей перемагничивания (непараллельность векторов – в результате взаимодействия с дефектами существуют , непараллельные оси легкого намагничивания).

В области высоких полей (область III на рис. 5) намагниченность выходит на насыщение (техническое насыщение), которому соответствует точка (M _s; H _s). Последующий рост напряженности магнитного поля приводит к очень медленному нарастанию намагниченности, которое обусловлено тем, что при T ¹0 K не все спины внутри доменов ориентированы строго параллельно. В сильных полях достигается параллельная ориентация магнитных моментов. Этот процесс носит название парапроцесса (область IV на рис. 5).

 

 

Рис. 5. Зависимость намагниченности ферромагнетика

от величины приложенного поля:

штриховой кривой показана частная петля гистерезиса

 

Если намагниченный до насыщения образец начать размагничивать, уменьшая внешнее поле , то изменение намагниченности будет описываться уже другой кривой (рис. 5). Из-за необратимого смещения границ доменов при H = 0 сохраняется некоторая намагниченность M _r, называемая остаточной. Для достижения нулевой намагниченности необходимо приложить размагничивающее поле противоположной направленности H _c, называемое коэрцитивной силой. При достижении больших значений размагничивающего поля образец намагничивается до насыщения в противоположном направлении. Последующее размагничивание уже этого направления M _s происходит по аналогичной кривой, симметричной предыдущей относительно точки (M = 0; H = 0). В результате полный цикл перемагничивания при изменении поля от – H _max до H _max описывается петлей гистерезиса (ПГ) (рис. 5). Петля гистерезиса наглядно показывает, что процесс размагничивания отстает от уменьшения поля. Это означает, что энергия, полученная ферромагнетиком при намагничивании, не полностью отдается в процессе размагничивания. Часть энергии теряется. Теряемая за один полный цикл энергия в единице объема материала (потери на гистерезис) выражается формулой:

(8)

и определяется площадью ПГ. Отметим, что при проведении неполного (частного) цикла намагничивания до некоторых значений H < H _max мы получим частную петлю гистерезиса (рис. 5). Частная ПГ может быть несимметричной, если поля намагничивания и размагничивания не равны.

Петля гистерезиса в координатах M (H) в соответствии с (5) может быть преобразована в петлю в координатах B (H) (рис. 6).

Зависимость B (H) или M (H) при монотонном изменении напряженности магнитного поля от нуля до H _max называется первоначальной кривой намагничивания. Для расчетов пользуются основной кривой намагничивания, создаваемой соединением вершин частных симметричных петель гистерезиса, полученных при различных максимальных значениях H (рис. 7).

 

 

Рис. 6. Отличие петли гистерезиса в координатах M (H) (сплошная кривая) и B (H) (штриховая кривая)	Рис. 7. Симметричные петли гистерезиса

 

 

Рис.8. Зависимость дифференциальной относительной магнитной

проницаемости от напряженности поля

 

Поскольку магнитная индукция зависит от напряженности поля нелинейно (cм. рис. 7), относительная магнитная проницаемость, определяемая по петле гистерезиса, будет дифференциальной:

, (9)

зависящей от напряженности поля (рис. 8).

Полученная таким образом величина m в полях с напряженностью, близкой к нулю, носит название начальной относительной магнитной проницаемости m_нач, а максимальное ее значение на всей кривой намагничивания – максимальной относительной магнитной проницаемости m_max.

Площадь ПГ (потери при перемагничивании), коэрцитивная сила, остаточная намагниченность (индукция) и другие важные электротехнические величины существенно зависят от характеристики образца: химического состава, структурного состояния, распределения дефектов, деталей технологии получения и обработки. Варьирование обработки позволяет широко изменять свойства магнитного материала. Так, на движение стенок доменов влияют несовершенства кристаллической решетки. Особенно эффективна в этом отношении сетка дислокаций. Поэтому металл в состоянии после холодной механической обработки (деформации) обладает большей магнитной стабильностью, чем металл, подвергнутый отжигу. Именно это обстоятельство послужило причиной использования терминов «магнитомягкий» и «магнитотвердый» при оценке стабильности магнитов.

Отметим, что по виду ПГ все ферромагнетики делятся на две большие группы: магнитомягкие, имеющие H _c < 800 А/м, и магнитотвердые с H _c > 4 кА/м.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: